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Des cellules spéciales du cerveau et du système nerveux, appelées neurones, travaillent ensemble pour produire toutes nos pensées et tous nos comportements. Afin de comprendre comment le cerveau contrôle le comportement, nous devons comprendre comment les neurones communiquent. Le cerveau humain est très complexe, mais de nombreuses propriétés du cerveau humain sont similaires à celles d’autres animaux. Cela signifie que les neuroscientifiques (scientifiques qui étudient le cerveau et le système nerveux) peuvent utiliser des animaux simples pour découvrir de nouvelles choses sur le cerveau humain. C’est ainsi que la communication entre les neurones a été découverte.

Comment les neurones communiquent-ils entre eux ?

Les neurones communiquent en utilisant une combinaison d’activité électrique et chimique. Les premiers scientifiques ont découvert cela par des observations et des expériences astucieuses. À la fin des années 1700, un scientifique italien nommé Luigi Galvani se promenait dans un marché pendant un orage. Il a vu des cuisses de grenouille à vendre et a remarqué qu’elles bougeaient. Il a émis l’hypothèse que l’électricité de l’orage activait les nerfs des cuisses de grenouille. Il a décidé de tester cette hypothèse dans son laboratoire. Galvani a utilisé un objet qui permet au courant électrique de circuler, appelé électrode, pour faire passer un courant électrique sur le nerf de la grenouille. La jambe de la grenouille s’est alors mise à trembler. Il s’agit de la première étude de stimulation électrique en neurosciences. À partir de cette découverte, Galvani a conclu que les neurones pouvaient utiliser des signaux électriques pour transmettre des informations. C’est important de le savoir ! Maintenant que nous savons comment les neurones communiquent entre eux, nous pouvons commencer à parler leur langage. Nous pouvons utiliser des signaux électriques pour activer certains neurones et voir ce qui se passe ensuite. C’est exactement ce que les scientifiques ont commencé à faire.

Ce n’est que dans les années 1930 que la stimulation électrique a été utilisée pour cartographier le cerveau humain. Le Dr Wilder Penfield, un chirurgien du cerveau, travaillait avec des patients atteints d’épilepsie. L’épilepsie provoque des signaux électriques anormaux dans le cerveau et peut être très dangereuse. Dans les cas extrêmes, une opération du cerveau est nécessaire pour mettre fin à l’épilepsie. Le Dr Penfield voulait cartographier le cerveau de ses patients pour déterminer quelles parties du cerveau étaient les plus importantes. Cela l’aiderait à savoir quelles zones du cerveau il ne devait pas opérer. Pour cartographier le cerveau, il a utilisé la stimulation électrique, tout comme Galvani l’avait fait. Il a descendu une petite électrode dans les zones motrices (mouvement) du cerveau. Il envoyait ensuite un petit signal électrique et observait les mouvements du patient. La stimulation d’une zone du cerveau a provoqué une contraction du doigt, tandis que la stimulation d’une zone légèrement différente du cerveau a provoqué une contraction du pied. Cela a conduit le Dr Penfield à réaliser que certaines zones du cerveau contrôlent des zones très spécifiques du corps. Le Dr Penfield a remarqué que l’emplacement des zones motrices du cerveau était similaire chez tous ses patients. Il a créé des diagrammes de ses résultats, ce qui nous a donné la première carte fonctionnelle des zones motrices du cerveau humain. Les cartes fonctionnelles du Dr Penfield, connues sous le nom d’homonculus, sont encore utilisées aujourd’hui.

Depuis les années 1930, les expériences de stimulation cérébrale ont changé. Les études de stimulation électrique présentent certains inconvénients. Un problème est que le cerveau pourrait être endommagé lorsqu’une électrode est insérée. Un autre problème est que la stimulation électrique active les tissus d’une manière très générale et non sélective (figure 1A). C’est comme utiliser un bulldozer quand une pelle fait l’affaire : le bulldozer est efficace, mais il n’est pas très précis ni prudent. En 2005, une nouvelle technique a été créée pour permettre une stimulation cérébrale plus précise. Cette technique est appelée optogénétique.

Qu’est-ce que l’optogénétique ?

L’optogénétique est une méthode permettant de contrôler l’activité d’un neurone en utilisant la lumière et le génie génétique. Le génie génétique est un processus par lequel les scientifiques modifient les informations du code génétique (les plans) d’un être vivant. Dans les études optogénétiques, les scientifiques prennent le code génétique des neurones qu’ils veulent étudier et y ajoutent un nouveau morceau de code. Ce nouveau code permet à ces neurones de fabriquer des protéines spéciales, appelées opsines, qui réagissent à la lumière. Les opsines existent naturellement et ont été découvertes pour la première fois dans les algues, qui utilisent ces protéines pour se déplacer vers la lumière. Mais comment l’opsine pénètre-t-elle dans le neurone ? Cela nécessite quelques techniques de laboratoire spécialisées. Prenons l’exemple d’une souris. Pour faire entrer l’opsine dans les neurones d’une souris, le code génétique de l’opsine doit être soigneusement inséré dans le code génétique des neurones de la souris. Si cela est fait correctement, tous les neurones de la souris devraient avoir l’opsine. Comme nous connaissons bien le code génétique de la souris, nous pouvons choisir où placer l’opsine. Nous pouvons insérer le code dans un type spécifique de neurone, ou dans un endroit spécifique du cerveau. Nous pouvons choisir exactement les neurones que nous voulons contrôler.

En neurosciences, l’opsine la plus populaire est appelée channelrhodopsin-2 (ChR2). Cette opsine provient de l’algue verte Chlamydomonas reinhardtii . La ChR2 est activée par la lumière bleue, ce qui signifie qu’elle ne fonctionne que lorsque la lumière bleue l’éclaire et qu’elle ne réagit pas aux autres types de lumière. Lorsque le ChR2 est inséré dans des neurones, cela signifie que les neurones peuvent être activés par la lumière bleue. Les neurones dotés du ChR2 ne seront allumés que tant que la lumière bleue les éclairera. Cela nous permet de contrôler précisément le moment de l’activité des neurones. Normalement, les neurones ne sont pas affectés par la lumière bleue (figure 1B), donc seuls les neurones qui ont ChR2 seront affectés par la lumière bleue (figure 1C).

La stimulation optogénétique est plus spécifique que la stimulation électrique

Tout comme il y a de nombreuses routes dans une ville, il y a de nombreuses voies dans le cerveau. Si nous voulons savoir comment le point A est relié au point B dans une ville, nous pouvons simplement regarder toutes les routes et dessiner une carte routière. Il s’agit d’un type de carte structurelle : elle nous aide à comprendre comment les routes sont disposées. Mais comme il existe généralement de nombreux moyens de se rendre du point A au point B, comment savoir quel est le chemin le plus populaire ? Pour le savoir, nous devons observer les voitures qui circulent sur les routes pour aller du point A au point B. Il s’agit d’une carte fonctionnelle : elle nous aide à comprendre comment les routes sont utilisées. Dans le cerveau, les neurones sont comme les routes, et les signaux qui circulent de neurone en neurone sont comme les voitures. Normalement, le cerveau est très actif et il y a beaucoup de voitures sur les routes à tout moment. Sur toute la carte du cerveau, les voitures commencent et arrêtent leur voyage à différents moments. Comme il y a beaucoup d’activité, nous ne pouvons pas voir de modèles ou comprendre comment les choses sont liées. Pour comprendre les modèles, il serait utile de pouvoir contrôler quand et où les voitures commencent leur voyage.

Imaginez qu’il y a des voitures dans chaque allée de notre ville. Ces voitures attendent un signal pour sortir sur les routes (figure 2A). Dans une étude de stimulation électrique, nous pouvons contrôler le moment où les voitures commencent à circuler, mais nous n’avons pas beaucoup de contrôle sur les voitures qui vont sortir sur les routes. Avec la stimulation électrique, la stimulation est générale. Toutes les voitures proches de la stimulation seront envoyées sur la route. Cela signifie qu’il y a beaucoup d’activité à suivre (figure 2B). Dans une étude de stimulation optogénétique, nous pouvons choisir exactement quelles voitures nous voulons envoyer sur la route et quand. Nous pouvons choisir un groupe de voitures en fonction de leur emplacement (par exemple, nous pouvons choisir de faire sortir toutes les voitures d’un quartier sur les routes), ou nous pouvons choisir en fonction du type de voiture (par exemple, nous pouvons choisir de faire sortir uniquement les camions sur les routes) (figure 2C). Il s’agit d’une stimulation sélective. Le mouvement des voitures est beaucoup plus facile à suivre dans ce cas. Cela nous en dit plus sur la façon dont des voitures spécifiques fonctionnent sur les routes.

Comment l’optogénétique est utilisée pour cartographier le cerveau?

L’optogénétique peut être utilisée de plusieurs façons différentes pour cartographier le cerveau de la souris (revue dans Ref. ).

De même que nous pouvons faire un zoom arrière sur la carte routière d’une ville pour voir les principales autoroutes (figure 3A), ou un zoom avant sur la carte pour voir un seul pâté de maisons (figure 3B), nous pouvons également faire un zoom avant ou arrière sur le cerveau. Nous pouvons faire un zoom arrière sur le cerveau pour voir comment de grandes zones du cerveau sont connectées et fonctionnent ensemble (figure 3C). Cette vue d’ensemble est intéressante si l’on s’intéresse à la façon dont les informations circulent sur de longues distances dans le cerveau ou aux zones du cerveau qui sont connectées les unes aux autres. Par exemple, les grandes villes ont tendance à être traversées par un plus grand nombre de routes et d’autoroutes, car de nombreuses personnes s’y rendent et en reviennent. En utilisant l’optogénétique pour stimuler une zone du cerveau et enregistrer les réponses dans d’autres zones du cerveau, nous pouvons déterminer quelles zones du cerveau sont les plus fréquentées. C’est important pour comprendre comment certains comportements sont produits, mais cela pourrait aussi être important pour comprendre ce qui se passe si le cerveau est endommagé dans une zone particulière (par exemple, s’il y a un accident dans la quatrième rue, comment le trafic sera-t-il réacheminé ?).

Nous pouvons également zoomer sur le cerveau pour voir comment les neurones individuels se connectent (figure 3D). Grâce à l’optogénétique, nous pouvons étudier comment les neurones fonctionnent ensemble, en utilisant la lumière pour activer certains neurones et enregistrer la réponse des autres neurones. Cette vue détaillée est utile pour comprendre comment et quand les neurones communiquent entre eux. Cela pourrait être très utile pour étudier les maladies qui perturbent la communication entre les neurones dans une zone particulière, ce qui se produit lorsqu’une personne a un accident vasculaire cérébral (lisez la section suivante pour en savoir plus).

La cartographie optogénétique crée de nombreuses possibilités pour étudier le fonctionnement du cerveau. Au fur et à mesure que les techniques optogénétiques s’améliorent et que d’autres opsines sont créées ou découvertes, il est possible d’avoir encore plus de contrôle dans les études de stimulation du cerveau. Peut-être pourrons-nous utiliser plusieurs opsines pour contrôler plusieurs types de neurones en même temps. Comme chaque opsine répond à un type de lumière spécifique, nous pourrions utiliser des lumières différentes pour contrôler différents types de neurones. En fait, certaines opsines agissent pour éteindre les neurones lorsque le bon type de lumière est présent.

Dans notre exemple de cartographie des voitures dans la ville, nous pourrions utiliser plusieurs signaux pour contrôler le mouvement des voitures. Nous pourrions avoir un ensemble de voitures qui sortent sur la route lorsque nous donnons un signal (disons, une lumière bleue) et un autre ensemble de voitures qui sortent sur la route lorsque nous donnons un signal différent (disons, une lumière rouge). En utilisant cette configuration, nous pourrions commencer à faire des expériences avec ces deux groupes de voitures : que se passe-t-il si les voitures au feu rouge partent en premier ? Que se passe-t-il si les voitures au feu bleu passent en premier ? Que se passe-t-il si elles passent en même temps ? Cela nous aiderait à comprendre comment ces différents ensembles de voitures interagissent entre eux.

Alors, comment un scientifique choisit-il la technique ou l’opsine à utiliser ? La réponse dépendra de la question que le scientifique veut explorer. La section suivante mettra en évidence certaines des questions qui ont été étudiées en utilisant l’optogénétique.

Découvertes récentes utilisant l’optogénétique

Les scientifiques du cerveau ont commencé à utiliser l’optogénétique en 2005 . Depuis lors, les méthodes optogénétiques ont été utilisées pour étudier le cerveau de nombreux points de vue différents – de la communication d’un groupe de neurones individuels, aux interactions entre les grandes régions du cerveau (examiné dans la Réf. ). De nombreuses autres études ont utilisé des méthodes optogénétiques pour étudier différents sujets et questions. Parmi les questions récentes, citons : où se trouve la peur dans le cerveau ? Comment le risque et la récompense sont-ils calculés ? Comment les souvenirs sont-ils stockés ? (voir Réf. ). Nous avons utilisé l’optogénétique chez la souris pour étudier comment le cerveau change après un accident vasculaire cérébral. Un accident vasculaire cérébral (AVC) se produit lorsque l’irrigation sanguine d’une zone du cerveau est interrompue ou réduite. C’est dangereux car l’apport sanguin transporte l’oxygène et d’autres nutriments importants dont le cerveau a besoin pour survivre. Si une zone du cerveau reste trop longtemps sans oxygène, les neurones de cette zone finissent par mourir. Cela entraîne des problèmes pour cette zone particulière du cerveau et pour toutes les autres zones du cerveau qui y sont connectées. Dans notre étude, nous avons voulu examiner comment un petit accident vasculaire cérébral dans une zone du cerveau affectait de nombreuses autres zones du cerveau. Pour commencer, nous avons utilisé le ChR2 pour nous aider à dessiner une carte fonctionnelle du cerveau de la souris. Nous avons comparé les cartes entre les animaux ayant subi un AVC et ceux qui n’en ont pas subi. Nous avons constaté que les cartes changeaient avec le temps. Une semaine après l’attaque, l’activité cérébrale globale était très faible. Étonnamment, l’activité était faible même dans une zone éloignée de l’AVC. Huit semaines après l’AVC, l’activité cérébrale globale était plus élevée, mais n’était pas revenue à la normale. Ces données nous ont permis de conclure que même un petit accident vasculaire cérébral peut avoir un effet important sur le fonctionnement du cerveau dans son ensemble. Comprendre ce qui arrive au cerveau après un AVC pourrait aider les scientifiques à créer de meilleurs traitements pour les patients victimes d’un AVC. Ce n’est là qu’un exemple de l’utilité de l’optogénétique pour étudier les questions relatives au cerveau. Il est probable que les scientifiques du cerveau continueront à utiliser l’optogénétique pendant de nombreuses années.

Glossaire

Neurones : Cellules spéciales du cerveau qui communiquent entre elles en envoyant et en recevant des signaux électriques et chimiques. Il y a des milliards de neurones dans le cerveau, et les signaux envoyés entre ces cellules sont à la base de toutes nos pensées et de tous nos comportements. Les neurones sont parfois appelés cellules nerveuses.

Étude de stimulation électrique : Technique permettant d’activer les neurones ou les voies neuronales en insérant une petite électrode et en envoyant un courant électrique dans le tissu. Cela provoque des changements dans l’activité électrique du tissu.

Neuroscience : Une branche de la science qui étudie le cerveau et le système nerveux.

Optogénétique : Technique qui utilise une combinaison de lumière et de génie génétique pour contrôler l’activité d’une cellule.

Génie génétique : Processus consistant à modifier les informations du code génétique (les plans) d’un être vivant en ajoutant ou en supprimant des informations. Le génie génétique est parfois appelé modification génétique.

Opsines : Protéines qui répondent à un type spécifique de lumière (par exemple, ChR2 ne répond qu’à la lumière bleue). En neurosciences, ces protéines sont utilisées pour contrôler l’activité des neurones.

Channelrhod-Opsin-2 (ChR2) : Une opsine qui répond spécifiquement à la lumière bleue. Lorsque le ChR2 est inséré dans des neurones, la lumière bleue peut être utilisée pour allumer ces neurones. La ChR2 est actuellement l’opsine la plus populaire pour les études optogénétiques.

Avènement cérébral : Normalement, le sang transporte l’oxygène et d’autres nutriments importants vers le cerveau. Lorsque l’apport sanguin est perturbé ou réduit, le cerveau ne reçoit pas ce dont il a besoin pour fonctionner correctement. C’est ce qu’on appelle un accident vasculaire cérébral, et cela peut causer des problèmes et des dysfonctionnements durables.

Déclaration de conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de toute relation commerciale ou financière qui pourrait être interprétée comme un conflit d’intérêts potentiel.

Article de source originale

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