Les neurones du cerveau communiquent par des impulsions électriques rapides qui permettent au cerveau de coordonner le comportement, les sensations, les pensées et les émotions. Les scientifiques qui veulent étudier cette activité électrique mesurent habituellement ces signaux à l’aide d’électrodes insérées dans le cerveau, une tâche notoirement difficile et longue.
Les chercheurs du MIT ont maintenant proposé une approche complètement différente pour mesurer l’activité électrique du cerveau, qui, selon eux, s’avérera beaucoup plus facile et plus instructive. Ils ont mis au point une protéine sensible à la lumière qui peut être intégrée dans les membranes des neurones, où elle émet un signal fluorescent qui indique la tension que subit une cellule particulière. Cela pourrait permettre aux scientifiques d’étudier le comportement des neurones, milliseconde par milliseconde, lorsque le cerveau exécute une fonction particulière.
« Si vous placez une électrode dans le cerveau, c’est comme si vous essayiez de comprendre une conversation téléphonique en n’entendant qu’une seule personne parler », explique Edward Boyden, professeur associé de génie biologique et de sciences cérébrales et cognitives au MIT. « Maintenant, nous pouvons enregistrer l’activité neuronale de nombreuses cellules d’un circuit neuronal et les entendre parler entre elles »
Boyden, qui est également membre du Media Lab, du McGovern Institute for Brain Research et du Koch Institute for Integrative Cancer Research du MIT, ainsi que boursier de la faculté HHMI-Simons, est l’auteur principal de l’étude, qui paraît dans le numéro du 26 février de Nature Chemical Biology. Les auteurs principaux de l’article sont les postdocs du MIT Kiryl Piatkevich et Erica Jung.
Voltage d’imagerie
Pendant les deux dernières décennies, les scientifiques ont cherché un moyen de surveiller l’activité électrique dans le cerveau par imagerie au lieu d’enregistrer avec des électrodes. Trouver des molécules fluorescentes pouvant être utilisées pour ce type d’imagerie s’est avéré difficile ; non seulement les protéines doivent être très sensibles aux changements de tension, mais elles doivent également répondre rapidement et être résistantes au photoblanchiment (décoloration qui peut être causée par l’exposition à la lumière).
Boyden et ses collègues ont imaginé une nouvelle stratégie pour trouver une molécule qui répondrait à tous les critères de cette liste de souhaits : Ils ont construit un robot capable de cribler des millions de protéines, générées par un processus appelé évolution dirigée des protéines, pour les traits qu’ils recherchaient.
« Vous prenez un gène, puis vous fabriquez des millions et des millions de gènes mutants, et enfin vous choisissez ceux qui fonctionnent le mieux », explique Boyden. « C’est la façon dont l’évolution fonctionne dans la nature, mais maintenant nous le faisons dans le laboratoire avec des robots afin de pouvoir choisir les gènes avec les propriétés que nous voulons. »
Les chercheurs ont fabriqué 1,5 million de versions mutantes d’une protéine sensible à la lumière appelée QuasAr2, qui a été précédemment conçue par le laboratoire d’Adam Cohen à l’Université de Harvard. (Ce travail, à son tour, était basé sur la molécule Arch, dont le laboratoire de Boyden a fait état en 2010). Les chercheurs ont introduit chacun de ces gènes dans des cellules de mammifères (un mutant par cellule), puis ont fait pousser les cellules dans des boîtes de laboratoire et ont utilisé un microscope automatisé pour prendre des photos des cellules. Le robot a pu identifier les cellules dont les protéines répondaient aux critères recherchés par les chercheurs, les plus importants étant l’emplacement de la protéine dans la cellule et sa luminosité.
L’équipe de recherche a ensuite sélectionné cinq des meilleurs candidats et a effectué un autre cycle de mutation, générant 8 millions de nouveaux candidats. Le robot a sélectionné les sept meilleurs d’entre eux, que les chercheurs ont ensuite réduits à un seul performant, qu’ils ont appelé Archon1.
Cartographie du cerveau
Une caractéristique clé d’Archon1 est qu’une fois le gène délivré dans une cellule, la protéine Archon1 s’intègre dans la membrane cellulaire, qui est le meilleur endroit pour obtenir une mesure précise de la tension d’une cellule.
En utilisant cette protéine, les chercheurs ont pu mesurer l’activité électrique dans le tissu cérébral de souris, ainsi que dans les cellules cérébrales de larves de poisson zèbre et du ver Caenorhabditis elegans. Ces deux derniers organismes étant transparents, il est facile de les exposer à la lumière et de visualiser la fluorescence qui en résulte. Lorsque les cellules sont exposées à une certaine longueur d’onde de lumière rouge-orange, le capteur protéique émet une plus grande longueur d’onde de lumière rouge, et la luminosité de la lumière correspond à la tension de cette cellule à un moment donné.
Les chercheurs ont également montré qu’Archon1 peut être utilisé en conjonction avec des protéines sensibles à la lumière qui sont couramment utilisées pour réduire au silence ou stimuler l’activité des neurones – on les appelle des protéines optogénétiques – tant que ces protéines répondent à des couleurs autres que le rouge. Dans des expériences avec C. elegans, les chercheurs ont démontré qu’ils pouvaient stimuler un neurone à l’aide de la lumière bleue, puis utiliser Archon1 pour mesurer l’effet résultant dans les neurones qui reçoivent des entrées de cette cellule.
Cohen, le professeur de Harvard qui a développé le prédécesseur d’Archon1, dit que la nouvelle protéine du MIT rapproche les scientifiques de l’objectif d’imagerie de l’activité électrique à l’échelle de la milliseconde dans les cerveaux vivants.
« Traditionnellement, la mise au point d’indicateurs de tension fluorescents nécessitait une main d’œuvre atroce, car chaque mutant devait être cloné individuellement, puis testé par une mesure électrophysiologique lente et manuelle de type patch-clamp. Le laboratoire Boyden a mis au point une approche de criblage à haut débit très intelligente pour résoudre ce problème », explique Cohen, qui n’a pas participé à cette étude. « Leur nouveau rapporteur semble vraiment génial chez les poissons, les vers et dans les tranches de cerveau. Je suis impatient de l’essayer dans mon laboratoire ».
Les chercheurs travaillent maintenant à l’utilisation de cette technologie pour mesurer l’activité cérébrale des souris pendant qu’elles effectuent diverses tâches, ce qui, selon Boyden, devrait leur permettre de cartographier les circuits neuronaux et de découvrir comment ils produisent des comportements spécifiques.
« Nous serons en mesure de regarder un calcul neuronal se produire », dit-il. « Au cours des cinq prochaines années environ, nous allons essayer de résoudre complètement certains petits circuits cérébraux. De tels résultats pourraient permettre de faire un pas vers la compréhension de ce qu’est réellement une pensée ou un sentiment. »
La recherche a été financée par le HHMI-Simons Faculty Scholars Program, le prix Harvey de l’IET, le MIT Media Lab, le New York Stem Cell Foundation Robertson Award, le Open Philanthropy Project, John Doerr, le Human Frontier Science Program, le ministère de la Défense, la National Science Foundation et les National Institutes of Health, y compris un NIH Director’s Pioneer Award.