Gélifier le cerveau

Pour la Science 468 – Octobre 2016   

... pour mieux l'explorer

Karl DEISSEROTH

Comment les neurobiologistes observent le million de milliards de connexions du cerveau, même les plus profondément enfouies.

Notre système nerveux est un ensemble de fils interconnectés, les axones, transportant des impulsions électriques d'un neurone à l'autre. Les plus longs s'entrelacent avec des fibres courtes pour former le réseau transmettant les signaux et traitant l'information.

Les techniques classiques ne permettent pas d'observer à la fois un axone sans l'isoler de son contexte.

Une nouvelle technologie permet maintenant de voir l'intérieur du cerveau entier pour déterminer les trajectoires et les propriétés moléculaires de chaque fibre. Cette méthode s'appuie sur la chimie des hydrogels, des polymères formant un réseau tridimensionnel de compartiments connectés capable de retenir l'eau sans se dissoudre. Il faut imprégner d'un gel transparent le cerveau d'un humain, post mortem, celui-ci se lie aux molécules porteuses d'information, principalement l'ADN et l'ARN, et les protège. Ensuite il faut éliminer les tissus inutiles, comme les lipides, puis introduire indicateurs fluorescents et autres marqueurs dans l’ensemble de la structure, ainsi, éclairée, il est possible d'observer diverses fibres et molécules partout dans le cerveau.

Cette technique permet aux scientifiques de relier la forme physique de voies neuronales impliquées dans l'action et la cognition à leur fonction comportementale, qu'il s'agisse d'un mouvement ou d'une mémorisation. Ainsi sera-t-il possible de mieux connaître les processus impliqués dans la maladie de Parkinson, la maladie d'Alzheimer, la sclérose en plaques, l'autisme, la toxicomanie et les troubles anxieux.

L'utilisation d'hydrogel est aussi appliquée à d'autres organes, pour le diagnostic du cancer par exemple.

L'évolution n'a pas (encore) su rendre un cerveau transparent chez les grands animaux, l'invisibilité est pourtant une qualité utile à certaines espèces de crevettes et de poissons. Chez ceux-ci le système nerveux central reste opaque. Rien ne laisse la lumière se propager sans encombre à travers un cerveau vivant.

Karl DEISSEROTH et son équipe développèrent entre 2005 et 2009 une technique visant à allumer et éteindre différents composants spécifiques des circuit du cerveau en associant lasers, fibres optiques et gènes de protéines photo activables, des opsines microbiennes, issues d'algues et de bactéries. Cette technique appelé optogénétique contrôle l'activité dans des neurones spécifiques au sein de cerveaux vivants entiers alors que les animaux agissent et se livrent à des comportements complexes. Elle ne permet pourtant pas, à elle seule, de fournir une image à haute résolution du câblage des cellules contrôlées par la lumière à travers l'ensemble du cerveau.

Les premières expériences joignant la neurobiologie et la chimie des hydrogels furent conduites par deux chercheuses en biologie, Viviana Gradinaru et Charu Ramakrishnan. Dès 2010 elles cherchèrent à rendre les neurones invulnérables aux dégâts occasionnés par les agents utilisés pour détruire la structure tissulaire fine et les membranes cellulaires. Un ingénieur chimiste, Kwanghun Chun, rejoignit le duo afin de surmonter les difficultés rencontrées. La conjugaison de leurs efforts, conjugués avec d'autres recherches permit la fabrication d'hydrogels tissulaires marquant un rapide progrès laissant entrevoir d'autres avancées en conjuguant optogénétique et hydrogel tissulaires afin d'étudier des tissus biologiques entiers et obtenir des données qui étaient inaccessibles jusqu'alors.

Comprendre un système complexe suppose l'échange d'informations entre les échelles locale et globale. En neuroscience il est désormais possible de recueillir des informations détaillées sur la structure de l'organe entier, les composants moléculaires et l'activité des cellule.