Une équipe internationale de chercheurs dirigée par l'Institut Francis Crick, en collaboration avec l'Institut Paul Scherrer, a développé un nouveau protocole d'imagerie pour capturer avec précision les connexions des cellules cérébrales de souris.
Dans un ouvrage publié aujourd'hui dans Méthodes naturellesils ont combiné l’utilisation des rayons X avec des matériaux résistants aux radiations provenant de l’industrie aérospatiale.
Les images acquises à l’aide de cette technique ont permis à l’équipe de voir comment les cellules nerveuses se connectent dans le cerveau de la souris, sans avoir besoin de trancher finement des échantillons de tissus biologiques.
La microscopie électronique en volume (volume EM) est la référence en matière d'imagerie de la manière dont les cellules nerveuses se connectent en tant que « circuits » à l'intérieur du cerveau. Cela a ouvert la voie aux scientifiques pour créer des cartes appelées connectomes, de cerveaux entiers, d’abord chez les larves de mouches des fruits, puis chez les mouches des fruits adultes. Cette imagerie consiste à découper des tranches minces de 10 secondes (des dizaines de milliers par mm de tissu), à imager chaque tranche, puis à reconstituer les images dans leur structure 3D.
Comparés aux électrons, les rayons X ont le potentiel de pénétrer plus profondément dans la matière. L’équipe a donc décidé de déterminer si ce type d’imagerie serait adapté à la capture des moindres détails des cellules nerveuses des tissus, sans qu’il soit nécessaire de découper l’échantillon.
S’appuyant sur des protocoles standard de préparation d’échantillons EM en volume, ils ont testé une nouvelle étape : l’incorporation du tissu coloré à l’aide d’une résine développée dans les industries nucléaire et aérospatiale. Cette résine peut empêcher les réacteurs nucléaires ou les vaisseaux spatiaux d'être endommagés par les radiations et, dans cette expérience, a permis aux échantillons d'être exposés à au moins 20 fois plus de radiations, atteignant des milliards de rayons X de plus que ce qui serait mortel pour un humain.
Les échantillons ont ensuite été photographiés à l'aide de rayons X dans une grande installation appelée synchrotron – un « accélérateur de particules » qui utilise des champs magnétiques et électriques pour propulser des électrons à des vitesses très élevées, qui produisent ensuite un rayonnement de rayons X intense et cohérent.
Les images résultantes, produites à l’aide d’un type spécifique d’imagerie à rayons X appelé ptychographie à rayons X, ont atteint une résolution de 38 nm. Cela suffisait pour montrer plusieurs éléments des circuits cérébraux de la souris, notamment les synapses (zones où deux neurones se connectent), les dendrites (projections de cellules nerveuses) et de nombreux axones (fils transportant des informations électriques).
Volume EM a été révolutionnaire pour voir les choses à l'intérieur de la cellule en 3D, mais il présente des limites pour cartographier les connexions neuronales à l'intérieur du cerveau des mammifères, qui sont trop grandes pour être découpées de manière fiable en minuscules sections.
Nous sommes ravis que notre protocole et l'utilisation d'un matériau puissant résistant aux radiations aient permis d'imager les tissus cérébraux avec une résolution extraordinaire. Affiner davantage cette technique pourrait nous rapprocher un peu d’un objectif futur dans le domaine : cartographier le connectome cérébral de la souris, qui est des dizaines de milliers de fois plus gros que le connectome de la mouche des fruits.
Andreas Schaefer, chef de groupe principal du laboratoire de circuits sensoriels et de neurotechnologie du Crick
Carles Bosch Piñol, chercheur principal au laboratoire de circuits sensoriels et de neurotechnologie du Crick, a déclaré : « Maintenant que nous avons montré que l'imagerie par rayons X est adaptée à la cartographie des détails fins d'échantillons de tissus biologiques délicats en 3D, nous continuons à améliorer les méthodes.
« Nous voulons améliorer le champ de vision, en traitant des échantillons plus grands, et la résolution, en obtenant des détails plus fins. La combinaison de l'imagerie par rayons X avec d'autres méthodes ouvre de nouvelles possibilités pour étudier la fonction des tissus biologiques tels que le cerveau. »
Le projet a été co-dirigé par Ana Diaz et Adrian Wanner à l'Institut Paul Scherrer (Villigen, Suisse), et réalisé en collaboration avec l'Installation européenne de rayonnement synchrotron et l'équipe de microscopie électronique du Crick.
