Utiliser les photons comme neurotransmetteurs pour contrôler l’activité des neurones —


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  • Notre cerveau est constitué de milliards de neurones, qui sont connectés en formant des réseaux complexes. Ils communiquent entre eux en envoyant des signaux électriques, appelés potentiels d’action, et des signaux chimiques, appelés neurotransmetteurs, dans un processus appelé transmission synaptique. Les neurotransmetteurs chimiques sont libérés d’un neurone, diffusent vers les autres et arrivent aux cellules ciblées, générant un signal qui excite, inhibe ou module l’activité cellulaire. Le moment et la force de ces signaux sont cruciaux pour que le cerveau traite et interprète les informations sensorielles, prenne des décisions et génère un comportement.

    Contrôler les connexions entre les neurones permettrait de mieux comprendre et traiter les troubles neurologiques, recâbler ou réparer les dysfonctionnements des circuits neuronaux après avoir été endommagés, améliorer nos capacités d’apprentissage ou élargir notre ensemble de comportements. Il existe plusieurs approches pour contrôler l’activité neuronale. Une méthode possible consiste à utiliser des médicaments qui modifient les niveaux des neurotransmetteurs chimiques dans le cerveau et affectent l’activité des neurones. Une autre approche consiste à utiliser une stimulation électrique appliquée à des régions spécifiques du cerveau pour activer ou inhiber les neurones. Une troisième possibilité consiste à utiliser la lumière pour contrôler l’activité neuronale.

    Utiliser des photons pour contrôler l’activité neuronale

    L’utilisation de la lumière pour manipuler l’activité neuronale est une technique relativement nouvelle qui a été explorée dans le passé. Il s’agit de modifier génétiquement des neurones pour exprimer des protéines sensibles à la lumière, des canaux ioniques, des pompes ou des enzymes spécifiques dans les cellules cibles. Cette technique permet aux chercheurs de contrôler avec précision l’activité de populations concrètes de neurones avec une plus grande précision. Il existe cependant certaines limites. Il doit être délivré très près des neurones pour obtenir une résolution suffisante au niveau de la synapse, car la lumière se diffuse dans le tissu cérébral. Ainsi, il est souvent invasif, nécessitant des interventions externes. De plus, l’intensité nécessaire pour atteindre les cellules ciblées peut leur être potentiellement nocive.

    Pour surmonter ces défis, une équipe de chercheurs de l’ICFO présente dans Méthodes naturelles un système qui utilise des photons au lieu de neurotransmetteurs chimiques comme stratégie pour contrôler l’activité neuronale. Les chercheurs de l’ICFO Montserrat Porta, Adriana Carolina González, Neus Sanfeliu-Cerdán, Shadi Karimi, Nawaphat Malaiwong, Aleksandra Pidde, Luis Felipe Morales et Sara González-Bolívar dirigés par le professeur Michael Krieg avec Pablo Fernández et Cedric Hurth, ont développé une méthode connecter deux neurones en utilisant des luciférases, des enzymes émettant de la lumière et des canaux ioniques sensibles à la lumière.

    Ils ont développé et testé un système nommé PhAST -abréviation de Photons comme émetteurs synaptiques- chez le ver rond Caenorhabditis elegans, un organisme modèle largement utilisé pour étudier des processus biologiques spécifiques. Ressemblant à la façon dont les animaux bioluminescents utilisent des photons pour communiquer, PhAST utilise les enzymes luciférases pour envoyer des photons, au lieu de produits chimiques, comme émetteurs entre les neurones.

    Remplacer les neurotransmetteurs chimiques par des photons

    Pour tester si les photons pouvaient coder et transmettre l’état d’activité entre deux neurones, l’équipe a génétiquement modifié les vers ronds pour qu’ils aient des neurotransmetteurs défectueux, les rendant insensibles aux stimuli mécaniques. Ils visaient à surmonter ces défauts en utilisant le système PhAST. Deuxièmement, ils ont conçu des enzymes émettant de la lumière, des luciférases, et sélectionné des canaux ioniques sensibles à la lumière. Pour suivre le flux d’informations, ils ont développé un appareil qui délivrait des contraintes mécaniques au nez de l’animal tout en mesurant, en même temps, l’activité du calcium dans les neurones sensoriels, l’un des ions et messagers intracellulaires les plus importants.

    Pour pouvoir voir les photons et étudier la bioluminescence, l’équipe avait auparavant conçu un nouveau microscope en simplifiant un microscope à fluorescence, en supprimant tous les éléments optiques inutiles tels que les filtres, les miroirs ou le laser lui-même, assisté d’un apprentissage automatique pour réduire le bruit. provenant des sources lumineuses extérieures.

    Les chercheurs ont ensuite testé que le système PhAST fonctionnait dans plusieurs expériences et réussissait à utiliser des photons pour transmettre des états neuronaux. Ils ont pu établir une nouvelle transmission entre deux cellules non connectées, rétablissant la communication neuronale dans un circuit défectueux. Ils ont également supprimé la réponse des animaux à un stimulus douloureux, modifié leur réponse à un stimulus olfactif d’un comportement attractif à un comportement aversif et étudié la dynamique du calcium lors de la ponte des œufs.

    Ces résultats démontrent que les photons peuvent effectivement agir comme des neurotransmetteurs et permettre la communication entre les neurones et que le système PhAST permet la modification synthétique du comportement animal.

    Le potentiel de la lumière comme messager

    La lumière en tant que messager offre un large champ d’application pour de futures applications potentielles. Comme les photons peuvent être utilisés dans d’autres types de cellules et plusieurs espèces animales, cela a de vastes implications à la fois pour la recherche fondamentale et les applications cliniques en neurosciences.

    L’utilisation de la lumière pour contrôler et surveiller l’activité neuronale peut aider les chercheurs à mieux comprendre les mécanismes sous-jacents de la fonction cérébrale et des comportements complexes, et comment les différentes régions du cerveau communiquent entre elles, offrant de nouvelles façons d’imagerie et de cartographie de l’activité cérébrale avec une résolution spatiale et temporelle plus élevée. Cela pourrait également aider les chercheurs à développer de nouveaux traitements et, par exemple, être utile pour réparer les connexions cérébrales endommagées sans chirurgie invasive.

    Cependant, il existe encore des limites à l’utilisation généralisée de la technologie, et de nouvelles améliorations dans l’ingénierie des enzymes bioluminescentes et des canaux ioniques ou dans le ciblage des molécules permettraient de contrôler optiquement la fonction neuronale, de manière non invasive et avec une plus grande spécificité. et précision.

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    La Rédaction

    L'équipe rédactionnelle

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