Lorsque le neuroscientifique Sébastien Tremblay s’est mis à manipuler le cerveau des singes avec de la lumière, des collègues ont donné un conseil qui donne à réfléchir : « C’est plus difficile qu’il n’y paraît. Tremblay, qui travaille dans le laboratoire du neuroscientifique Michael Platt à l’Université de Pennsylvanie, utilise la lumière pour activer ou faire taire des groupes précis de neurones et sonder leur rôle dans le fonctionnement du cerveau. La méthode, appelée optogénétique, fonctionne bien chez les rongeurs, mais les études sur les primates non humains sont essentielles si elle doit un jour devenir une thérapie pour les humains – pour supprimer les crises, par exemple, perturber les tremblements de la maladie de Parkinson, ou même projeter des images dans le cerveau d’une personne aveugle.
Mais malgré plus de 10 ans de travail, les progrès sont lents. Les outils pour rendre les cellules sensibles à la lumière ont été largement affinés chez les rongeurs et se comportent de manière imprévisible chez les singes. Il est difficile d’éclairer suffisamment de tissus dans le cerveau des grands primates pour modifier de manière fiable le comportement des animaux. Les chercheurs ont conçu leurs approches par essais et erreurs, souvent sans savoir ce qui avait ou n’avait pas fonctionné pour les autres.
Tremblay, Platt et leurs collègues de 45 laboratoires d’optogénétique des primates dans neuf pays espèrent changer cela avec la base de données ouverte d’optogénétique des primates non humains, qui a publié ses premiers résultats la semaine dernière. La base de données contient des détails infimes sur les réussites et les échecs, dont beaucoup n’ont pas été publiés. Et s’il peut être maintenu, il pourrait bientôt inclure des tests sur des singes de nouveaux outils optogénétiques prometteurs. L’approche des données ouvertes « est extrêmement puissante, extrêmement utile à la communauté », déclare Hongkui Zeng, un neuroscientifique qui développe des outils optogénétiques pour les souris à l’Allen Institute for Brain Science et n’a pas été impliqué dans le projet.
En optogénétique, les chercheurs dotent les cellules du cerveau d’un gène pour l’une des nombreuses opsines, des protéines sensibles à la lumière provenant de microbes. Ces protéines peuvent influencer le flux d’ions entrant et sortant d’un neurone pour contrôler s’il déclenche un signal électrique. Selon l’opsine, les chercheurs peuvent exciter ou inhiber les neurones en les éclairant, généralement via une fibre optique implantée.
Des souches de souris ont été génétiquement modifiées pour exprimer les opsines dans leur cerveau dès la naissance. Mais pour l’instant, faire pénétrer une opsine dans les neurones du singe signifie infecter les cellules avec un virus injecté par un trou dans le crâne. Avec l’ADN de l’opsine, le virus porte généralement une séquence appelée promoteur, qui restreint l’expression de l’opsine à certains types de cellules.
Il n’y a pas de formule éprouvée pour amener les cellules du cerveau de singe à fabriquer des opsines. À la recherche de la bonne combinaison de souches virales et de promoteurs, « nous sommes en quelque sorte entrés dans ce pays vaudou », explique Arash Afraz, neuroscientifique à l’Institut national américain de la santé mentale. Les scientifiques se sont appuyés sur les rumeurs de succès et d’échecs d’autres laboratoires, dit-il, et avaient peur de modifier une recette une fois qu’ils l’avaient fait fonctionner. Contrairement aux nombreuses souris, les chercheurs ne pouvaient pas se permettre d’utiliser beaucoup de singes pour perfectionner leur technique, ajoute-t-il. « Nous les apprécions davantage. Ils ont des noms. Nous les considérons comme nos collègues, dans un sens. »
Afraz espère que la base de données, à laquelle il a contribué, minimisera les efforts inutiles en mettant en commun les échecs du domaine. Il répertorie 1042 injections virales réalisées chez des primates non humains, dont 552 inédites. Les sept dixièmes des expériences ont été menées sur des singes macaques rhésus. Tremblay ne peut être sûr que la base de données soit exhaustive, mais les 66 groupes qu’il a invités à contribuer, identifiés par des publications et des références de collègues, représentent la majorité des laboratoires actifs dans le domaine, dit-il.
Dans un article du 19 octobre à Neurone présentation de la base de données, l’équipe estime le taux de réussite des vecteurs les plus couramment utilisés, les promoteurs et les opsines dans l’ensemble de données. Environ la moitié des expériences dans des cerveaux de singes ont cherché des changements dans l’activité neuronale après que les cellules ont été frappées par la lumière ; 69% ont trouvé un effet fort. Sur les 20 % d’expériences visant à influencer le comportement d’un animal – pour provoquer un mouvement des yeux ou de la main, par exemple – près de la moitié ont constaté un effet faible ou aucun effet.
Mise à l’échelle
L’échec a probablement découragé certains chercheurs de publier des études, explique Julio Martinez-Trujillo, neurophysiologiste à l’Université Western et contributeur au projet. Son groupe a essayé, sans succès, d’évoquer des mouvements oculaires chez un macaque et d’altérer la fonction de mémoire de travail chez un autre. « C’est le premier article qui montre notre expérience », dit-il.
De telles tentatives échouent probablement en partie parce que le virus n’atteint pas suffisamment le cerveau, dit Tremblay. Une seule injection peut infecter environ 1 millimètre cube de tissu – une large bande du cerveau d’une souris, mais une fraction chétive de celui d’un singe. Et les scientifiques veulent éviter les injections multiples qui pourraient endommager excessivement les tissus. Au lieu de cela, certains laboratoires essaient d’envoyer le virus plus loin en l’injectant à des volumes et des pressions élevés, une technique appelée livraison améliorée par convection.
D’autres espèrent éliminer le besoin d’injections cérébrales en concevant des virus suffisamment petits pour traverser le cerveau via ses minuscules capillaires après avoir été infusés dans une veine. Dans une prépublication de juin sur bioRxiv, la neuroscientifique et bioingénieur Viviana Gradinaru et son équipe du California Institute of Technology décrire un tel virus machiné qui infecte sélectivement les neurones d’un ouistiti.
Fournir de la lumière aux gros cerveaux est également un obstacle. « Disons que j’utilise une fibre optique de 200 microns de diamètre pour stimuler le cerveau de ma souris », explique Afraz. « Pour augmenter cela, je devrais coller une lampe de poche dans la tête du singe. » Dans une préimpression de bioRxiv le mois dernier, Afraz et ses collègues décrire une alternative possible: un réseau de 5 millimètres carrés de 24 diodes électroluminescentes (DEL), chacune pouvant produire autant de lumière qu’une fibre optique classique. En posant ce réseau sur le cortex d’un singe, les chercheurs pourraient éclairer une zone cérébrale relativement large sans plusieurs fibres implantées, explique Afraz. Ils peuvent également utiliser des LED individuelles pour exciter des parties séparées du cortex selon des motifs précis.
D’autres groupes développent des opsines plus sensibles afin qu’une lumière plus faible puisse affecter des tissus plus éloignés. Dans une étude sur des souris rapportée le 5 octobre dans Biotechnologie naturelle, un groupe dirigé par le neuroscientifique de l’Université de Stanford, Karl Deisseroth, l’un des premiers développeurs de l’optogénétique.utilisé une opsine très sensible appelé ChRmine pour activer les neurones à plusieurs millimètres sous la surface du cerveau avec de la lumière provenant de l’extérieur du crâne du rongeur.
« J’ai hâte de les tester », déclare la biologiste moléculaire de l’Université Laval Marie-Ève Paquet à propos de ces opsines ultrasensibles. Elle fait partie d’une collaboration canadienne qui teste et diffuse des outils optogénétiques émergents. Alors que les opsines, les promoteurs et les virus se dirigent vers les groupes de recherche participants, l’équipe de Paquet prévoit de télécharger ses résultats dans la nouvelle base de données.
Pour maintenir la base de données à jour, dit-elle, « la communauté doit vraiment être motivée », en particulier parce qu’elle s’attend à ce que les prochaines années amènent un boom des études pour influencer et comprendre les circuits cérébraux de certains de nos plus proches parents animaux.
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