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Des chercheurs aux États-Unis ont mis au point une nouvelle méthode de contrôle des circuits cérébraux associés à des comportements animaux complexes, utilisant le génie génétique pour créer une protéine magnétisée qui active des groupes spécifiques de cellules nerveuses à distance.

Comprendre comment le cerveau génère le comportement est l’un des objectifs ultimes de la neuroscience - et l’une de ses questions les plus difficiles. Au cours des dernières années, les chercheurs ont mis au point un certain nombre de méthodes leur permettant de contrôler à distance des groupes de neurones spécifiques et de sonder le fonctionnement des circuits neuronaux.

La plus puissante d'entre elles est une méthode appelée optogénétique , qui permet aux chercheurs d'activer ou de désactiver des populations de neurones apparentés sur une échelle de temps d'une milliseconde à une milliseconde avec des impulsions de lumière laser. Une autre méthode récemment mise au point, appelée chimiogénétique , utilise des protéines modifiées activées par des médicaments de synthèse et pouvant cibler des types de cellules spécifiques.

Bien que puissant, ces deux méthodes présentent des inconvénients. L'optogénétique est invasive, nécessitant l'insertion de fibres optiques qui transmettent les impulsions lumineuses au cerveau et, en outre, le degré de pénétration de la lumière dans le tissu cérébral dense est sévèrement limité. Les approches chimiogénétiques surmontent ces deux limitations, mais induisent généralement des réactions biochimiques qui activent les cellules nerveuses en plusieurs secondes.

La nouvelle technique, développée dans le laboratoire d’ Ali Güler de l’Université de Virginie à Charlottesville, et décrite dans une publication en ligne avancée dans la revue Nature Neuroscience , est non seulement non invasive, mais peut également activer les neurones de manière rapide et réversible.

Plusieurs études antérieures ont montré que les protéines de cellules nerveuses activées par la chaleur et la pression mécanique peuvent être génétiquement modifiées de manière à devenir sensibles aux ondes radio et aux champs magnétiques , en les liant à une protéine de stockage du fer appelée ferritine ou à des particules paramagnétiques inorganiques. . Ces méthodes représentent un progrès important - elles ont par exemple déjà été utilisées pour réguler les taux de glucose sanguin chez la souris - mais impliquent de nombreux composants qui doivent être introduits séparément.

La nouvelle technique s'appuie sur ces travaux antérieurs et repose sur une protéine appelée TRPV4, qui est sensible à la fois à la température et aux forces d'étirement . Ces stimuli ouvrent son pore central, permettant au courant électrique de traverser la membrane cellulaire. cela évoque des impulsions nerveuses qui se propagent dans la moelle épinière, puis dans le cerveau.

Güler et ses collègues ont estimé que le couple magnétique (ou les forces de rotation) pourraient activer le TRPV4 en ouvrant son pore central. Ils ont donc utilisé le génie génétique pour fusionner la protéine à la région paramagnétique de la ferritine, ainsi que de courtes séquences d'ADN qui signalent aux cellules le transport protéines à la membrane de la cellule nerveuse et les insérer dans celle-ci.

Lorsqu'elles ont introduit cette construction génétique dans des cellules rénales embryonnaires humaines se développant dans des boîtes de Pétri, les cellules ont synthétisé la protéine 'Magneto' et l'ont insérée dans leur membrane. L'application d'un champ magnétique a activé la protéine TRPV1 modifiée, comme en témoignent les augmentations transitoires de la concentration en ions calcium dans les cellules, qui ont été détectées au microscope à fluorescence.

Ensuite, les chercheurs ont inséré la séquence d’ADN Magneto dans le génome d’un virus, ainsi que le gène codant pour la protéine fluorescente verte et des séquences d’ADN régulatrices qui provoquent l’expression de la construction dans des types de neurones spécifiés. Ils ont ensuite injecté le virus dans le cerveau de souris, en ciblant le cortex entorhinal, et ont disséqué le cerveau des animaux pour identifier les cellules qui émettaient une fluorescence verte. À l'aide de microélectrodes, ils ont ensuite montré qu'appliquer un champ magnétique aux tranches de cerveau activait Magnéto afin que les cellules produisent des impulsions nerveuses.

Pour déterminer si Magneto peut être utilisé pour manipuler l'activité neuronale chez des animaux vivants, ils l'ont injecté à des larves de poisson zèbre, en ciblant les neurones du tronc et de la queue qui contrôlent normalement une réponse d'échappement. Ils ont ensuite placé les larves de poisson zèbre dans un aquarium spécialement conçu pour l'aimant, et ont découvert que l'exposition à un champ magnétique induisait des mouvements de bobinage similaires à ceux de la réaction de fuite. (Cette expérience a impliqué un total de neuf larves de poisson zèbre, et les analyses ultérieures ont révélé que chaque larve contenait environ 5 neurones exprimant Magneto.)

Dans une dernière expérience, les chercheurs ont injecté Magneto dans le striatum de souris à comportement libre, une structure cérébrale profonde contenant des neurones producteurs de dopamine impliqués dans la récompense et la motivation, puis ont placé les animaux dans un appareil divisé en sections magnétisées et non magnétisées. . Les souris exprimant Magneto passaient beaucoup plus de temps dans les zones magnétisées que les souris non sensibilisées, car l'activation de la protéine entraînait la libération de dopamine par les neurones striataux qui l'exprimaient, de sorte que les souris se trouvaient dans ces zones enrichissantes. Cela montre que Magneto peut contrôler à distance le déclenchement de neurones dans le cerveau et contrôler des comportements complexes.

Le neuroscientifique Steve Ramirez de l’Université de Harvard, qui utilise l’optogénétique pour manipuler les souvenirs dans le cerveau des souris, .

«Les tentatives précédentes [utilisant des aimants pour contrôler l'activité neuronale] nécessitaient plusieurs composants pour que le système fonctionne: injecter des particules magnétiques, injecter un virus qui exprime un canal thermosensible, [ou] fixer la tête de l'animal de manière à ce qu'une bobine puisse induire des changements dans le magnétisme », explique-t-il. "Le problème avec un système multi-composants est qu'il y a tellement de place pour chaque pièce à décomposer."

"Ce système est un virus unique et élégant qui peut être injecté n'importe où dans le cerveau, ce qui le rend techniquement plus facile et moins enclin à déplacer des cloches et des sifflets," ajoute-t-il, "et leur équipement comportemental a été intelligemment conçu pour contenir des aimants. le cas échéant, afin que les animaux puissent se déplacer librement. "

La «magnétogénétique» est donc un ajout important à la boîte à outils des neuroscientifiques, qui sera sans aucun doute développée plus avant, et fournira aux chercheurs de nouvelles méthodes d’étude du développement et du fonctionnement du cerveau.

Référence

Wheeler, MA et al . (2016). Contrôle magnétique du système nerveux ciblé génétiquement. Nat. Neurosci ., DOI: 10.1038 / nn.4265https://www.theguardian.com/science/neurophilosophy//dec/22/researchers-read-and-write-brain-activity-with-light