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Neuro-sciences. Des rayons lumineux pour explorer le cerveau

Nous avons signalé récemment comment des chercheurs avaient réussi à observer les échanges électriques entre les neurones des couches non superficielles du cortex en insérant des micro-électrodes dans le cerveau de patients dont le crâne avait été ouvert à l'occasion d'une opération.

Cf  Cartographier les micro-circuits dans le cerveau http://www.europesolidaire.eu/article.php?article_id=2865&r_id=

Mais il s'agit d'une méthode dite invasive qui ne peut être utilisée qu'exceptionnellement, au moins chez les humains, par exemple à l'occasion de trépanations. Aujourd'hui une équipe internationale de neuroscientifiques annonce avoir réussi l'exploration de couches profondes du cerveau en utilisant une lumière de longueur d'onde proche de l'infra-rouge (Near infrared ou NIR). Ce type de lumière peut aisément traverser le tissu cérébral en conservant sa cohérence. Pour en tirer parti, il faut introduire dans le cerveau des nano-particules « réverbérantes » ( up-conversion nanoparticles ou UCNP) qui absorbent la lumière et génèrent une lumière de courte longueur d'onde, bleu-vert, laquelle peut activer les neurones voisins.

Cette recherche est présentée comme permettant le développement de nouveaux outils non invasifs destinés au traitement de certains troubles neurologiques ou plus généralement à la recherche concernant le fonctionnement et le rôle du cerveau.

L'optogénétique

Comme l'indique Wikipedia, l'optogénétique (https://fr.wikipedia.org/wiki/Optog%C3%A9n%C3%A9tique ) exploite la propriété du système nerveux à utiliser des signaux électriques pour fonctionner. Les neurones codent l'information en signaux électriques ou potentiels d'action. Ces impulsions engendrent la libération par la cellule nerveuse de molécules appelées neurotransmetteurs.  Ces messagers chimiques activent alors, ou au contraire inhibent les cellules faisant partie du même réseau que la cellule.

Le fonctionnement de l'optogénétique repose principalement sur l'insertion au niveau cérébral des gènes codant pour une protéine « photo-activable » le plus souvent d'origine bactérienne, appelée opsine. L'insertion dans le génome des neurones étudiés de la séquence codant l'opsine peut être réalisée par plusieurs méthodes différentes, la plus pratiquée étant l'implantation dans le génome d'un virus capable d'infecter les cellules de la zone où elle a été sera injectée. Ces vecteurs s'intègrent dans le génome hôte des cellules infectées, permettant la synthèse d'une quantité suffisante de protéine photo-activable, y compris dans les prolongements les plus fins du neurone.

Les opsines une fois produites par le cerveau-hôte sont alors activées par une lumière d'une certaine longueur d'onde à l'aide d'une fibre optique directement implantée dans le cerveau de l'animal. Les canaux que forme l'opsine s'ouvrent et, en fonction de leur nature, peuvent provoquer la dépolarisation ou l'hyperpolarisation du neurone, ce qui le rend visible à l'observation. Mais la lumière utilisée, bleu-vert, est rapidement dispersée dans le tissu. D'où la nécessité d'introduire à titre permanent des fibres optiques invasives dans le cerveau.

La nouvelle méthode, décrite dans l'article que vient de publier la revue Nature, consiste à utiliser une lumière proche de l'infra-rouge qui pénètre plus profondément dans le cerveau, à travers la boite crânienne, sans par conséquent avoir à ouvrir celle-ci. Les nano-particules UCNP qui avaient été introduites précédemment dans le cerveau absorbent cette lumière et s'illumine en bleu-vert dans des zones jusqu'à présent inaccessibles du cerveau. L'introduction des UCNP se fait par une simple injection qui est considérée comme non invasive. Les UCNP se sont révélées très stables et biologiquement compatibles.

NB. Nous nous demandons pour notre part comment cette injection de nano-particules peut-être considérée comme non invasive. L'article n'indique pas à quel endroit du cerveau – ou du corps – elle est réalisée - ou par voie sanguine?.

Il faut préciser tout de suite que cette démarche n'a pas encore expérimentée chez l'homme, mais chez des souris. Beaucoup de difficultés seront à résoudre pour que la nouvelle méthode soit utilisée chez des patients humains. Notamment, les modifications continuelles des réseaux de neurones obligent à adapter régulièrement le positionnement des nanoparticules. Il faudra évidemment aussi s'assurer de la non-toxicité à long terme du processus.

La collaboration a associé des scientifiques du RIKEN Brain Science Institute http://www.brain.riken.jp/en/ au Japon, de la National University de Singapour, de la Johns Hopkins University aux Etats-Unis https://www.jhu.edu/ et de la Keio University de Tokyo https://www.keio.ac.jp/en/.

Abstract of Near-infrared deep brain stimulation via upconversion nanoparticle–mediated optogenetics

Optogenetics has revolutionized the experimental interrogation of neural circuits and holds promise for the treatment of neurological disorders. It is limited, however, because visible light cannot penetrate deep inside brain tissue. Upconversion nanoparticles (UCNPs) absorb tissue-penetrating near-infrared (NIR) light and emit wavelength-specific visible light. Here, we demonstrate that molecularly tailored UCNPs can serve as optogenetic actuators of transcranial NIR light to stimulate deep brain neurons. Transcranial NIR UCNP-mediated optogenetics evoked dopamine release from genetically tagged neurons in the ventral tegmental area, induced brain oscillations through activation of inhibitory neurons in the medial septum, silenced seizure by inhibition of hippocampal excitatory cells, and triggered memory recall. UCNP technology will enable less-invasive optical neuronal activity manipulation with the potential for remote therapy.

Référence:

Chen et al. Near-infrared deep brain stimulation via upconversion nanoparticle-mediated optogenetics.

17/02/2018

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