Une protéine ultra-sensible active les neurones en réaction à la lumière extérieure

Une nouvelle technique très peu invasive permet d’activer des neurones dans le cerveau de souris et de singes, grâce à une source de lumière située à l’extérieur de la tête. Les chercheurs peuvent utiliser des impulsions lumineuses, de différentes longueurs d’ondes, pour activer ou désactiver les cellules. Les scientifiques étudient l’autisme, en modifiant les circuits cérébraux chez les animaux.

spectrumnews.org Traduction par Sarah de "Ultra-sensitive protein activates neurons in response to external light"par Chloe Williams / 27 Mai 2020

Capteur de lumière : Des souris modifiées sécrètent une protéine hautement sensible dans des neurones partout dans le cerveau (en rouge), pouvant être stimulée sans source de lumière implantée. © Spectrum News Capteur de lumière : Des souris modifiées sécrètent une protéine hautement sensible dans des neurones partout dans le cerveau (en rouge), pouvant être stimulée sans source de lumière implantée. © Spectrum News
Une nouvelle technique très peu invasive offre aux chercheurs la possibilité d’activer des neurones dans le cerveau de souris et de singes, grâce à une source de lumière située à l’extérieur de la tête. (1)

Cette méthode fait appel à l’optogénétique, une technique grâce à laquelle des protéines sensibles à la lumière, du nom d’opsines, sont fabriquées dans les neurones. Les chercheurs peuvent alors utiliser des impulsions lumineuses, de différentes longueurs d’ondes, pour activer ou désactiver les cellules. (2) Les scientifiques ont eu recours à l’optogénétique pour étudier l’autisme, en modifiant les circuits cérébraux chez les modèles animaux de ce trouble.

Les expériences d’optogénétique nécessitent généralement d’implanter par chirurgie une fibre optique dans le cerveau d’un animal, pour projeter de la lumière sur les neurones. Mais cette procédure peut endommager les tissus et modifier l’activité des neurones ; chez les jeunes souris, cela peut causer un développement anormal du cerveau. L’implantation de fibre ne stimule aussi, souvent, qu’une surface de 10 millimètres cube de tissu cérébral, car la lumière traverse difficilement le tissu. (3)

Cette nouvelle méthode recourt à un nouveau type d’opsine hautement sensible, appelée « opsine à fonction en escalier avec ultra-haute sensibilité à la lumière » ou encore SOUL, pour activer les neurones sans implanter de fibres optiques. Avec l’aide de SOUL, les scientifiques ont la possibilité d’agir sur les circuits dans n’importe quelle partie du cerveau de la souris, et dans de larges bandes du cortex cérébral d’un macaque, en projetant de la lumière sur la surface du cerveau ou du crâne.

SOUL apporte des améliorations sur une autre famille d’opsines, appelée opsines à fonction en escalier stabilisées, qui sont conçues pour rester actives 30 minutes encore après l’exposition à la lumière. Les chercheurs ont conçu le code génétique de l’opsine SOUL pour inclure une mutation, connue pour accroître la sensibilité à la lumière, dans un autre type d’opsine, la channelrhodopsine-2. Ils injectent ensuite des virus portant le gène qui encode l’opsine SOUL dans le cerveau de souris et de macaques.

La projection d’une lumière hors du crâne active les neurones, qui envoient SOUL loin dans le cerveau de la souris, ont indiqué les chercheurs en avril dans Neuron. La coloration des protéines produites par les neurones activés, avec des marqueurs d’anticorps, a montré une activité des neurones dans l’hypothalamus latéral, une des zones les plus profondes du cerveau, environ six millimètres sous la surface crânienne. Cette profondeur laisse à penser qu’il est possible de moduler les neurones dans n’importe quelle partie du cerveau de la souris, déclarent les chercheurs.

L’activité des neurones dans l’hypothalamus latéral était également assez forte pour modifier les comportement des animaux. Les souris privées de nourriture diminuaient leur consommation alimentaire dans les dix minutes suivant l’exposition à la lumière bleue, qui active SOUL, rapportent les chercheurs. Après un envoi de lumière orange, qui désactive SOUL, les souris revenaient à leurs schémas habituels d’alimentation.

Cerveau de singe

Chez les macaques, l’équipe a également utilisé des sondes pour mesurer l’activité des neurones dans le cortex cérébral après la stimulation à la lumière.

Un rayon de lumière bleue placé au-dessus de la dure-mère, une membrane épaisse qui entoure le cerveau, augmente le taux d’allumage des neurones à n’importe quelle profondeur du cortex, déclarent les chercheurs.

L’équipe a suscité l’expression de SOUL dans 140 millimètres cube du cerveau, mais, en augmentant le nombre d’injections virales et la dimension du rayon lumineux, les scientifiques parviendraient à activer un volume plus important du cortex, selon les chercheurs.

Le fait d’activer les neurones de macaques en utilisant SOUL génère aussi une activité synchronisée des neurones, ou des oscillations, que l’on pense perturbée dans l’autisme. Cela indique que SOUL peut servir à étudier le rôle des oscillations dans la fonction cérébrale.

Cette nouvelle méthode peut révéler quelle contribution peuvent avoir des types spécifiques de cellules ou de circuits cérébraux dans l’autisme, affirment les chercheurs. Son utilisation pourrait également être possible pour modifier les circuits cérébraux pendant tout le développement, afin d’identifier ce en quoi ils diffèrent dans l’autisme, et le moment où ces différences surviennent.

Références :

  1. Gong X. et al. Neuron Epub ahead of print (2020) PubMed
  2. Guru A. et al. Int. J. Neuropsychopharmacol. 18, pyv079 (2015) PubMed
  3. Acker L. et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 113, E7297-E7306 (2016) PubMed

Lien sur l’optogénétique : CNRS, le Journal  - L’optogénétique, quand la lumière prend les commandes du cerveau

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