Regarder dans le cerveau

Au milieu d'une pièce d'un noir absolu, une souris très spéciale est immobile sur une platine de microscope. Des mois auparavant, la souris avait deux petits trous découpés dans son crâne, révélant la dure-mère - la membrane externe du cerveau - et les vaisseaux sanguins en dessous. Les trous ont été recouverts en permanence de verre transparent afin que les scientifiques puissent regarder directement dans le cerveau de la souris, où certains de ses neurones deviennent verts sous la lumière laser d'un microscope.

Pour des images de ce laboratoire d'observation du cerveau, Cliquez ici .

Cette histoire faisait partie de notre numéro de septembre 2006

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Alors que la souris anesthésiée dort, Wei-Chung Lee, post-doctorant au Picower Center for Learning and Memory du MIT, prend une série de photos d'un seul neurone. Il combinera ces photos en une image 3D du neurone et la comparera avec une image de la même cellule créée il y a une semaine, afin de déterminer son évolution au fil du temps.

La technique a donné aux scientifiques du MIT un regard sans précédent sur la croissance surprenante des neurones au cours de la vie quotidienne d'une souris adulte. Vous voyez toute la gamme des types de croissance que vous voyez pendant le développement, tels que les poussées de croissance, les extensions, les rétractions ou les nouveaux ajouts, explique Elly Nedivi, professeur agrégé de neurobiologie au MIT qui dirige la recherche. C'est ce que le cerveau fait au quotidien. Nedivi a aidé à développer la nouvelle procédure d'imagerie en collaboration avec Peter So, un expert en imagerie du département de bio-ingénierie du MIT, dans l'espoir de mieux explorer les changements dans les réseaux complexes de projections en forme de branches qui relayent les messages entre les neurones. Ce qu'elle a découvert aide à changer l'image scientifique du cerveau.

Il était une fois, les scientifiques pensaient que le cerveau adulte était principalement de structure statique - qu'après les poussées de croissance neuronale de la petite enfance et de l'adolescence, les connexions entre les neurones étaient établies en permanence, comme un réseau de routes pavées. Mais un nombre croissant de preuves suggère que le cerveau adulte a une capacité surprenante à se réorganiser. Nedivi et son équipe ont apporté un nouveau soutien à cette idée, fournissant la première preuve chez les animaux vivants que les projections d'échange d'informations des neurones peuvent croître et se rétracter à l'âge adulte, de manière qualitativement similaire à ce qu'ils font au début de la vie.

Les neuroscientifiques savaient que certains changements neuronaux doivent avoir lieu dans le cerveau adulte, car nous continuons à apprendre tout au long de la vie. Mais les gens ne savaient pas si cette plasticité s'accompagnait de changements structurels, explique David Kleinfeld, neuroscientifique à l'Université de Californie à San Diego. Nedivi et ses collaborateurs, dit-il, ont montré que les neurones d'au moins un type particulier continuent de croître et d'évoluer chez la souris adulte.

La clé de la découverte de Nedivi était la capacité de regarder le même neurone dans un animal vivant semaine après semaine. La plupart des recherches antérieures sur la neuroplasticité – la capacité du cerveau à former de nouvelles connexions neuronales – ont examiné des tranches de cerveau, des sections de cerveau qui sont maintenues en vie pendant une courte période. Bien que de telles études in vitro permettent aux scientifiques de tester comment les connexions neuronales sont affectées par des facteurs spécifiques, tels que les secousses électriques ou différents types de médicaments, elles ne peuvent pas montrer ce qui arrive aux neurones du cerveau vivant lorsqu'un animal vieillit ou se développe. une maladie, ou est élevé de manière isolée.

Regarder la même cellule pendant plusieurs semaines peut révéler la lente croissance des neurones dans le cerveau. Nedivi espère utiliser le processus pour déterminer ce qui ne va pas dans le cerveau de souris conçues pour modéliser la maladie d'Alzheimer et la schizophrénie. De telles études offriront à la fois de nouvelles informations sur les maladies humaines et un moyen de tester de nouvelles thérapies.

Les chercheurs espèrent également déterminer les meilleurs moyens d'encourager la croissance des cellules cérébrales. Si les neurones pouvaient être amenés à développer de nouvelles projections dans des parties spécifiques du cerveau ou de la moelle épinière, ils pourraient être en mesure de compenser les dommages causés par une lésion de la moelle épinière ou un accident vasculaire cérébral.

Un arbre en fleurs

Pour observer les neurones du cerveau vivant, Nedivi et ses collaborateurs ont placé des fenêtres dans des crânes de souris génétiquement modifiées pour produire un colorant fluorescent dans quelques cellules cérébrales sélectionnées au hasard. À travers les fenêtres, ils prennent des photos des neurones fluorescents à l'aide d'un microscope à deux photons, un instrument qui crée des images à très haute résolution.

Un laser ultrarapide au titane et au saphir envoie des paquets de lumière à travers une série complexe de lentilles et de miroirs, qui dirigent la lumière sur des cellules individuelles dans le cerveau de la souris anesthésiée. Le colorant fluorescent dans les neurones sélectionnés ne brille que si deux photons frappent une molécule de colorant exactement en même temps, ce qui permet une imagerie plus précise des cellules. (C'est pourquoi la pièce doit être entièrement noire : toute lumière étrangère serait captée par le détecteur de photons du microscope, brouillant l'image résultante. Les chercheurs portent des lampes frontales au cas où ils auraient besoin d'ajuster l'équipement.)

Les neurones sont constitués d'un corps cellulaire central et d'une série de projections ramifiées qui s'étendent dans différentes parties du cerveau pour envoyer et recevoir des signaux électriques. Pour capturer la structure entière d'un neurone donné, le laser le scanne en coupes transversales horizontales, plongeant plus profondément dans le cerveau à chaque balayage. Les chercheurs parcourent les images – qui ressemblent à des peintures de Jackson Pollock – et sélectionnent les formes qui correspondent aux projections. Un programme informatique assemble ensuite les images pour créer un modèle 3D.

Pour enregistrer comment les neurones changent au fil du temps, les chercheurs du MIT prennent des photos du même neurone chaque semaine pendant plusieurs semaines, en utilisant les vaisseaux sanguins à proximité pour aider à le localiser. Dans un article publié plus tôt cette année dans Bibliothèque publique de biologie scientifique , l'équipe a montré que les dendrites – les projections que les neurones utilisent pour recevoir des informations d'autres cellules du cerveau – pouvaient croître, se tordre et se plier, envoyant de nouvelles pousses comme un arbre en fleurs. C'est très puissant - vous pouvez réellement voir les changements, dit Lee. Et parce que les images sont collectées à partir d'un animal vivant, dit-il, elles capturent le comportement du cerveau beaucoup plus précisément que les images d'une tranche de cerveau, dans laquelle de nombreuses connexions neuronales sont coupées.

Ce type de croissance n'avait jamais été observé auparavant dans des études sur des animaux vivants. Des études antérieures utilisant l'imagerie à deux photons ont révélé de petits changements structurels dans les épines dendritiques, de minuscules bosses à la surface des dendrites. Mais ces études n'ont reconstruit que de petites sections de chaque neurone. En modélisant des cellules entières, Nedivi et ses collègues ont pu observer des changements à plus grande échelle qui auraient pu passer inaperçus auparavant. Ce qui est le plus excitant dans leur travail, c'est qu'il montre une quantité imprévue de dynamisme dans les neurones, explique Josh Sanes, un neuroscientifique de l'Université Harvard dont le laboratoire a conçu les souris utilisées dans l'étude.

De plus, l'équipe de Nedivi a découvert que seul un certain type de neurone subit ces changements. Des études antérieures se sont concentrées sur les neurones excitateurs, qui envoient des signaux électriques qui provoquent le déclenchement d'autres neurones. Les neurones inhibiteurs, quant à eux, libèrent des substances chimiques qui empêchent les autres neurones de se déclencher. Ce sont ces neurones qui peuvent étendre et rétracter de nouvelles projections. Les neurones inhibiteurs sont moins répandus dans le cerveau que leurs cousins ​​excitateurs et sont moins bien étudiés.

Facteurs de croissance

Les premières expériences de Nedivi se sont concentrées sur des souris vivant une vie de laboratoire standard, mais maintenant qu'elle et son équipe ont défini la quantité normale de plasticité neurale adulte, ils peuvent examiner comment différents facteurs environnementaux ou génétiques affectent la croissance du cerveau. Des recherches antérieures, par exemple, ont montré que donner des jouets à de jeunes rongeurs ou les élever dans un paysage varié stimule la naissance de nouvelles cellules cérébrales. L'imagerie à deux photons permettra aux chercheurs d'explorer comment la vie dans un environnement complexe influence l'organisation neuronale du cerveau. Lee a récemment commencé à étudier comment la privation visuelle affecte la plasticité neuronale dans le cortex visuel. Ces projets aideront les chercheurs à déterminer si différents environnements font que les neurones des animaux se développent plus rapidement ou se réorganisent plus fréquemment, et si ces changements finissent par entraîner des différences de comportement.

Pendant ce temps, dit Nedivi, elle a été inondée de demandes de scientifiques étudiant des maladies telles que la maladie d'Alzheimer et la schizophrénie. Une fois que nous avons caractérisé le problème avec chaque maladie différente - peut-être que moins de projections se développent ou qu'un certain type de neurone est affecté - alors nous pouvons adapter les traitements à ce problème, dit-elle. Nous pourrions également utiliser cette technologie comme plate-forme pour dépister des thérapies.

Bien sûr, chaque expérience nécessitera des mois au microscope. Il faut des heures pour imager chaque neurone et des jours pour construire un modèle tridimensionnel à partir des images bidimensionnelles. De plus, les scientifiques devront comparer méticuleusement les neurones de nombreux animaux pour avoir une idée des différences entre le comportement des cellules malades et celui des cellules saines. Malheureusement, le temps est quelque chose que Nedivi n'a pas actuellement ; le laboratoire utilise un microscope personnalisé dans le laboratoire de So. Une fois par semaine, ses étudiants emballent leurs souris et les emmènent au laboratoire, en imageant autant de neurones que le temps le permet. Bientôt, Nedivi espère obtenir les 500 000 $ nécessaires pour installer un instrument dans son propre laboratoire, ce qui donnerait à ses chercheurs un temps illimité pour observer le cerveau en action.

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