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Décoder le cerveau avec la lumière
Les commutateurs de lumière moléculaire peuvent révéler exactement quels neurones sont impliqués dans la création d'une mémoire, permettant aux scientifiques de déclencher cette mémoire en utilisant uniquement la lumière. Le constat, présenté à la Société des Neurosciences conférence à Chicago cette semaine, n'est qu'un exemple de la façon dont une nouvelle technologie appelée optogénétique permet aux scientifiques de s'attaquer à des questions majeures sans réponse sur le cerveau, y compris le rôle de régions spécifiques du cerveau dans la formation de la mémoire, le processus de dépendance et la transition du sommeil à l'éveil.
Soulagement léger : Les scientifiques utilisent des câbles à fibres optiques pour contrôler l'activité neuronale chez la souris, grâce à des interrupteurs d'éclairage génétiquement modifiés dans des neurones spécifiques. La technologie, appelée optogénétique, peut être utilisée pour relier des circuits neuronaux spécifiques à différents comportements et maladies.
La technologie, mise au point il y a à peine quatre ans par Karl Deisseroth , médecin et bioingénieur à Stanford, et Ed Boyden , maintenant bio-ingénieur au MIT, est déjà utilisé par des centaines de laboratoires à travers le monde. Grâce au bricolage moléculaire et aux nouveaux dispositifs à fibre optique qui délivrent de la lumière profondément dans le cerveau via un implant, les chercheurs peuvent utiliser l'optogénétique pour étudier l'effet de la stimulation neurale sur différents comportements chez les animaux vivants.
Pour rendre les neurones sensibles à la lumière, les scientifiques les modifient génétiquement pour qu'ils transportent une protéine adaptée d'algues vertes. Lorsque le neurone modifié est exposé à la lumière, via l'implant à fibre optique, la protéine déclenche une activité électrique dans la cellule qui se propage au neurone suivant du circuit. La technologie permet aux scientifiques de contrôler l'activité neuronale de manière beaucoup plus précise que les méthodes précédentes, qui impliquaient généralement de fournir un courant électrique à travers une électrode.
Michael Hausser L'équipe de l'University College London utilise l'optogénétique pour sonder comment les souvenirs sont stockés dans le cerveau des souris. Selon le modèle de base de la formation de la mémoire, l'apprentissage d'une nouvelle association, telle qu'un son particulier précède un choc électrique, active un sous-ensemble de neurones dans une partie du cerveau appelée hippocampe. On pense que le rappel de la mémoire peut être déclenché en activant uniquement un sous-ensemble des cellules de ce réseau, explique Hausser. Mais il n'y a aucune preuve expérimentale claire et directe pour aucune des étapes du processus.
Hausser et ses collaborateurs ont génétiquement modifié la protéine sensible à la lumière afin qu'elle ne soit exprimée que dans les neurones de l'hippocampe qui ont été activés lors de la formation d'une mémoire. Ensuite, ils ont appris aux souris à craindre un son particulier en l'associant à un choc électrique. Entendre le son a ensuite fait geler les animaux de peur et déclenché la production de la protéine dans les cellules cérébrales activées.
Le lendemain, les chercheurs ont braqué une lumière bleue sur les hippocampes des animaux. Cela n'a déclenché une activité que dans le sous-ensemble de cellules qui s'est déclenché lors de la formation de la mémoire la veille, provoquant le gel de l'animal de peur en réponse à la lumière plutôt qu'au son. Les chercheurs ont également marqué ces cellules avec un marqueur fluorescent, leur permettant de compter le nombre de cellules impliquées dans la création de la mémoire. Un nombre remarquablement petit de neurones chez ces animaux [sont] suffisants pour déclencher le rappel, de l'ordre de 100 à 200 cellules, explique Hausser.
En plus d'éclairer les aspects les plus fondamentaux du cerveau, les chercheurs utilisent la technologie pour mieux comprendre des maladies spécifiques telles que la dépression, la maladie de Parkinson et la toxicomanie, dans l'espoir d'améliorer les traitements. La maladie de Parkinson, par exemple, peut être traitée à l'aide d'une stimulation cérébrale profonde, dans laquelle une électrode implantée chirurgicalement délivre des impulsions à une structure spécifique située profondément dans le cerveau. Mais la procédure est invasive et comporte un risque d'effets secondaires tels que la dépression et le dysfonctionnement cognitif. Plus tôt cette année, l'équipe de Deisseroth a publié les détails de la recherche utilisant les interrupteurs d'éclairage pour étudier les circuits cérébraux impliqués dans la maladie de Parkinson. Ils ont découvert qu'ils pouvaient atténuer les déficits moteurs chez les animaux présentant des symptômes semblables à ceux de la maladie de Parkinson en activant des cibles neurales beaucoup plus près de la surface du cerveau.
Les résultats soulèvent la possibilité d'utiliser des méthodes non invasives pour stimuler le cerveau pour traiter les patients atteints de la maladie de Parkinson, que Deisseroth et ses collaborateurs explorent actuellement. La stimulation magnétique transcrânienne (TMS), un moyen d'activer des parties du cerveau à l'aide d'un aimant placé sur le cuir chevelu, a déjà été approuvée par la Food and Drug Administration pour traiter la dépression. Mais les études utilisant le TMS pour traiter la maladie de Parkinson ont donné des résultats mitigés, probablement parce que les gens ont fouiné dans différentes parties du cerveau, sans être guidés par ce genre de connaissances, explique Deisseroth. Dans une nouvelle étude, les chercheurs utiliseront d'abord des méthodes sophistiquées d'imagerie cérébrale pour essayer d'identifier chez les patients atteints de la maladie de Parkinson le corrélat humain de la tache identifiée dans les études animales - la zone exacte variera probablement d'une personne à l'autre - puis cibleront spécifiquement la stimulation. à cette région.
Les scientifiques utilisent également l'optogénétique pour étudier la dépression, une autre maladie qui peut être traitée par stimulation électrique. Ils espèrent démêler les zones du cerveau responsables des différents symptômes associés à la dépression, tels que la fatigue, le désespoir et le manque de plaisir dans les activités quotidiennes.
Les chercheurs imitent la dépression clinique chez les souris en les soumettant à plusieurs jours de stress social extrême. Après un tel stress, ces animaux normalement sociaux s'abstiennent d'interaction sociale pour le reste de leur vie. Comme la dépression clinique chez l'homme, cette déficience génère des schémas anormaux d'activité neuronale dans une partie du cerveau appelée cortex préfrontal, et elle peut être soulagée par des antidépresseurs.
Herbert Covington, chercheur en Eric Nestler Le laboratoire de Mount Sinai School of Medicine, à New York, a rendu les neurones du cortex préfrontal de souris stressées sensibles à la lumière. Il a ensuite stimulé les neurones des animaux à l'aide de lumière délivrée selon un schéma similaire à celui observé chez des souris saines explorant un nouvel environnement. Tout comme les antidépresseurs, le traitement léger a permis aux animaux auparavant craintifs de socialiser normalement avec d'autres souris.
La dépression est un mélange complexe de comportements, dit Covington. Stimuler le cortex préfrontal peut restaurer un comportement social. Ensuite, nous verrons si cela peut restaurer l'activité - les souris choisiront-elles de faire des choses qu'elles trouvent gratifiantes, ce qui est souvent un problème dans la dépression. Les résultats pourraient finalement permettre aux chercheurs de développer des traitements ciblant des aspects spécifiques de la maladie.
On ne sait pas encore si la technologie optogénétique deviendra un traitement en soi ou si son impact majeur fera la lumière sur la maladie. Deux groupes se concentrent déjà sur des traitements potentiels : Ed Boyden du MIT a fondé une startup pour utiliser l'optogénétique pour restaurer la vue des personnes souffrant de troubles de la vision en rendant les cellules rétiniennes endommagées sensibles à la lumière, et une startup issue de la Case Western Reserve University à Cleveland, OH, prévoit de commercialiser la technologie pour restaurer le contrôle de la vessie chez les personnes paralysées.