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La nouvelle boîte à outils des neurosciences
Avec l'invention de l'optogénétique et d'autres technologies, les chercheurs peuvent étudier pour la première fois la source des émotions, de la mémoire et de la conscience. 17 juin 2014
Ce que l’on pourrait appeler la branche des neurosciences comportementales faire l’amour, pas la guerre a commencé à prendre forme en Californie (où ailleurs ?) il y a plusieurs années, lorsque des chercheurs du laboratoire de David J. Anderson à Caltech ont décidé de s’attaquer à la biologie de l’agression. Ils ont lancé la ligne de recherche en orchestrant la version murine de Fight Night : ils ont incité des souris mâles à s'emmêler avec des mâles rivaux, puis, avec un travail de détective moléculaire minutieux, se sont concentrés sur une poignée de cellules de l'hypothalamus qui sont devenues actives lorsque les souris ont commencé. combattre.
L'hypothalamus est une petite structure située au plus profond du cerveau qui, entre autres fonctions, coordonne les entrées sensorielles - l'apparition d'un rival, par exemple - avec des réponses comportementales instinctives. Dans les années 1920, Walter Hess de l'Université de Zurich (qui allait remporter un prix Nobel en 1949) avait montré que si vous plantiez une électrode dans le cerveau d'un chat et que vous stimuliez électriquement certaines régions de l'hypothalamus, vous pouviez transformer un félin ronronnant. dans un flou velu d'agression. Plusieurs hypothèses intéressantes ont tenté d'expliquer comment et pourquoi cela s'est produit, mais il n'y avait aucun moyen de les tester. Comme beaucoup de questions fondamentales en science du cerveau, le mystère de l'agression n'a pas disparu au cours du siècle dernier - il a juste heurté les obstacles empiriques habituels. Nous avions de bonnes questions, mais aucune technologie pour obtenir les réponses.
Cette histoire faisait partie de notre numéro de juillet 2014
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En 2010, le laboratoire Caltech d'Anderson avait commencé à démêler les mécanismes sous-jacents et les circuits neuronaux de l'agression chez leurs souris pugnaces. Armés d'une série de nouvelles technologies qui leur ont permis de se concentrer sur des amas individuels de cellules dans les régions du cerveau, ils sont tombés sur une découverte anatomique surprenante : la petite partie de l'hypothalamus qui semblait corrélée à un comportement agressif était entrelacée avec la partie associée à l'impulsion. s'accoupler. Ce petit duché de cellules - le nom technique est l'hypothalamus ventromédian - s'est avéré être un assemblage d'environ 5 000 neurones, tous marbrés, certains d'entre eux apparemment liés à la copulation et d'autres au combat.
Il n'y a pas de neurone générique, dit Anderson, qui estime qu'il peut y avoir jusqu'à 10 000 classes distinctes de neurones dans le cerveau. Même de minuscules régions du cerveau contiennent un mélange, dit-il, et ces neurones influencent souvent le comportement dans des directions différentes et opposées. Dans le cas de l'hypothalamus, certains des neurones semblaient devenir actifs lors d'un comportement agressif, certains d'entre eux lors d'un comportement d'accouplement et un petit sous-ensemble - environ 20 % - pendant les combats et l'accouplement.
C'était une découverte provocante, mais c'était aussi une relique des neurosciences à l'ancienne. Être actif n'était pas la même chose que provoquer le comportement; c'était juste une corrélation. Comment les scientifiques savaient-ils avec certitude ce qui déclenchait le comportement ? Pourraient-ils inciter une souris à se battre simplement en chatouillant quelques cellules de l'hypothalamus ?
Il y a dix ans, cela aurait été technologiquement impossible. Mais au cours des 10 dernières années, les neurosciences ont été transformées par une nouvelle technologie remarquable appelée optogénétique, inventée par des scientifiques de l'Université de Stanford et décrite pour la première fois en 2005. Les chercheurs de Caltech ont pu insérer un gène génétiquement modifié sensible à la lumière dans des cellules spécifiques à des endroits particuliers. emplacements dans le cerveau d'une souris mâle vivante, respirante, fougueuse et parfois canoodling. À l'aide d'un fil de fibre optique mince comme un cheveu inséré dans ce cerveau vivant, ils pourraient ensuite activer et désactiver les neurones de l'hypothalamus avec un éclat de lumière.
Optogénétique : Interrupteurs de lumière pour les neurones
Anderson et ses collègues ont utilisé l'optogénétique pour produire une vidéo dramatisant les tensions amour-haine au plus profond des rongeurs. Il montre une souris mâle faisant ce qui lui vient naturellement, s'accouplant avec une femelle, jusqu'à ce que les chercheurs de Caltech allument la lumière, moment auquel le lothario murin se met en colère. Lorsque la lumière est allumée, même une souris mâle aux manières douces peut être amenée à attaquer n'importe quelle cible se trouvant à proximité - son partenaire reproducteur, une autre souris mâle, un mâle castré (normalement pas perçu comme une menace), ou, plus improbablement, un gant en caoutchouc est tombé dans la cage.
L'activation de ces neurones avec des techniques optogénétiques est suffisante pour activer un comportement agressif non seulement envers des cibles appropriées comme une autre souris mâle, mais également envers des cibles inappropriées, comme des femelles et même des objets inanimés, explique Anderson. Inversement, les chercheurs peuvent inhiber ces neurones au milieu d'un combat en éteignant la lumière, dit-il : Vous pouvez arrêter le combat net dans son élan.
De plus, la recherche suggère que l'amour l'emporte sur la guerre dans le calcul du comportement : plus une souris était proche de la consommation de l'acte reproducteur, plus elle devenait résistante (ou inconsciente) aux impulsions lumineuses qui déclenchaient normalement l'agression. Dans un article publié en Psychiatrie Biologique , intitulé Optogénétique, sexe et violence dans le cerveau : Implications pour la psychiatrie, a noté Anderson, Peut-être que l'impératif de « faire l'amour, pas la guerre » est ancré dans notre système nerveux, dans une plus grande mesure que nous ne l'avons réalisé. Nous pouvons être à la fois amoureux et combattants, avec la plus petite distance neurologique séparant les deux impulsions.
L'optogénétique et d'autres nouvelles techniques permettent aux scientifiques de commencer à identifier la fonction des milliers de types différents de neurones parmi les quelque 86 milliards du cerveau humain.
Personne ne suggère que nous sommes sur le point de déployer des disjoncteurs neuronaux pour freiner les comportements agressifs. Mais, comme le souligne Anderson, la recherche met en évidence un point plus important sur la façon dont une nouvelle technologie peut réinventer la façon dont la science du cerveau est effectuée. La capacité de l'optogénétique à transformer un domaine scientifique largement corrélationnel en un domaine qui teste la causalité a été transformatrice, dit-il.
Ce qui est radical dans la technique, c'est qu'elle permet aux scientifiques de perturber une cellule ou un réseau de cellules avec une précision exquise, la clé pour esquisser les circuits qui affectent divers types de comportement. Alors que les technologies plus anciennes comme l'imagerie permettaient aux chercheurs de regarder le cerveau en action, l'optogénétique leur permet d'influencer cette action, en bricolant avec des parties spécifiques du cerveau à des moments précis pour voir ce qui se passe.
Et l'optogénétique n'est qu'un des nombreux nouveaux outils révolutionnaires susceptibles de jouer un rôle de premier plan dans ce qui semble être l'apogée des neurosciences. Des initiatives majeures aux États-Unis et en Europe aspirent à comprendre comment le cerveau humain - ce caillé de trois livres enchevêtré de neurones, de tissu conjonctif et de circuits - donne naissance à tout, de la pensée abstraite au traitement sensoriel de base aux émotions comme l'agression. Conscience, libre arbitre, mémoire, apprentissage – ils sont tous sur la table maintenant, alors que les chercheurs utilisent ces outils pour étudier comment le cerveau atteint ses effets apparemment mystérieux (voir À la recherche du neurone du libre arbitre ).
Connexions
Il y a plus de 2000 ans, Hippocrate a noté que si vous voulez comprendre l'esprit, vous devez commencer par étudier le cerveau. Rien ne s'est produit au cours des deux derniers millénaires pour changer cet impératif, à l'exception des outils que les neurosciences apportent à la tâche.
L'histoire des neurosciences, comme l'histoire de la science elle-même, est souvent une histoire de nouveaux appareils et de nouvelles technologies. La première électrode accidentelle de Luigi Galvani, qui a provoqué la contraction du muscle d'une grenouille, a inspiré toutes les sondes électriques suivantes, de l'aiguillon à chat de Walter Hess à l'utilisation thérapeutique actuelle de la stimulation cérébrale profonde pour traiter la maladie de Parkinson (environ 30 000 personnes dans le monde ont maintenant des électrodes implantées dans leur cerveau pour traiter cette condition). Le patch-clamp a permis aux neuroanatomistes de voir le flux et le reflux des ions dans un neurone alors qu'il se prépare à tirer. Et Paul Lauterbur ne s'est pas rendu compte, lorsqu'il a concentré un champ magnétique puissant sur une seule palourde malheureuse dans son laboratoire de l'Université d'État de New York à Stony Brook au début des années 1970, que lui et ses collègues jetaient les bases de la résonance magnétique. des machines d'imagerie (IRM) qui ont permis de révéler le paysage interne et l'activité d'un cerveau vivant.
Neurones en croissance : Étudier ce qui ne va pas
Mais ce sont les avancées de la génétique et des outils génomiques de ces dernières années qui ont véritablement révolutionné les neurosciences. Ces avancées ont rendu possibles les manipulations génétiques au cœur de l'optogénétique. Des méthodes d'édition du génome encore plus récentes peuvent être utilisées pour modifier avec précision la génétique des cellules vivantes en laboratoire. Avec l'optogénétique, ces outils permettent aux scientifiques de commencer à identifier la fonction des milliers de types différents de cellules nerveuses parmi les quelque 86 milliards du cerveau humain.
Rien ne témoigne plus de la valeur d'une nouvelle technologie que le nombre de scientifiques qui l'adoptent rapidement et l'utilisent pour revendiquer de nouveaux territoires scientifiques. Comme Edward Boyden, un scientifique du MIT qui a aidé à développer l'optogénétique, le dit, souvent, lorsqu'une nouvelle technologie sort, il y a un peu d'accaparement des terres.
Et même si les chercheurs saisissent ces opportunités en génomique et en optogénétique, d'autres avancées sont encore à venir. Un nouveau traitement chimique permet de voir directement les fibres nerveuses dans le cerveau des mammifères ; les microélectrodes robotiques peuvent espionner (et perturber) des cellules individuelles d'animaux vivants ; et des techniques d'imagerie plus sophistiquées permettent aux chercheurs de faire correspondre les cellules nerveuses et les fibres dans des tranches de cerveau pour créer une carte tridimensionnelle des connexions. En utilisant ces outils ensemble pour mieux comprendre l'activité du cerveau, les scientifiques espèrent capturer le plus grand des jeux cognitifs : la mémoire, la prise de décision, la conscience, les maladies psychiatriques comme l'anxiété et la dépression, et, oui, le sexe et la violence.
Les scientifiques ont émis l'hypothèse que si vous pouviez introduire clandestinement le gène d'une protéine sensible à la lumière dans un neurone, puis injecter de la lumière dans la cellule, vous pourriez la déclencher. Vous pouvez activer et désactiver des neurones spécifiques.
En janvier 2013, la Commission européenne a investi un milliard d'euros dans le lancement de son Human Brain Project, une initiative de 10 ans pour cartographier toutes les connexions dans le cerveau. Plusieurs mois plus tard, en avril 2013, l'administration Obama a annoncé une initiative appelée Brain Research through Advanced Innovative Neurotechnologies (BRAIN), qui devrait déverser jusqu'à 1 milliard de dollars dans le domaine, une grande partie des premiers financements étant destinée au développement technologique. Ensuite, il y a le Human Connectome Project, qui vise à utiliser des images au microscope électronique de tranches séquentielles de tissu cérébral pour cartographier les cellules nerveuses et leurs connexions en trois dimensions. Des initiatives complémentaires de connectome et de cartographie sont en cours au Howard Hughes Medical Institute en Virginie et à l'Allen Institute for Brain Science à Seattle. Ils font tous partie d'un vaste effort mondial, financé à la fois par des fonds publics et privés, pour dresser un tableau complet du cerveau humain, du niveau des gènes et des cellules à celui des connexions et des circuits.
En décembre dernier, en tant que première étape de l'initiative BRAIN, les National Institutes of Health ont sollicité des propositions pour 40 millions de dollars de projets de développement technologique dans les neurosciences. Pourquoi l'initiative BRAIN met-elle autant l'accent sur la technologie ? explique Cornelia Bargmann, la neuroscientifique de l'Université Rockefeller qui co-dirige le processus de planification du projet. Le véritable objectif est de comprendre comment le cerveau fonctionne, à plusieurs niveaux, dans l'espace et dans le temps, dans de nombreux neurones différents, à la fois. Et ce qui nous a empêché de comprendre cela, ce sont les limites de la technologie.
L'écoute clandestine
L'optogénétique a ses origines en 2000, lors de bavardages de fin de soirée à l'Université de Stanford. Là, les neuroscientifiques Karl Deisseroth et Edward Boyden ont commencé à échanger des idées sur les moyens d'identifier, et finalement de manipuler, l'activité de circuits cérébraux spécifiques. Deisseroth, titulaire d'un doctorat en neurosciences de Stanford, aspirait à comprendre (et un jour à traiter) les afflictions mentales qui tourmentent l'humanité depuis l'ère d'Hippocrate, notamment l'anxiété et la dépression (voir Shining Light on Madness ). Boyden, qui poursuivait des études supérieures sur la fonction cérébrale, avait une curiosité omnivore pour la neurotechnologie. Au début, ils rêvaient de déployer de minuscules billes magnétiques pour manipuler le fonctionnement du cerveau chez des animaux vivants intacts. Mais à un moment donné au cours des cinq années suivantes, un autre type d'ampoule s'est éteint.
Depuis les années 1970, les microbiologistes étudiaient une classe de molécules sensibles à la lumière appelées rhodopsines, qui avaient été identifiées dans des organismes simples comme les bactéries, les champignons et les algues. Ces protéines agissent comme des gardiens le long de la paroi cellulaire ; lorsqu'ils détectent une longueur d'onde de lumière particulière, soit ils laissent des ions entrer dans une cellule, soit, à l'inverse, en laissent sortir. Ce flux et reflux d'ions reflète le processus par lequel un neurone se déclenche : la charge électrique dans la cellule nerveuse s'accumule jusqu'à ce que la cellule déclenche une pointe d'activité électrique circulant le long de sa fibre (ou axone) jusqu'aux synapses, où le le message est transmis à la cellule suivante du chemin. Les scientifiques ont émis l'hypothèse que si vous pouviez introduire clandestinement le gène de l'une de ces protéines photosensibles dans un neurone, puis injecter de la lumière dans la cellule, vous pourriez la déclencher. En termes simples, vous pouvez activer ou désactiver des neurones spécifiques d'un animal conscient avec un éclat de lumière.
En 2004, Deisseroth a réussi à insérer le gène d'une molécule photosensible d'algues dans les neurones de mammifères dans une boîte. Deisseroth et Boyden ont ensuite montré que la lumière bleue pouvait provoquer le déclenchement des neurones. À peu près au même moment, un étudiant diplômé nommé Feng Zhang a rejoint le laboratoire de Deisseroth. Zhang, qui avait acquis une expertise précoce dans les techniques de biologie moléculaire et de thérapie génique alors qu'il était lycéen à Des Moines, dans l'Iowa, a montré que le gène de la protéine souhaitée pouvait être introduit dans les neurones au moyen de virus génétiquement modifiés. En utilisant à nouveau des impulsions de lumière bleue, l'équipe de Stanford a ensuite démontré qu'elle pouvait activer et désactiver les impulsions électriques dans les cellules nerveuses de mammifères modifiées par le virus. Dans un article historique paru dans Neurosciences de la nature en 2005 (après, dit Boyden, il a été rejeté par La science ), Deisseroth, Zhang et Boyden ont décrit la technique. (Personne n'appellerait cela de l'optogénétique avant un an.)
Les neuroscientifiques ont immédiatement saisi la puissance de la technique en insérant des gènes sensibles à la lumière dans des animaux vivants. Les chercheurs du propre laboratoire de Deisseroth l'ont utilisé pour identifier de nouvelles voies qui contrôlent l'anxiété chez les souris, et l'équipe de Deisseroth et ses collaborateurs du Mount Sinai Hospital de New York l'ont utilisé pour activer et désactiver la dépression chez les rats et les souris. Et le laboratoire de Susumu Tonegawa au MIT a récemment utilisé l'optogénétique pour créer de faux souvenirs chez les animaux de laboratoire.
Lorsque j'ai visité le bureau de Boyden au Media Lab du MIT en décembre dernier, le scientifique a appelé ses articles récents préférés concernant l'optogénétique. Dans une ruée de mots aussi rapide que ses frappes au clavier, Boyden a décrit les technologies de deuxième génération déjà en cours de développement. L'une consiste à espionner des cellules nerveuses uniques chez des animaux anesthésiés et conscients afin de voir les choses qui se bousculent sous la mer d'activité dans un neurone lorsque l'animal est inconscient. Boyden a déclaré : Cela met littéralement en lumière ce que signifie avoir des pensées, une conscience et des sentiments.
Les scientifiques emploient souvent des mots comme surprenant et inattendu pour caractériser les résultats récents, reflétant l'impact que l'optogénétique a eu sur la compréhension des maladies psychiatriques.
Le groupe de Boyden venait également d'envoyer un article faisant état d'une nouvelle tournure de l'optogénétique : des voies neuronales séparées et indépendantes peuvent être perturbées simultanément avec les longueurs d'onde de la lumière rouge et bleue. La technique a le potentiel de montrer comment différents circuits interagissent et s'influencent les uns les autres. Son groupe travaille également sur des sondes d'enregistrement et des microscopes incroyablement denses qui aspirent à capturer l'activité du cerveau entier. Les ambitions ne sont pas modestes. Pouvez-vous enregistrer toutes les cellules du cerveau, dit-il, afin de pouvoir observer les pensées, les décisions ou d'autres phénomènes complexes émerger lorsque vous passez de la sensation à l'émotion, à la décision et au site d'action ?
Cartographie du cerveau : Cartographier les autoroutes de l'information
À quelques pâtés de maisons, Feng Zhang, qui est maintenant professeur adjoint au MIT et membre du corps professoral du Broad Institute, a énuméré des questions de neurosciences séculaires qui pourraient maintenant être attaquées avec les nouvelles technologies. Pouvez-vous faire une mise à niveau de mémoire et augmenter la capacité ? Il a demandé. Comment les circuits neuronaux sont-ils génétiquement codés ? Comment reprogrammer les instructions génétiques ? Comment réparez-vous les mutations génétiques qui provoquent des erreurs de câblage ou d'autres dysfonctionnements du système neuronal ? Comment rajeunir le vieux cerveau ?
En plus d'avoir aidé à inventer l'optogénétique, Zhang a joué un rôle central dans le développement d'une technique d'édition de gènes appelée CRISPR (voir 10 Breakthrough Technologies: Genome Editing , mai/juin). La technologie permet aux scientifiques de cibler un gène - dans les neurones, par exemple - et de le supprimer ou de le modifier. S'il est modifié pour inclure une mutation connue ou soupçonnée de provoquer des troubles cérébraux, les scientifiques peuvent étudier la progression de ces troubles chez les animaux de laboratoire. Alternativement, les chercheurs peuvent utiliser CRISPR en laboratoire pour modifier les cellules souches qui peuvent ensuite être transformées en neurones pour voir les effets.
Transparence
De retour à Stanford, quand il ne voit pas de patients atteints de troubles du spectre autistique ou de dépression à la clinique, Deisseroth continue d'inventer des outils que lui et d'autres peuvent utiliser pour étudier ces conditions. L'été dernier, son laboratoire a signalé une nouvelle façon pour les scientifiques de visualiser les câbles des fibres nerveuses, appelées matière blanche, qui relient des zones éloignées du cerveau. La technique, appelée Clarity, immobilise d'abord des biomolécules telles que des protéines et de l'ADN dans un maillage semblable à du plastique qui conserve l'intégrité physique d'un cerveau post mortem. Ensuite, les chercheurs passent une sorte de détergent à travers le maillage pour dissoudre toutes les graisses du tissu cérébral qui bloquent normalement la lumière. Le cerveau est rendu transparent, exposant soudainement l'ensemble du schéma de câblage tridimensionnel à la vue.
Ensemble, les nouveaux outils transforment de nombreux points de vue conventionnels en neurosciences. Par exemple, comme Deisseroth l'a noté dans un article de synthèse publié plus tôt cette année dans La nature , l'optogénétique a remis en question certaines des idées sous-jacentes à la stimulation cérébrale profonde, qui a été largement utilisée pour tout traiter, des tremblements et de l'épilepsie à l'anxiété et aux troubles obsessionnels compulsifs. Personne ne sait exactement pourquoi cela fonctionne, mais l'hypothèse de fonctionnement a été que ses effets thérapeutiques dérivent de la stimulation électrique de régions cérébrales très spécifiques ; les neurochirurgiens déploient des efforts extraordinaires pour placer les électrodes avec la plus grande précision.
En 2009, cependant, Deisseroth et ses collègues ont montré que la stimulation spécifique de la substance blanche, les câbles neuronaux qui se trouvent près des électrodes, produisait l'amélioration clinique la plus robuste des symptômes de la maladie de Parkinson. En d'autres termes, ce n'était pas tant le voisinage du cerveau qui comptait que les autoroutes neuronales qui passaient à proximité. Les scientifiques emploient souvent des mots comme surprenant et inattendu pour caractériser ces résultats récents, reflétant l'impact que l'optogénétique a eu sur la compréhension des maladies psychiatriques.
Dans la même veine, Anderson de Caltech souligne que l'engouement du public et des scientifiques pour les études d'IRM fonctionnelle au cours des deux dernières décennies a créé l'impression que certaines régions du cerveau agissent comme des centres d'activité neuronale - que l'amygdale est le centre de la peur, par exemple, ou l'hypothalamus est le centre de l'agression. Mais il compare l'IRMf à regarder un paysage nocturne depuis un avion à 30 000 pieds et à essayer de comprendre ce qui se passe dans une seule ville. L'optogénétique, en revanche, a fourni une vue beaucoup plus détaillée de cette minuscule subdivision de cellules dans l'hypothalamus, et donc une image beaucoup plus complexe et nuancée de l'agression. Activer des neurones spécifiques dans cette petite ville peut pousser un organisme à faire la guerre, mais activer les neurones d'à côté peut le pousser à faire l'amour.
Les nouvelles techniques donneront aux scientifiques un premier aperçu de la cognition humaine en action - un aperçu de la façon dont les pensées, les sentiments, les pressentiments et l'activité mentale dysfonctionnelle découlent des circuits neuronaux et de l'activité de types particuliers de cellules. Les chercheurs commencent tout juste à acquérir ces connaissances, mais étant donné le rythme récent du développement technologique, l'image pourrait émerger plus tôt que quiconque ne l'aurait imaginé lorsque la lumière de l'optogénétique s'est allumée pour la première fois il y a quelques années.
Stephen S. Hall est un écrivain scientifique et auteur à New York. Son dernier long métrage pour Examen de la technologie du MIT réparait les mauvais souvenirs.