Lorsque les neurones déclenchent une impulsion électrique, ils subissent également une poussée d'ions calcium. En mesurant ces surtensions, les chercheurs peuvent surveiller indirectement l'activité des neurones, les aidant à étudier le rôle des neurones individuels dans de nombreuses fonctions cérébrales différentes.
Un inconvénient de cette technique est la diaphonie générée par les axones et les dendrites qui s'étendent des neurones voisins, ce qui rend plus difficile d'obtenir un signal distinctif du neurone étudié. Les ingénieurs du MIT ont maintenant développé un moyen de surmonter ce problème, en créant des indicateurs de calcium, ou capteurs, qui s'accumulent uniquement dans le corps d'un neurone.
Les gens utilisent des indicateurs de calcium pour surveiller l'activité neuronale dans de nombreuses parties du cerveau. Maintenant, ils peuvent obtenir de meilleurs résultats, obtenir des enregistrements neuronaux plus précis qui sont moins contaminés par la diaphonie. «
Edward Boyden, professeur Y. Eva Tan en neurotechnologie et professeur en génie biologique et en sciences cérébrales et cognitives au MIT
Pour y parvenir, les chercheurs ont fusionné un indicateur de calcium couramment utilisé appelé GCaMP à un peptide court qui le cible vers le corps cellulaire. Selon les chercheurs, la nouvelle molécule, que les chercheurs appellent SomaGCaMP, peut être facilement intégrée dans les flux de travail existants pour l'imagerie calcique.
Boyden est l'auteur principal de l'étude, qui paraît aujourd'hui dans Neurone. Les principaux auteurs de l'article sont le chercheur scientifique Or Shemesh, le postdoctorant Changyang Linghu et l'ancien postdoctoral Kiryl Piatkevich.
Focus moléculaire
L'indicateur de calcium GCaMP se compose d'une protéine fluorescente attachée à une protéine de liaison au calcium appelée calmoduline et d'une protéine de liaison à la calmoduline appelée peptide M13. Le GCaMP est fluorescent lorsqu'il se lie aux ions calcium dans le cerveau, permettant aux chercheurs de mesurer indirectement l'activité neuronale.
«Le calcium est facile à imager, car il passe d'une très faible concentration à l'intérieur de la cellule à une très haute concentration lorsqu'un neurone est actif», explique Boyden, qui est également membre du McGovern Institute for Brain Research du MIT, Media Lab, et Institut Koch de recherche intégrative sur le cancer.
La façon la plus simple de détecter ces signaux fluorescents est d'utiliser un type d'imagerie appelé microscopie à un photon. Il s'agit d'une technique relativement peu coûteuse qui peut imager de grands échantillons de cerveau à grande vitesse, mais l'inconvénient est qu'elle capte la diaphonie entre les neurones voisins. GCaMP pénètre dans toutes les parties d'un neurone, de sorte que les signaux des axones d'un neurone peuvent apparaître comme s'ils provenaient du corps cellulaire d'un voisin, ce qui rend le signal moins précis.
Une technique plus coûteuse appelée microscopie à deux photons peut partiellement résoudre ce problème en concentrant la lumière très étroitement sur les neurones individuels, mais cette approche nécessite un équipement spécialisé et est également plus lente.
Le laboratoire de Boyden a décidé d'adopter une approche différente, en modifiant l'indicateur lui-même, plutôt que l'équipement d'imagerie.
« Nous avons pensé, plutôt que de focaliser optiquement la lumière, que se passerait-il si nous focalisions moléculairement l'indicateur? » il dit. « Beaucoup de gens utilisent du matériel, comme des microscopes à deux photons, pour nettoyer l'imagerie. Nous essayons de construire une version moléculaire de ce que les autres font avec le matériel. »
Dans un article connexe publié l'année dernière, Boyden et ses collègues ont utilisé une approche similaire pour réduire la diaphonie entre les sondes fluorescentes qui imagent directement la tension membranaire des neurones. En parallèle, ils ont décidé d'essayer une approche similaire avec l'imagerie calcique, qui est une technique beaucoup plus largement utilisée.
Pour cibler GCaMP exclusivement aux corps cellulaires des neurones, les chercheurs ont essayé de fusionner GCaMP à de nombreuses protéines différentes. Ils ont exploré deux types de candidats – les protéines naturelles connues pour s'accumuler dans le corps cellulaire et les peptides conçus par l'homme – en collaboration avec le professeur de biologie du MIT, Amy Keating, qui est également l'auteur de l'article. Ces protéines synthétiques sont des protéines à spirales enroulées, qui ont une structure distinctive dans laquelle plusieurs hélices des protéines s'enroulent ensemble.
Moins de diaphonie
Les chercheurs ont sélectionné environ 30 candidats dans des neurones cultivés dans des boîtes de laboratoire, puis en ont choisi deux – un enroulé en spirale artificiel et un peptide naturel – à tester sur des animaux. En travaillant avec Misha Ahrens, qui étudie le poisson zèbre au Janelia Research Campus, ils ont découvert que les deux protéines offraient des améliorations significatives par rapport à la version originale de GCaMP. Le rapport signal / bruit – une mesure de la force du signal par rapport à l'activité de fond – a augmenté, et l'activité entre les neurones adjacents a montré une corrélation réduite.
Dans des études sur des souris, effectuées dans le laboratoire de Xue Han à l'Université de Boston, les chercheurs ont également constaté que les nouveaux indicateurs réduisaient les corrélations entre l'activité des neurones voisins. Des études supplémentaires utilisant un microscope miniature (appelé microendoscope), réalisées dans le laboratoire de Kay Tye au Salk Institute for Biological Studies, ont révélé une augmentation significative du rapport signal / bruit avec les nouveaux indicateurs.
« Notre nouvel indicateur rend les signaux plus précis. Cela suggère que les signaux que les gens mesurent avec GCaMP régulier pourraient inclure la diaphonie », dit Boyden. « Il y a la possibilité d'une synchronisation artefactuelle entre les cellules. »
Dans toutes les études animales, ils ont découvert que la protéine artificielle à enroulement enroulé produisait un signal plus brillant que le peptide naturel qu'ils avaient testé. Boyden dit qu'il n'est pas clair pourquoi les protéines à enroulement enroulé fonctionnent si bien, mais une possibilité est qu'elles se lient les unes aux autres, ce qui les rend moins susceptibles de voyager très loin dans la cellule.
Boyden espère utiliser les nouvelles molécules pour essayer d'imager le cerveau entier de petits animaux tels que les vers et les poissons, et son laboratoire met également les nouveaux indicateurs à la disposition de tous les chercheurs qui souhaitent les utiliser.
« Il devrait être très facile à mettre en œuvre, et en fait, de nombreux groupes l'utilisent déjà », a déclaré Boyden. « Ils peuvent simplement utiliser les microscopes réguliers qu'ils utilisent déjà pour l'imagerie calcique, mais au lieu d'utiliser la molécule GCaMP régulière, ils peuvent remplacer notre nouvelle version. »
La source:
Massachusetts Institute of Technology
