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Suivi du flux d'informations dans le cerveau
Les scientifiques du MIT ont conçu un capteur de calcium de taille nanométrique qui pourrait éventuellement faire la lumière sur les communications complexes de cellule à cellule qui composent la pensée humaine. Alan Jasanoff et son équipe du Francis Bitter Magnet Lab et du McGovern Institute of Brain Research ont découvert que le suivi du calcium, un messager clé dans le cerveau, peut être un moyen plus précis de mesurer l'activité neuronale, par rapport aux techniques d'imagerie actuelles, telles que les techniques magnétiques fonctionnelles traditionnelles. imagerie par résonance (IRMf).
Lorsqu'un neurone se déclenche, il libère du calcium. Alan Jasanoff du McGovern Institute du MIT a utilisé cette observation pour développer une nouvelle façon de visualiser l'activité cérébrale à l'aide de l'IRMf. Les nanoparticules superparamagnétiques (illustrées ici) sont recouvertes de protéines (rouges et vertes) qui s'agrègent lorsque le calcium est libéré par le neurone. L'agrégation de ces particules peut être détectée par l'aimant IRM.
La FMRI utilise de puissants aimants pour détecter le flux sanguin dans le cerveau, permettant aux chercheurs de regarder le cerveau humain en action. Grâce à une série rapide d'instantanés, les scientifiques peuvent observer des zones clés du cerveau d'une personne s'illuminer en réponse à une tâche ou à une commande donnée. La technologie a été utilisée pour identifier les zones cérébrales impliquées dans tout, des compétences motrices et verbales de base aux états cognitifs plus troubles comme la jalousie, la tromperie et la moralité.
Malheureusement, l'IRMf, telle qu'elle est utilisée aujourd'hui, présente un inconvénient majeur : elle mesure le flux sanguin, ou hémodynamique, qui est une mesure indirecte de l'activité des cellules neurales. Il s'avère que l'hémodynamique introduit essentiellement un délai de cinq secondes, explique Jasanoff. Cela vous empêche de détecter une variation rapide [de l'activité neuronale].
Étant donné que les neurones se déclenchent généralement de l'ordre de quelques millisecondes, les techniques actuelles d'IRMf ne fournissent qu'une estimation approximative de ce que le cerveau fait à un moment donné. Les scans FMRI ont également une résolution spatiale relativement faible, mesurant l'activité dans des zones de 100 microns, un volume qui contient généralement 10 000 neurones, chacun avec des modèles d'activation différents.
Les efforts pour affiner l'IRMf se sont concentrés sur le développement d'aimants plus puissants et une meilleure compréhension du flux sanguin et de sa relation avec l'activité cérébrale.
Mais Jasanoff pense qu'il existe un moyen meilleur et plus précis de suivre l'activité neuronale. Lui et son équipe étudient le calcium comme mesure directe de l'excitation neuronale. Lorsqu'un neurone envoie une impulsion électrique à un autre neurone, des canaux spécifiques au calcium dans la membrane du neurone s'ouvrent instantanément, laissant le calcium s'écouler dans la cellule. C'est un changement de signal très spectaculaire, dit Jasanoff.
Les capteurs de calcium fluorescents sont déjà utilisés dans l'imagerie optique superficielle, mais n'ont pas encore été appliqués aux tissus cérébraux plus profonds accessibles via les puissants aimants des machines d'IRMf. À cette fin, le laboratoire de Jasanoff a entrepris de concevoir un capteur de calcium qui serait détectable par IRMf. Pour ce faire, ils ont combiné le capteur avec une nanoparticule d'oxyde de fer superparamagnétique, essentiellement un aimant de taille moléculaire qui peut être capté par IRMf sous forme d'images à contraste élevé.
Le capteur lui-même est composé de deux nanoparticules distinctes, chacune recouverte d'une protéine différente : la calmoduline et la M13. En présence de calcium, ces deux protéines se lient. Essentiellement… nous avons créé deux ensembles de balles Velcro, explique Jasanoff. L'un a des crochets et l'autre des boucles, et ils ne deviennent des boules velcro qu'en présence de calcium. Les protéines se désagrègent lorsque le calcium disparaît, une propriété qui pourrait être utile pour interpréter le flux d'activité électrique dans un circuit de neurones au cours d'une tâche donnée, ce qui n'est pas possible avec l'IRMf d'aujourd'hui.
Les recherches de Jasanoff ne sont qu'un premier pas vers cet objectif. Jusqu'à présent, il a testé le capteur dans des solutions en éprouvette avec et sans calcium, en scannant les interactions avec l'IRM. Les premiers résultats, publiés dans un récent numéro du Actes des Académies nationales des sciences, sont prometteuses : les analyses ont permis de capter des images à contraste élevé des boules de type velcro se regroupant en présence de calcium. Bien que les images n'étaient visibles qu'après plusieurs secondes, voire quelques minutes, Jasanoff affirme que le capteur est hautement modifiable et qu'il prévoit d'améliorer sa réponse temporelle dans les futurs essais. Pour l'instant, il prévoit d'injecter des capteurs de calcium dans des cellules individuelles de mouches et éventuellement de rats.
Des observateurs extérieurs comme Greg Sorensen de la Harvard Medical School sont prudemment optimistes quant à cette nouvelle génération d'imagerie cérébrale, en particulier pour les applications humaines. Sorensen, professeur agrégé de radiologie, se concentre sur l'application de nouvelles techniques d'imagerie au traitement des maladies neurologiques.
Les particules d'oxyde de fer intracellulaire ont, dans certaines études, eu un profil d'innocuité défavorable chez l'homme, explique Sorensen. Si nous apprenions que cette méthode comportait certains risques mais qu'en échange elle pouvait identifier le meilleur traitement pour, disons, la schizophrénie, alors le risque en vaudrait peut-être la peine.