Les signaux électriques et chimiques traversent constamment notre cerveau tandis que nous nous déplaçons à travers le monde, mais il faudrait une caméra à haute vitesse et une fenêtre dans le cerveau pour capturer leurs chemins fugaces.
À l'Université de Californie, à Berkeley, les enquêteurs ont maintenant construit une telle caméra: un microscope qui peut imager le cerveau d'une souris alerte 1000 fois par seconde, enregistrant pour la première fois le passage d'impulsions électriques millisecondes à travers les neurones.
La nouvelle technique d'imagerie combine la microscopie à fluorescence à deux photons et le balayage laser tout optique dans un microscope de pointe qui peut imager une tranche bidimensionnelle à travers le néocortex du cerveau de la souris jusqu'à 3000 fois par seconde. C'est assez rapide pour tracer les signaux électriques circulant dans les circuits cérébraux.
Avec cette technique, les neuroscientifiques comme Ji peuvent désormais synchroniser les signaux électriques au fur et à mesure qu'ils se propagent dans le cerveau et recherchent finalement les problèmes de transmission associés à la maladie.
Un avantage clé de la technique est qu'elle permettra aux neuroscientifiques de suivre les centaines à des dizaines de milliers d'entrées qu'une cellule cérébrale donnée reçoit d'autres cellules du cerveau, y compris celles qui ne déclenchent pas le déclenchement de la cellule. Ces entrées sous-seuil – excitant ou inhibant le neurone – s'ajoutent progressivement à un crescendo qui déclenche la cellule pour déclencher un potentiel d'action, transmettant des informations à d'autres neurones.
La méthode typique d'enregistrement des décharges électriques dans le cerveau, via des électrodes intégrées dans le tissu, ne détecte que les coupures de quelques neurones lorsque les changements de tension en millisecondes passent. La nouvelle technique peut localiser le neurone de tir réel et suivre le chemin du signal, milliseconde par milliseconde.
« Dans les maladies, beaucoup de choses se produisent, avant même que vous ne puissiez voir les neurones se déclencher, comme tous les événements sous-seuils », a déclaré Ji, membre de l'Institut Helen Wills Neuroscience de UC Berkeley. « Nous n'avons jamais regardé comment une maladie évoluera avec une entrée sous-seuil. Maintenant, nous avons une poignée pour y remédier. »
Ji et ses collègues ont rapporté la nouvelle technique d'imagerie dans le numéro de mars du journal Méthodes de la nature. Dans le même numéro, elle et d'autres collègues ont également publié un article démontrant une technique différente pour l'imagerie de la signalisation calcique sur une grande partie de l'hémisphère entier du cerveau d'une souris à la fois, qui utilise un « mésoscope » à large champ de vision avec deux -Imagerie photonique et balayage de focalisation Bessel. Les concentrations de calcium sont liées aux changements de tension lorsque les signaux sont transmis par le cerveau.
« C'est la première fois que quelqu'un montre en trois dimensions l'activité neuronale d'un si grand volume du cerveau à la fois, ce qui est bien au-delà de ce que les électrodes peuvent faire », a déclaré Ji. « En outre, notre approche d'imagerie nous donne la capacité de résoudre les synapses de chaque neurone. »
Les synapses sont les endroits où les neurotransmetteurs sont libérés par un neurone pour exciter ou inhiber un autre.
L'un des objectifs de Ji est de comprendre comment les neurones interagissent à travers de vastes zones du cerveau et éventuellement localiser les circuits malades liés aux troubles cérébraux.
« Dans les troubles cérébraux, y compris les maladies neurodégénératives, ce n'est pas seulement un seul neurone ou quelques neurones qui tombent malades », a déclaré Ji. « Donc, si vous voulez vraiment comprendre ces maladies, vous voulez pouvoir regarder autant de neurones que possible sur différentes régions du cerveau. Avec cette méthode, nous pouvons obtenir une image beaucoup plus globale de ce qui se passe dans le cerveau. «
Microscopie à deux photons
Ji et ses collègues sont capables de scruter le cerveau grâce à des sondes qui peuvent être épinglées à des types spécifiques de cellules et devenir fluorescentes lorsque l'environnement change. Pour suivre les changements de tension dans les neurones, par exemple, son équipe a utilisé un capteur développé par le co-auteur Michael Lin de l'Université de Stanford qui devient fluorescent lorsque la membrane cellulaire se dépolarise alors qu'un signal de tension se propage le long de la membrane cellulaire.
Les chercheurs éclairent ensuite ces sondes fluorescentes avec un laser à deux photons, ce qui les fait émettre de la lumière, ou fluorescentes, si elles ont été activées. La lumière émise est captée par un microscope et combinée en une image 2D qui montre l'emplacement du changement de tension ou la présence d'un produit chimique spécifique, tel que l'ion de signalisation, le calcium.
En balayant rapidement le laser sur le cerveau, un peu comme une lampe de poche qui révèle progressivement la scène à l'intérieur d'une pièce sombre, les chercheurs sont en mesure d'obtenir des images d'une seule couche mince du néocortex. L'équipe a pu effectuer de 1 000 à 3 000 balayages 2D complets d'une seule couche cérébrale chaque seconde en remplaçant l'un des deux miroirs rotatifs du laser par un miroir optique – une technique appelée retard à gazouillis angulaire en espace libre (FACED). FACED a été développé par le co-auteur de l'article Kevin Tsia à l'Université de Hong Kong.
L'imagerie en kilohertz a non seulement révélé des changements de tension en millisecondes, mais aussi des concentrations de calcium et de glutamate, un neurotransmetteur qui changent plus lentement, jusqu'à une profondeur de 350 microns (un tiers de millimètre) de la surface du cerveau.
Pour obtenir des images 3D rapides du mouvement du calcium à travers les neurones, elle a combiné la microscopie fluorescente à deux photons avec une technique différente, la focalisation de Bessel. Pour éviter des analyses fastidieuses de chaque couche d'épaisseur de micron du néocortex, le foyer d'excitation du laser à deux photons est formé d'un point à un petit cylindre, comme un crayon, d'environ 100 microns de longueur. Ce faisceau de crayon est ensuite scanné à six profondeurs différentes à travers le cerveau, et les images fluorescentes sont combinées pour créer une image 3D. Cela permet un balayage plus rapide avec peu de perte d'informations car dans chaque volume en forme de crayon, généralement un seul neurone est actif à la fois. Le mésoscope peut représenter une zone d'environ 5 mm de diamètre – près d'un quart d'un hémisphère du cerveau de la souris – et 650 microns de profondeur, près de la profondeur totale du néocortex, qui est impliqué dans un traitement complexe de l'information.
« En utilisant des méthodes conventionnelles, nous aurions à numériser 300 images pour couvrir ce volume, mais avec un faisceau allongé qui réduit le volume sur un seul plan, nous n'avons besoin de numériser que six images, ce qui signifie que maintenant nous pouvons avoir un volume assez rapide taux de regarder son activité de calcium « , a déclaré Ji.
Ji travaille actuellement sur la combinaison de quatre techniques – microscopie à fluorescence à deux photons, focalisation par faisceau de Bessel, FACED et optique adaptative – pour obtenir des images à haute vitesse et haute sensibilité au plus profond du néocortex, d'une épaisseur d'environ 1 millimètre.
« Pour comprendre le cerveau, mon rêve est de combiner ces techniques de microscopie pour obtenir une résolution spatiale submicronique afin que nous puissions voir les synapses, une résolution temporelle en millisecondes pour l'imagerie de tension, et voir tout cela au plus profond du cerveau », a-t-elle ajouté. . « Ce qui est compliqué et difficile pour le cerveau, c'est que si vous ne faites qu'une seule section optique, vous n'obtenez pas une image complète, car un réseau neuronal est en grande partie en trois dimensions. »
La source:
Université de Californie, Berkeley
Référence de la revue:
Wu, J., et al. (2020) Kilohertz imagerie de microscopie à fluorescence à deux photons de l'activité neuronale in vivo. Méthodes de la nature. doi.org/10.1038/s41592-020-0762-7.
