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10 découvertes 2011

[1] Lumière sur les neurones

BIOPHYSIQUE - Université Laval


07/12/2011
Un nouvel outil, issu du mariage entre la physique et la neurobiologie, permet d’illuminer les cellules du cerveau, de les analyser et même de les contrôler! Le tout au service d’une nouvelle  science, l’optogénétique. 

Par Marine Corniou 

C’est la quête ultime des biologistes: observer en direct les signaux que s’échangent les 100 milliards de neurones du cerveau. Ce rêve, les physiciens du Centre d’optique, photonique et laser (COPL) de l’Université Laval s’en approchent un peu plus chaque jour.

BIOPHYSIQUE  - Université Laval
 
L’outil qu’ils viennent de mettre au point offre une incursion inédite au cœur des méandres cérébraux! Cette électrode, appelée «optrode», parce qu’elle est à la fois optique et électrique, permet en effet d’étudier les neurones un par un, et même de les contrôler en utilisant de la lumière. Une révolution en neurobiologie.

Pour comprendre cette brillante idée, il faut savoir que les neurones communi­quent entre eux en générant de brefs signaux électriques. Depuis des décennies, les biologistes étudient ce phénomène grâce à de fines pipettes en verre remplies d’une solution saline conductrice. En collant le minuscule embout de la pipette contre un neurone, ils peuvent enregistrer les courants générés au niveau de sa membrane. «Par contre, cette technique ne donne pas d’informations sur les mécanismes internes qui régissent le fonctionnement de la cellule. Il fallait donc un outil qui parvienne à capter ces signaux complexes en plus de l’activité électrique», explique Yves De Koninck, spécialiste de la douleur chronique au Centre de recherche Université Laval Robert-Giffard.

Il n’est pas simple de capter les messages que s’envoient les cellules du cerveau, car on ne peut évidemment pas en prélever quelques-unes pour les observer dans une éprouvette. «De toute façon, comme les neurones sont interconnectés en circuit, c’est leur dialogue qui est intéressant. Il faut donc être capable d’entrer dans le cerveau sans le détruire pour savoir ce qui s’y passe», précise le chercheur.

Depuis quatre ou cinq ans, une toute nouvelle discipline retient l’attention des neuroscientifiques du monde entier: l’optogénétique. En combinant l’optique et la génétique, on peut étudier mieux que jamais le fonctionnement biochimique des neurones in vivo chez des animaux de laboratoire. Le prin­cipe? Utiliser la lumière pour activer ou inhiber des mécanismes moléculaires à l’intérieur des neurones, grâce à des protéines fluorescentes insérées artificiellement dans les cellules pour servir d’«interrupteurs».

Jusqu’à présent, cependant, on ne pouvait illuminer et contrôler que des groupes entiers de neurones. Impossible d’étudier une seule cellule, contrairement à ce que permettent les pipettes en verre pour l’analyse électrique.

D’où l’idée d’Yves De Koninck: réunir les deux outils en un seul, en combinant ces pipettes classiques à une électrode lumineuse. Pour réussir cette prouesse, le chercheur a fait appel à des physiciens spécialistes des fibres optiques, ces fibres en verre qui ont la propriété de conduire la lumière. Et pas à n’importe quels physiciens, ceux du COPL, un centre à la pointe de la recherche optique, sans équivalent au Canada. Son directeur, Réal Vallée, a tout de suite été emballé par le projet.

Si le concept de l’optrode semblait simple, sa réalisation technique, elle, a toutefois donné du fil à retordre aux physiciens. «Il est difficile de concilier les instruments de physique avec la fragilité des cellules vivantes», explique Yoan LeChasseur, ancien doctorant au COPL et cocréateur de l’optrode. Ce jeune physicien, qui ne connaissait rien à la biologie, a donc commencé son projet par une immersion au Centre Robert-Giffard, spécialisé dans les maladies du système nerveux.

«D’autres équipes avaient essayé de cibler un neurone en utilisant, d’un côté une électrode classique, et de l’autre une fibre optique, mais ce n’était pas assez précis. Or, une fibre optique est constituée d’une gaine entourant un canal où passe la lumière. Pour fusionner les deux sondes, nous avons eu l’idée d’intégrer un second canal à la fibre, parallèle au premier», explique Réal Vallée. Ce second canal, une fois rempli de solution conductrice, fait office d’électrode classique.

Restait à miniaturiser le tout. Après sa fabrication à l’Institut national d’optique, le prototype avait un diamètre de 1 mm, alors que les neurones sont environ 100 fois plus petits! «Nous devions étirer la pointe de l’optrode pour l’affiner, mais le canal avait tendance à se boucher; la poussière entrait dans la fibre. Il m’a fallu trois ans pour produire des sondes qui étaient fonctionnelles dans le système nerveux, puis deux ans pour les tester dans la moelle épinière et le cerveau de souris», précise Yoan LeChasseur, qui a été assisté par des étudiants du département de psychiatrie et neurosciences de l’Université Laval.

Ce travail a été payant, puisque les premiers tests ont valu à l’équipe une publication dans la revue Nature Methods en avril 2011. Depuis, l’ancien doctorant a été embauché par la firme québécoise Doric Lenses, un fournisseur de composants optiques, où il développe une optrode avec un laser intégré, qui pourra être commercialisée prochainement. Quant à Yves De Koninck et Réal Vallée, ils espèrent obtenir une subvention pour poursuivre leurs travaux et garder leur longueur d’avance en optogénétique. «C’est un champ de recherche révolutionnaire», s’enthousiasme le physicien.

Inventée en 2005 par le psychiatre et bio-ingénieur Karl Deisseroth, de l’université de Stanford, en Californie, cette discipline suscite en effet un grand engouement dans le monde de la neurobiologie. Et l’optrode arrive à point nommé pour prêter main-forte aux chercheurs. «Cet outil combine la précision de l’électrophysiologie classique à la fluorescence, grâce à laquelle on peut étudier de très nombreux mécanismes cellulaires. En théorie, l’optrode a donc une infinité d’applications», estime Ofer Yizhar, un chercheur de l’équipe de Karl Deisseroth.

Mais pour sonder un cerveau à l’aide de l’optrode, il faut d’abord le «bricoler» un peu en laboratoire. «Il faut préalablement doter les cellules d’activateurs qui réagissent à la lumière envoyée par l’optrode, explique Yves De Koninck. Or, dans la nature, notamment chez les bactéries, il existe des protéines sensibles à la lumière, par exemple des canaux ioniques, qui changent de forme et de fonction sous l’effet d’un faisceau lumineux. Grâce à l’optogénétique, on peut insérer les gènes fabriquant ces canaux fluorescents directement dans les neurones de souris à l’aide d’un virus transporteur de gènes.» Ces canaux, que l’on retrouve naturellement au sein des neurones dans une version non fluorescente, sont des sortes de portes présentes à la surface de nombreuses cellules, qui s’ouvrent et se ferment pour laisser entrer ou sortir des ions comme le calcium ou le potassium. C’est grâce à ce flux d’ions chargés électriquement que les neurones parviennent à générer leurs messages. En remplaçant les canaux ioniques naturels par des canaux photosensibles dans le cerveau ou la moelle épinière d’une souris, et en y plongeant l’optrode, cela devient presque un jeu d’enfant d’éteindre et d’allumer les neurones!

«On peut contrôler un neurone ciblé, l’allumer ou l’éteindre avec la lumière, et même comprendre son fonctionnement en analysant le signal lumineux qu’il nous renvoie», précise Yoan LeChasseur, visiblement conquis par la neurobiologie.

Certes, l’optogénétique est encore très expérimentale. Les chercheurs entrevoient tout juste l’immense champ d’exploration qui s’ouvre devant eux. Si l’utilisation de la lumière peut paraître ludique, les objectifs des scientifiques sont toutefois très sérieux. «Les médicaments qui agissent sur le cerveau sont les médicaments du futur. Mais il est aujourd’hui difficile de comprendre leur mode d’action, ou de savoir pourquoi ils deviennent inefficaces au bout d’un certain temps. Les outils comme l’optrode permettent d’observer leurs effets dans un cerveau intact, peut-être même un jour chez l’humain, et donc de mettre au point de nouveaux traitements», pense Yves De Koninck, qui se consacre à la lutte contre la douleur chronique. En attendant, une chose est sûre: l’invention du COPL promet d’illuminer de nombreux laboratoires!

Photo: Louise Bilodeau




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