Cela pourrait bientôt changer. Comme le rapportent des chercheurs de Stanford le 12 décembre dans Light : Science and Applications, ils ont mis au point un moyen de regarder les cellules du cerveau envoyer des signaux électriques en utilisant uniquement la lumière, quelques lentilles et autres éléments optiques, et une caméra vidéo rapide.

La clé de cette nouvelle approche, a déclaré Daniel Palanker, professeur d’ophtalmologie et auteur principal du nouvel article, est que lorsque les neurones tirent des signaux électriques, ils changent subtilement de forme. Ce changement à l’échelle du nanomètre peut être mesuré à l’aide de techniques optiques.

Jusqu’à présent, Palanker, Tong Ling, un chercheur postdoctoral et l’auteur principal du nouvel article, et leurs collègues ont mesuré ces minuscules changements de forme dans des réseaux de cellules semblables à des neurones dans une boîte de laboratoire. Ils adaptent maintenant leurs méthodes pour étudier les neurones dans le cerveau d’animaux vivants. Si cela fonctionne, cela pourrait conduire à une façon plus naturelle d’étudier au moins certaines parties du cerveau.

« C’est tout naturel, pas de marqueurs chimiques, pas d’électrodes, rien. Ce sont juste les cellules telles qu’elles sont », a déclaré Palanker, qui est membre de Stanford Bio-X et de l’Institut des neurosciences Wu Tsai.

La forme des choses

Il se passe beaucoup de choses lorsque les neurones se déclenchent. Il y a bien sûr le signal électrique lui-même, qui peut être capté par des électrodes. Il y a aussi les changements chimiques, qui peuvent être détectés à l’aide de molécules fluorescentes qui s’allument lorsqu’un neurone tire.

Et puis il y a la forme. Les chercheurs ont réalisé pour la première fois que les neurones changent de forme en étudiant les neurones des écrevisses il y a plus de 40 ans. En 1977, une équipe de chercheurs de Stanford et de l’UCSF a fait rebondir un laser sur un neurone d’écrevisse pendant qu’il se déclenchait et a montré que sa largeur changeait à peu près de l’épaisseur d’un brin d’ADN humain.

Pour autant, la traduction de ces résultats en un moyen d’observer optiquement les neurones qui se déclenchent dans le cerveau des humains ou d’autres mammifères a rencontré un certain nombre de difficultés. D’une part, les neurones des écrevisses sont 10 à 100 fois plus épais que ceux des mammifères. D’autre part, la technique utilisée par le groupe original — une forme simple de ce qu’on appelle l’interférométrie — ne peut mesurer les changements que dans un seul point à la fois, ce qui signifie qu’elle ne pourrait être utilisée que pour étudier une petite zone d’une cellule à la fois, plutôt que d’imager la cellule entière ou même un réseau de neurones communiquant entre eux dans le cerveau.

Ling, Palanker et l’équipe ont raisonné qu’ils pourraient utiliser la technique pour mesurer à quel point les neurones changent de forme quand ils tirent. Pour tester cette idée, ils ont cultivé un réseau de cellules ressemblant à des neurones sur une plaque de verre et ont utilisé une caméra vidéo pour enregistrer ce qui se passait lorsque les cellules – en fait des cellules dérivées de reins modifiées pour se comporter davantage comme des neurones – se déclenchaient. En synchronisant la vidéo avec les enregistrements électriques et en calculant la moyenne de plusieurs milliers d’exemples, l’équipe a créé un modèle qui décrit le mouvement des cellules lorsqu’elles tirent : en quatre millisecondes environ, l’épaisseur de la cellule augmente d’environ trois nanomètres, soit un changement d’environ un centième de 1 %. Une fois qu’elle a atteint son épaisseur maximale, la cellule a besoin d’environ un autre dixième de seconde pour se rétracter.

Voir les cellules du cerveau au travail

Dans la phase initiale de l’expérience, l’équipe a eu besoin d’électrodes pour comprendre quand les cellules ont tiré. Dans la deuxième phase, les membres de l’équipe ont montré qu’ils pouvaient utiliser leur modèle pour rechercher et identifier le tir des cellules sans compter sur les électrodes.

Pour autant, il y a un certain nombre d’étapes à franchir avant que l’équipe puisse faire fonctionner la méthode dans de vrais cerveaux. Tout d’abord, l’équipe devra faire fonctionner la technique dans de véritables neurones, par opposition aux cellules ressemblant à des neurones qu’ils ont examinées jusqu’à présent. « Les neurones sont plus délicats », a déclaré Palanker, mais l’équipe a déjà commencé à faire des expériences avec eux.

Un deuxième défi est que les neurones dans les cerveaux réels ne sont pas disposés en une seule couche sur une plaque de verre, comme l’étaient les cellules étudiées par le laboratoire de Palanker. En particulier, l’équipe ne peut pas envoyer des lasers à travers le cerveau et s’attendre à voir quelque chose sortir de l’autre côté, et encore moins des données utiles. Heureusement, selon Palanker, les techniques qu’ils ont utilisées avec la lumière transmise fonctionnent de manière similaire avec la lumière réfléchie, et la plupart des neurones reflètent suffisamment de lumière pour que l’approche devrait en théorie fonctionner.

Il y a une limitation que l’équipe ne pourra probablement pas contourner — puisque la lumière ne pénètre pas profondément dans le cerveau, la nouvelle méthode ne pourra sonder que les couches externes. Néanmoins, pour les projets qui ne doivent étudier que ces couches, la technique pourrait offrir aux chercheurs un moyen plus propre et plus simple d’étudier le cerveau.

« Habituellement, les méthodes invasives affectent ce que font les cellules, ce qui rend les mesures moins fiables », a déclaré Palanker. « Ici, vous ne faites rien aux cellules. Vous vous contentez de les regarder bouger. »