Dans le cerveau, les neurones calculent en générant des impulsions électriques. Ces signaux voyagent à travers les neurones, qui sont à leur tour connectés dans de vastes réseaux qui contrôlent les fonctions cérébrales telles que la perception sensorielle, la formation de la mémoire et le contrôle des mouvements.
Dans le cadre d’une avancée qui pourrait aider les neuroscientifiques à cartographier ces réseaux neuronaux, conduisant à une meilleure compréhension de la manière dont l’activité neuronale est à la base du comportement et d’autres fonctions cérébrales, les ingénieurs du MIT ont inventé un nouveau microscope capable d’imager l’activité électrique des neurones répartis dans le cerveau d’un organisme entier, le modèle expérimental Danio rerio (poisson zèbre).
À l’aide d’un microscope qu’ils ont adapté pour une imagerie rapide et à haut débit, les chercheurs ont pu suivre l’activité électrique dans le cerveau à l’échelle de quelques millisecondes. Cette méthode a révélé des schémas d’activité neuronale des neurones du cerveau activés en réponse à la lumière ultraviolette.
Toutes les parties du cerveau sont connectées entre elles, donc si vous voulez vraiment comprendre le cerveau, vous devez comprendre comment tous les neurones fonctionnent ensemble pour former un tout émergent. »
Ed Boyden, professeur Y. Eva Tan en neurotechnologie au MIT
Ed Boyden est professeur de génie biologique, d’arts et sciences médiatiques, ainsi que de sciences du cerveau et cognitives. et membre du McGovern Institute for Brain Research du MIT, du Yang Tan Collective et du Koch Institute for Integrative Cancer Research.
Boyden est l’auteur principal de l’étude, qui paraît aujourd’hui dans Nature Methods. L’ancien boursier postdoctoral J. Douglas Tan, Zeguan Wang PhD ’24, et l’ancien postdoctorant du MIT, Jie Zhang, sont les principaux auteurs de l’article. Parmi les autres auteurs figurent l’ancien postdoctorant du MIT Panagiotis Symvoulidis, le chercheur du Picower Institute Wei Guo, les étudiants diplômés Davy Deng et Lige Zhang, le chercheur du Koch Institute Adam Amsterdam, le chercheur du Picower Institute Takato Honda, le premier cycle du Boston College Steven Roche et Matthew Wilson, professeur Sherman Fairchild de neurosciences au MIT et membre du Picower Institute.
Imagerie à grande vitesse
L’imagerie calcique est une technique souvent utilisée pour mesurer l’activité des neurones dans le cerveau. Le calcium circule dans les neurones après qu’ils ont déclenché une impulsion électrique. La mesure des niveaux de calcium dans les cellules peut donc servir d’indicateur de l’activité neuronale. Cependant, ce type d’imagerie n’est pas assez rapide pour capturer des pics d’activité uniques.
« L’imagerie du calcium est intrinsèquement très lente, vous parlez donc d’une activité d’imagerie de l’ordre de quelques secondes, voire quelques minutes. En général, c’est trop lent pour que nous puissions voir un grand nombre de ces activités neuronales à grande vitesse », explique Zhang. « Les neurones calculent en utilisant l’activité électrique, donc avec l’imagerie de tension, vous pouvez en obtenir une observation directe. »
Pour permettre l’imagerie directe de la tension, les chercheurs ont développé des protéines appelées indicateurs de tension génétiquement codés – des protéines fluorescentes qui peuvent être génétiquement exprimées dans les neurones. Lorsqu’un neurone déclenche une impulsion, la protéine émet une fluorescence, qui peut être détectée au microscope à fluorescence.
Dans des travaux antérieurs, les chercheurs ont utilisé ces protéines pour imager de petites populations de neurones, en se concentrant généralement sur une partie localisée du cerveau. Jusqu’à présent, il n’existait aucun moyen d’imager un volume important, tel que le cerveau entier, avec la résolution à l’échelle de la milliseconde nécessaire pour voir les impulsions électriques provenant de neurones individuels.
Pour y parvenir, l’équipe du MIT a décidé de modifier un microscope couramment utilisé, appelé microscope à feuille de lumière. Ce type de microscope utilise une feuille de lumière laser pour éclairer une fine tranche d’un échantillon. En imageant plusieurs couches en séquence, cette technique peut générer des images 3D d’un grand volume. Cependant, avec les microscopes précédents, l’analyse d’un volume entier prendrait trop de temps pour pouvoir capturer les impulsions neuronales dans tout le volume avec une résolution de cellule unique.
« Différents groupes de neurones répartis dans le cerveau se coordonnent à des échelles de temps de l’ordre de la milliseconde pour générer de nombreux comportements et calculs cérébraux », explique Wang. « Pour comprendre les principes, nous avons besoin de la technologie pour observer leur activité en même temps, dans tout le cerveau, afin de ne manquer aucun neurone participant important. »
Pour rendre le processus d’imagerie suffisamment rapide pour imager une activité à l’échelle de la milliseconde, les chercheurs ont augmenté la vitesse d’acquisition d’images de la caméra du microscope, ainsi que la vitesse de balayage du microscope à l’aide d’une technique appelée recentrage à distance.
En utilisant cette approche, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient scanner l’intégralité du cerveau du poisson zèbre 200 fois par seconde, soit une fois toutes les cinq millisecondes.
Cartographie de l’activité cérébrale
Pour tester le nouveau microscope, les chercheurs ont conçu des neurones chez des larves de poisson zèbre pour exprimer un indicateur de tension appelé Positron2-Kv. Même s’ils avaient espéré que l’indicateur se retrouverait dans chaque neurone, il produisait des signaux dans les neurones répartis dans tout le cerveau, environ un quart des neurones présentant des signaux acceptables. Cela suffisait cependant pour observer les schémas d’activité dans le cerveau. Les chercheurs ont photographié le cerveau pendant que les poissons se reposaient et ont pu observer des pics de tension uniques provenant des neurones, ainsi que des éclats rapides de pics.
De plus, cette technique a révélé des schémas d’activation du cerveau suite à un stimulus tel que la lumière ultraviolette. Immédiatement après le stimulus, une activité a été observée dans le tectum optique, qui reçoit et traite les informations visuelles de la rétine. Cette activité se propage d’un côté à l’autre d’une partie du cerveau appelée tectum. Une activité indépendante du stimulus s’est également produite dans des séquences à travers des ensembles de neurones du cervelet et du cerveau postérieur.
Les chercheurs espèrent désormais augmenter le pourcentage de neurones qu’ils peuvent imager dans le cerveau, ainsi que la vitesse et la résolution du microscope. Ils travaillent également à étendre l’utilisation de cette technique à d’autres modèles expérimentaux, notamment la souris.
Selon eux, cette approche pourrait offrir aux neuroscientifiques une nouvelle façon de générer des hypothèses sur ce qui se passe dans le cerveau lorsqu’il adopte des comportements spécifiques, ou sur la manière dont l’activité cérébrale est liée à des états d’esprit tels que la rêverie.
« Une grande question est simplement de comprendre comment les neurones fonctionnent ensemble en tant que réseau. Et ce pourrait être la première fois que vous pourrez le faire, car vous pourrez visualiser la tension des neurones répartis dans le réseau », explique Boyden.
La recherche a été financée par les National Institutes of Health, la BRAIN Initiative, le Picower Institute Innovation Fund, K. Lisa Yang, Ashar Aziz, le K. Lisa Yang et le Hock E. Tan Center for Molecular Therapeutics in Neuroscience du MIT, le Hock E. Tan et K. Lisa Yang Center for Autism Research, le Alana Down Syndrome Center, John Doerr, Jed McCaleb, James Fickel et le Howard Hughes Medical Institute.
