vendredi 10 février 2017

Gélifier le cerveau pour mieux l'observer ?

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Notre système nerveux ressemble à une tapisserie tissée de fils interconnectés. Ces fils, les axones – de minces fibres que projettent les neurones –, transportent une information électrique d'un neurone à d'autres. Dans le cerveau, des axones à longue portée s'entrelacent avec des fibres plus courtes pour former un réseau qui transmet des signaux et traite l'information.
Pour comprendre les mécanismes internes du cerveau, les scientifiques doivent déchiffrer comment les éléments de cette tapisserie neuronale sont organisés. Mais comprendre le rôle d'un axone nécessite aussi une vision globale du cerveau qui n'occulte pas l'axone individuel et son contexte.
Toutefois, il est impossible d'y parvenir avec les techniques classiques d'imagerie, car les molécules de graisse (les lipides) présentes partout dans le cerveau (en particulier dans les membranes des cellules) diffractent la lumière des appareils d'imagerie et empêchent de dépasser les couches cellulaires les plus superficielles pour atteindre les profondeurs du cerveau. Le cerveau n'étant ni transparent ni plat comme un tissu, il faut donc un outil spécial.
Aujourd'hui, une nouvelle technologie ouvre des perspectives passionnantes, apportant un moyen de voir l'intérieur du cerveau entier et de déterminer à la fois les trajectoires et les propriétés moléculaires de chaque fibre. Conçue dans notre laboratoire, cette méthode s'appuie sur la chimie des hydrogels, des polymères qui forment un réseau tridimensionnel de compartiments connectés capables de retenir l'eau sans se dissoudre.
L'idée est de créer un squelette tridimensionnel de polymère à l'intérieur du tissu biologique. On commence par imprégner d'un gel transparent le cerveau d'un animal de laboratoire ou d'un humain postmortem. Ce gel se lie aux molécules clés porteuses d'information, notamment les protéines et les acides nucléiques (l'ADN et l'ARN), et ce faisant les protège. L'étape suivante consiste à éliminer des tissus les composants sans intérêt ou qui diffusent la lumière, comme les lipides. Enfin, on introduit une multitude d'indicateurs fluorescents et autres marqueurs dans l'ensemble de la structure (en plus d'être transparent, le gel est conçu pour permettre l'infusion rapide de ces sondes), ce qui permet, en éclairant, de visualiser directement diverses fibres et molécules d'intérêt à très haute résolution partout dans le cerveau.
Cette nouvelle technique ouvre de nombreuses perspectives. Des scientifiques utilisent cette approche pour relier la forme physique de voies neuronales impliquées dans l'action et la cognition à leur fonction comportementale, qu'il s'agisse d'un mouvement ou d'une mémorisation. La méthode a aussi aidé à élucider des processus impliqués dans la maladie de Parkinson, la maladie d'Alzheimer, la sclérose en plaques, l'autisme, la toxicomanie et les troubles anxieux. Nous avons même aidé à monter une société visant à explorer les applications des tissus d'hydrogel dans le diagnostic du cancer. Car la méthode est maintenant appliquée à divers organes et tissus de l'organisme.

Vers la transparence

Rendre un cerveau transparent est si difficile que même l'évolution, en plusieurs centaines de millions d'années, n'y est pas parvenue chez les grands animaux. Pourtant, l'invisibilité apporterait des avantages considérables : certaines espèces de crevettes et de poissons ne présentent-elles pas un degré de transparence qui a certainement favorisé leur sélection au fil de l'évolution (par exemple en leurrant les prédateurs) ? Certains poissons sont ainsi dépourvus d'hémoglobine, la protéine qui colore le sang en rouge. Mais même chez ces animaux, le système nerveux central reste au moins partiellement opaque, malgré une intense pression de sélection. Rien ne laisse la lumière se propager sans encombre à travers un cerveau vivant.
Cette opacité résulte de la diffusion de la lumière dans le tissu nerveux. Les photons rebondissent aux interfaces entre la graisse et l'eau (à cause des différences de vitesse de propagation de la lumière dans les deux substances) et dans des directions apparemment aléatoires (en raison de la complexité structurale des connexions neuronales). Un effet délicat à supprimer par l'ingénierie ou l'évolution, d'autant plus que dans le cerveau, les barrières lipidiques qui constituent les membranes des cellules jouent un rôle clé : elles servent de matériau isolant pour les ions qui orchestrent...

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