Les scientifiques de la Source de Lumière Suisse SLS ont réussi à cartographier un morceau de tissu cérébral en 3D avec une résolution sans précédent à l'aide de rayons X, de manière non destructive. Cette avancée technologique surmonte un obstacle technologique de longue date qui limitait l’utilisation des rayons X pour de telles études.
La mise à niveau du SLS étant désormais terminée, la voie est ouverte pour imager des échantillons beaucoup plus grands de tissu cérébral à haute résolution et pour acquérir une nouvelle compréhension de son architecture complexe. L'étude, fruit d'une collaboration entre le PSI et le Francis Crick Institute au Royaume-Uni, est publiée dans Méthodes naturelles.
Le cerveau est l’un des systèmes biologiques les plus complexes au monde. »
Adrian Wanner, chef de groupe, groupe de recherche en neurobiologie structurale, Institut Paul Scherrer PSI
Son groupe tente de comprendre comment les neurones sont connectés ensemble, un domaine connu sous le nom de connectomique.
Il a expliqué : « Prenez le foie : nous connaissons environ 40 types de cellules. Nous savons comment elles sont disposées. Nous connaissons leurs fonctions. Ce n'est pas vrai pour le cerveau. Et donc, pourrait-on se demander, quelle est la différence entre le cerveau et le foie ? Ce n’est pas là la différence. Ce qui est vraiment différent, c’est la façon dont les cellules cérébrales sont organisées et connectées.
Parlons chiffres : dans un millimètre cube de tissu cérébral, il y a environ 100 000 neurones, reliés par environ 700 millions de synapses et 4 kilomètres de « câbles ».
La manière dont ces neurones sont connectés les uns aux autres via les synapses détermine le fonctionnement du cerveau. Elle est liée à des maladies comme la maladie d’Alzheimer. Pourtant, la complexité de ce câblage en trois dimensions est extraordinairement difficile à étudier. « Si vous prenez un réseau neuronal avec 17 neurones, il y a plus de façons de les connecter que d'atomes dans l'univers, explique Wanner. « Vous ne pouvez donc pas simplement essayer de le modéliser. Il faut le mesurer. »
C'est dans le contexte de cet immense problème que se situe une avancée technologique majeure réalisée par Wanner et ses collègues de la Swiss Light Source SLS – en collaboration avec le Francis Crick Institute au Royaume-Uni.
Les rayons X scrutent l'ultrastructure
Actuellement, la technique de prédilection pour ce type d’imagerie est la microscopie électronique en volume. Comme les électrons ne pénètrent que superficiellement, des millimètres cubes de tissus cérébraux doivent être découpés en dizaines de milliers de sections ultrafines. Ceux-ci sont ensuite imagés individuellement et reconstruits par ordinateur pour cartographier la connectivité 3D des neurones à travers les tranches – un processus très sujet aux erreurs et entraînant inévitablement une perte d'informations.
Une solution réside dans les rayons X. Ceux-ci peuvent pénétrer dans des millimètres – voire des centimètres – et pourraient donc en principe imager des morceaux de tissu cérébral sans les sectionner.
Sur la ligne de lumière cohérente de diffusion de rayons X aux petits angles du SLS, connue sous le nom de cSAXS, les rayons X à haute brillance ont permis d'imager des puces informatiques à une résolution de seulement 4 nanomètres – un record mondial. « Mais pour les tissus biologiques, le problème est le contraste », explique Ana Diaz, scientifique au cSAXS. « Les puces informatiques sont constituées de fils de cuivre qui présentent naturellement un contraste élevé avec leur matériau d'intégration. Lorsque nous avons les éléments constitutifs de la vie – protéines, lipides, etc., contre une matrice dominée par l'eau, l'interaction des rayons X est très faible et il est plus difficile d'obtenir une haute résolution. »
Pour surmonter ces défis de contraste, les scientifiques colorent les tissus cérébraux à l’aide de métaux lourds. Cependant, ceux-ci absorbent les rayons X, entraînant un autre problème : l’échantillon se déforme. Les matériaux d'inclusion peuvent stabiliser l'échantillon, mais ils présentent également les mêmes problèmes : ils se déforment en présence de rayons X, bouillonnant et détruisant l'ultrastructure fine du tissu cérébral.
Une résine pour l'industrie aérospatiale
Pour surmonter ce problème, Wanner, Diaz et leurs collègues ont proposé une nouvelle approche. Le principal développement est une résine époxy qui est encore capable de s'infiltrer dans les tissus biologiques tout en offrant une tolérance exceptionnelle aux radiations – un matériau habituellement utilisé dans les industries aérospatiale et nucléaire et dans les accélérateurs de particules.
Ils complètent cela avec une platine spécialement conçue qui leur permet d’imager les échantillons refroidis à -178 degrés Celsius avec de l’azote liquide. Enfin, un algorithme de reconstruction compense les petites déformations qui se produisent encore.
Avec cette approche, les chercheurs ont pu étudier des morceaux de tissu cérébral de souris jusqu'à 10 microns d'épaisseur, atteignant une résolution de 38 nanomètres en trois dimensions. « Nous pensons qu'il s'agit d'une résolution record utilisant l'imagerie par rayons X sur un tissu biologique étendu », explique Diaz.
À cette résolution, ils pourraient identifier de manière fiable les synapses et d’autres caractéristiques des neurones et leurs connexions, telles que les axones et les dendrites. « Il ne s'agit pas d'informations révolutionnaires sur le cerveau : elles correspondent aux meilleurs résultats obtenus avec la microscopie électronique en volume de pointe – l'étalon-or actuel », ajoute Wanner. « Ce qui est excitant, c'est que cela marque le début de ce qui va arriver. »
Les rayons X cohérents devraient être améliorés grâce à la mise à niveau SLS
Même si un morceau de tissu cérébral de 10 microns d’épaisseur peut encore paraître minuscule, il est déjà plusieurs fois plus épais que les éclats étudiés en microscopie électronique. Actuellement, le temps d’acquisition est un facteur limitant sur la taille de l’échantillon : prendre suffisamment de données pour reconstruire une image haute résolution peut prendre des jours. Ce goulot d'étranglement est lié aux rayons X.
Les chercheurs utilisent une technique connue sous le nom de ptychographie, un type d'imagerie qui n'utilise pas de lentilles mais repose sur des rayons X cohérents. « La cohérence est exactement ce que nous allons gagner avec la mise à niveau SLS », déclare Diaz.
Le SLS vient de terminer une mise à niveau complète pour devenir un 4èmesynchrotron de dernière génération – le type de synchrotron le plus avancé au monde. Les améliorations technologiques signifient que, sur la ligne de lumière cSAXS, les expériences de ptychographie bénéficieront d'un flux de rayons X cohérents jusqu'à cent fois supérieur.
« Avec cent fois plus de photons de rayons X frappant notre échantillon chaque seconde, nous pourrons – en principe – soit imager l'échantillon cent fois plus rapidement, soit imager des volumes cent fois plus grands », explique Diaz. « En pratique, nous devrons apprendre à le faire de manière efficace. Mais le potentiel est là. »
La publication coïncide avec une étape importante au niveau de la ligne de lumière : en juillet 2025, les premiers rayons X ont été observés au cSAXS suite à la mise à niveau. Maintenant que les obstacles techniques à l’utilisation de la ptychographie aux rayons X pour l’imagerie biologique ont été surmontés, la voie est ouverte à l’étude d’échantillons beaucoup plus grands de tissu cérébral en 3D à haute résolution.
