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Les hologrammes laser stimulent les cellules du cerveau chez la souris à sonder

Combien de neurones faut-il pour déclencher un souvenir, une sensation ou un mouvement ? Les neuroscientifiques ont eu du mal à répondre à cette question avec des méthodes relativement grossières qui ne leur permettent pas de déclencher des cellules cérébrales sélectionnées individuellement. Deux équipes, cependant, ont récemment adapté l’optogénétique – une technologie pour stimuler les neurones avec la lumière – pour réveiller avec précision des cellules particulières dans le cortex visuel d’une souris. Ils ont montré que le zapping de quelques neurones pouvait déclencher la même activité cérébrale que montrer aux animaux un schéma visuel et les faire réagir comme s’ils avaient vu ce schéma. « Essentiellement, ils prennent le contrôle du monde interne du cerveau », a déclaré le neuroscientifique Thomas Knöpfel de l’Imperial College de Londres à propos des nouvelles expériences.

« Nous ne savons pas combien de cellules il faut pour déclencher une pensée, une expérience sensorielle ou une émotion plus élaborée chez une personne », déclare Karl Deisseroth, neuroscientifique et psychiatre à l’Université Stanford de Palo Alto, en Californie, qui a dirigé l’un des les nouvelles études, publiées en ligne cette semaine dans Science, « mais il s’agit probablement d’un nombre étonnamment petit, compte tenu de ce que nous voyons chez la souris. »

Cette observation pourrait aider à expliquer pourquoi des états désordonnés – hallucinations, pensées indésirables et actions nocives – surviennent si facilement dans le cerveau, dit Deisseroth. Et l’optogénétique à neurone unique pourrait un jour orienter les chercheurs vers des moyens très ciblés d’éliminer ces états et de traiter les symptômes des maladies du cerveau.

Les neuroscientifiques ont passé des décennies à observer comment les souris se comportent lorsque des parties de leur cerveau sont stimulées avec des électrodes ou, plus récemment, avec l’optogénétique, qui consiste à introduire un gène pour l’une des nombreuses protéines sensibles à la lumière appelées opsines dans les neurones. Dans la plupart des expériences, les chercheurs réveillent les neurones porteurs d’opsine d’un type cellulaire spécifique avec une impulsion de lumière bleue-verte diffuse. Mais le groupe de Deisseroth et d’autres ont ciblé l’optogénétique plus précisément avec une opsine sensible à la lumière rouge et le faisceau pointu et pénétrant d’un laser proche infrarouge.

« Imaginez chaque neurone du cerveau comme une touche de piano », explique Rafael Yuste, un neuroscientifique de l’Université Columbia qui a été le pionnier de telles expériences. « Vous pouvez littéralement choisir les neurones à activer. »

Rejouer la perception

Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé la lumière pour activer avec précision les cellules du cortex visuel d’une souris, recréant l’activité cérébrale impliquée dans la vision de modèles spécifiques.
Graphique montrant la perception de la souris
L. CARRILLO-REID ET AL., CELLULE (2019), J. MARSHEL ET AL, Science (2019) ADAPTÉ PAR V. ALTOUNIAN/SCIENCE

Dans les deux nouvelles études, les groupes de Deisseroth et de Yuste ont ciblé des ensembles prédéfinis de cellules en sculptant le faisceau laser en un hologramme avec un dispositif appelé modulateur spatial de lumière. En plus d’un gène opsine, ils ont injecté le gène d’une molécule qui devient fluorescente lorsque les neurones se déclenchent, leur permettant de discerner quelles cellules étaient actives. Ils ont montré aux souris un motif de lignes parallèles dérivantes sur un écran et les ont entraînées à lécher un jet d’eau lorsque ces lignes étaient dans l’une des deux orientations (horizontale ou verticale), mais pas dans l’autre. Ils ont identifié les cellules « réglées » pour tirer de préférence pour le modèle horizontal ou vertical.

Le groupe de Yuste, qui a publié ses expériences le mois dernier dans Cellule, a trouvé que stimulant aussi peu que deux neurones particulièrement bien connectés rendait la souris plus susceptible de lécher lorsque les barres verticales à l’écran étaient difficiles à discerner. Dans certains essais, la stimulation a même incité les animaux à se lécher alors qu’il n’y avait rien sur l’écran.

Les résultats, dit Yuste, soutiennent la théorie de longue date selon laquelle des ensembles de neurones co-activés – et non des cellules individuelles – forment les éléments de base de nos perceptions et de nos souvenirs. C’est toujours une suggestion controversée, déclare Michael Brecht, neuroscientifique à l’Université Humboldt de Berlin. Il est également possible que les neurones individuels « fassent simplement leur travail et contribuent progressivement » au fonctionnement du cerveau, dit-il – que les cellules n’aient pas à former ces groupes définis pour représenter collectivement les expériences. Mais de futures études sur les neurones déclenchés avec précision pourraient encore résoudre le rôle des ensembles, note Brecht.

Le groupe de Deisseroth, quant à lui, a activé de plus grands ensembles de neurones accordés verticalement ou horizontalement que dans le Cellule étude et évalué si les souris pouvaient faire la distinction entre les deux perceptions possibles. En utilisant un gène nouvellement découvert d’un organisme marin unicellulaire qui produit une opsine très sensible, ils ont découvert que le zapping d’ensembles d’environ 10 à 20 cellules qui étaient réglés sur un modèle visuel ou l’autre améliorait la capacité d’une souris à distinguer de plus en plus sombres. barres d’écran. Finalement, cette stimulation seule a demandé des décisions précises de « lécher » ou de « ne pas lécher ».

Il est impossible de savoir si les souris ont vraiment « vu » les barres absentes, mais les tests comportementaux et l’imagerie suggèrent que « le cerveau fait ce qu’il fait pendant la perception naturelle », explique Deisseroth.

« C’est probablement un peu trop tôt » pour affirmer que la stimulation optogénétique peut recréer pleinement la vision réelle, ce qui est beaucoup plus complexe que de simples barres en mouvement, explique Valentina Emiliani, physicienne dans un institut de la vision affilié au CNRS, l’agence nationale de la recherche française à Paris. . Pourtant, dit-elle, il est excitant de constater que frapper quelques neurones peut appeler tout un schéma d’activité cérébrale lié à la vision.

Les laboratoires Deisseroth et Yuste prévoient désormais d’utiliser l’optogénétique à neurone unique pour trouver des neurones sous-jacents à des comportements plus complexes, y compris des symptômes de maladie cérébrale. Yuste a lancé des expériences sur des souris visant à inverser les symptômes de la schizophrénie et de la maladie d’Alzheimer en stimulant des ensembles de neurones qui ne s’activent pas aussi fortement chez les souris malades que chez les souris saines.


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