Un interrupteur pour le cerveau

Les scientifiques peuvent désormais allumer et éteindre des parties spécifiques du cerveau avec un simple flash de lumière. Le nouvel outil moléculaire, développé par des scientifiques du MIT et de Stanford, permet un contrôle sans précédent du cerveau et pourrait conduire à des traitements plus efficaces contre l'épilepsie, la maladie de Parkinson et d'autres maladies. Cela pourrait également aider les neuroscientifiques à déchiffrer le langage du cerveau : les informations codées dans l'activité électrique des neurones, qui forment nos souvenirs et dirigent chacun de nos mouvements.

Entraînement des vers : Un interrupteur activé par la lumière peut contrôler le mouvement des vers microscopiques. Les scientifiques ont conçu les vers pour exprimer le commutateur dans les motoneurones qui contrôlent la capacité des organismes à nager. Sans lumière, les vers nagent normalement. Mais lorsqu'ils sont exposés à la lumière jaune, comme l'indique le cercle jaune, leurs motoneurones ne peuvent plus fonctionner, paralysant les vers.

À bien des égards, je pense que cela va révolutionner le domaine, déclare Michael Hausser, neuroscientifique à l'University College London qui a écrit un commentaire accompagnant la recherche, publié aujourd'hui dans La nature et le mois dernier à Bibliothèque publique de Science One . Il pourrait remplacer l'électrode de stimulation, qui est le principal outil des neurophysiologistes depuis 100 ans. Cela pourrait également améliorer les applications cliniques où les électrodes implantées se sont avérées utiles en ciblant l'excitation ou l'inhibition de cellules spécifiques.

Les neurones codent les informations avec une série d'impulsions électriques transmises entre les cellules. Les neuroscientifiques ont traditionnellement étudié la fonction des cellules du cerveau en envoyant des secousses électriques délivrées par une électrode, ce qui déclenche l'activité des neurones. Cependant, il est difficile de cibler cette activité sur un type de cellule spécifique, et il n'y a pas de traitement correspondant pour désactiver les cellules.

L'année dernière, Karl Deisseroth, bio-ingénieur et médecin à Stanford, et Ed Boyden, bio-ingénieur au MIT, ont coopté un canal photosensible de méduse pour créer un interrupteur génétique. Le canal repose sur la membrane cellulaire et s'ouvre lorsqu'il est exposé à la lumière, permettant à la charge positive de s'écouler dans la cellule. La lumière brillante sur les neurones génétiquement modifiés pour transporter le canal déclenche une activité électrique dans la cellule qui se propage ensuite au neurone suivant du circuit. (Les scientifiques utilisent des fibres optiques pour projeter de la lumière dans le cerveau.)

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• Regardez une vidéo de l'effet de lumière sur les vers conçus.

Deisseroth et Boyden ont maintenant créé indépendamment un interrupteur d'arrêt qui fonctionne par un mécanisme similaire. Cette fois, les scientifiques ont utilisé un gène qui code pour une pompe à protéines : lorsqu'il est touché par une lumière jaune, il pompe une charge négative dans la cellule, empêchant ce neurone de se déclencher. Les deux interrupteurs peuvent être utilisés dans la même cellule, offrant ainsi aux neuroscientifiques un interrupteur d'éclairage pouvant être utilisé pour activer et désactiver l'activité neuronale.

Cette nouvelle capacité à contrôler précisément les neurones pourrait enfin apporter des réponses à des questions majeures sur le cerveau. Cela pourrait aider les scientifiques à trouver les cellules spécifiques ou les modèles d'activité neuronale impliqués dans les processus cognitifs, tels que l'attention, ou dans des maladies particulières, telles que l'épilepsie.

L'épilepsie et la maladie de Parkinson peuvent être traitées avec des électrodes implantées dans le cerveau. Mais l'électricité délivrée par l'électrode stimule toutes les cellules voisines plutôt que seulement celles qui sont malades, augmentant les effets secondaires et diminuant potentiellement l'efficacité du traitement. Cela a été la source d'une incroyable frustration, explique Deisseroth, un psychiatre en exercice qui teste la stimulation électrique comme traitement de la dépression sévère. Nous savons que nous pouvons obtenir des avantages thérapeutiques en collant des électrodes dans le cerveau, mais nous ne savons pas vraiment quel est le type de cellule cible.

Deisseroth et Boyden utilisent maintenant les interrupteurs pour étudier des modèles animaux de ces maladies afin de découvrir exactement quelles cellules doivent être allumées ou éteintes. Leurs découvertes pourraient être utilisées pour développer de nouveaux médicaments ciblés uniquement sur ces cellules ou, un jour, pour remplacer les électrodes par des implants activés par la lumière plus précis.

Le commutateur pourrait également aider à décoder le langage du cerveau en aidant les neuroscientifiques à déterminer comment différents modèles d'activité neuronale donnent lieu à des pensées et des actions complexes. Par exemple, des recherches récentes ont suggéré que les schémas électriques rythmiques de notre cerveau sont importants pour notre capacité à prêter attention. Les scientifiques pourraient utiliser le commutateur pour perturber ces schémas chez les animaux et voir s'il annule leur capacité à prêter attention. Ou ils pourraient essayer d'induire ces schémas et voir si cela améliore la concentration des animaux. C'est un rêve des neuroscientifiques depuis longtemps, dit Hausser. Être capable de manipuler le modèle spatio-temporel de l'activité dans un réseau et trouver le code lié à un type particulier de comportement.

De plus, les scientifiques peuvent manipuler les unités spécifiques du code neuronal, les impulsions ou pointes d'activité électrique qui sont transmises entre les cellules. Nous avons montré que nous pouvons repousser les pointes, les bloquer, les retarder, dit Boyden. Nous pouvons vraiment modifier le codage neuronal à l'échelle de la milliseconde. Cela devrait permettre aux scientifiques de déterminer quel aspect du code – le moment ou le taux des pics – code les informations dans le cerveau, un débat qui fait rage depuis des décennies.

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