Une façon révolutionnaire de jeter un coup d’œil sur les neurones situés à l’intérieur du cerveau

Le MIT crée une nouvelle méthode d’imagerie cérébrale non invasive intracellulaire profonde

Source: café / pixabay

Un obstacle important dans le domaine des neurosciences est la possibilité pour les chercheurs de mener des études sur un cerveau vivant fonctionnant sans intervention chirurgicale ni implantation de sondes. Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont annoncé aujourd’hui une nouvelle méthode permettant de surveiller de manière non invasive les signaux de neurones au cœur d’un cerveau vivant et ont publié leurs résultats scientifiques dans Nature Communications.

Comment les neuroscientifiques observent-ils les neurones?

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Les scientifiques modernes étudient les neurones en utilisant l’imagerie du calcium depuis de nombreuses années. Le calcium est un bon indicateur car les niveaux de concentration de calcium dans les neurones sont significativement différents au repos et au repos. Le niveau de concentration de calcium intracellulaire dans les neurones de mammifères est d’environ 50-100 nanomolaires au repos et de 10 à 100 fois supérieur lorsqu’il est excité.

Les neuroscientifiques décrivent fréquemment l’activité des neurones pour la recherche non invasive dans une cuvette de laboratoire avec des cellules en culture. Bien qu’il soit possible d’observer l’activité à des profondeurs faibles d’environ un millimètre dans un tissu intact, aller plus loin nécessite des techniques plus invasives pouvant impliquer une intervention chirurgicale pour installer des sondes.

Qu’est-ce qui fait de cette découverte une percée?

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Alan Jasanoff, professeur au MIT et auteur principal de l’article, décrit dans leur recherche la «première détection par IRM de la signalisation du calcium intracellulaire», qui permet de mesurer l’activité au fond d’un cerveau vivant.

Les autres membres de la recherche comprennent Ali Barandov et Benjamin B. Bartelle (auteurs principaux), ainsi que les contributeurs Catherine G. Williamson, Emily S. Loucks et Stephen J. Lippard.

L’équipe a créé une manière originale d’imaginer l’activité des neurones chez les animaux vivants de manière non invasive et profonde. Le facteur clé de différenciation est que ce capteur basé sur l’imagerie par résonance magnétique (IRM) non invasive fonctionne de manière intracellulaire, à l’intérieur des neurones, par opposition à l’extérieur de la cellule. Les neuroscientifiques disposent maintenant d’une méthode leur permettant non seulement d’étudier les neurones à grande échelle, mais aussi profondément dans le cerveau d’animaux vivants, sans intervention chirurgicale ni sonde invasive.

Comment l’équipe du MIT l’a-t-elle fait?

C’est ici que la chimie, la physique et une compréhension de la technologie de l’IRM magnétique jouent un rôle essentiel dans la découverte.

L’imagerie par résonance magnétique fonctionne en manipulant les protons (particules subatomiques chargées positivement) dans le corps. Le corps humain est principalement constitué d’eau, dont la formule chimique est H20 (deux atomes d’hydrogène liés à un atome d’oxygène). Le corps de l’adulte moyen est composé d’environ 60 à 70% d’eau et 75% chez les enfants. Lorsque le corps humain est placé dans un puissant champ magnétique, les protons situés au centre de chacun des atomes d’hydrogène du corps s’alignent dans la même direction.

De courtes rafales d’ondes radio sont délivrées aux zones cibles du corps, perturbant ainsi l’alignement des protons. Une fois les ondes radio stoppées, les protons qui réalignent émettent des signaux radio contenant des informations sur la localisation du proton et le type de tissu – les protons de divers types de tissus se réalignent à des vitesses variables avec des signaux distincts. Le proton signale de l’image.

Améliorer la qualité de l’image nécessite un contraste plus important. Les agents de contraste chimiques des éléments métalliques sont utilisés avec un chélateur pour améliorer les images IRM. Les chélateurs servent de liant pour empêcher le métal de s’installer dans le corps humain par mesure de sécurité.

La solution des chercheurs du MIT réside dans le fait qu’ils ont créé un indicateur capable de pénétrer dans les parois cellulaires d’un neurone et de générer un signal pouvant être capté par l’imagerie par résonance magnétique basée sur la concentration de calcium dans les cellules.

Les chercheurs du MIT ont créé un capteur de calcium perméable aux cellules pour l’IRM moléculaire dépendant du calcium en utilisant une combinaison d’un agent de contraste à base de manganèse (un métal) avec un composé organique et d’un chélateur de calcium pouvant former des liaisons avec un ion métallique.

Lorsque les neurones sont au repos et que la concentration de calcium à l’intérieur est relativement faible, le chélateur de calcium formera des liaisons chimiques avec le manganèse.

Mais lorsque le neurone est excité et que la concentration en calcium à l’intérieur de la cellule est nettement supérieure, le lien du chélateur du calcium avec le manganèse se libère pour former des liens avec le calcium.

Une augmentation de manganèse à l’intérieur de la cellule augmentera le contraste et donc la luminosité de l’image IRM. Les capteurs de l’équipe sont capables d’identifier et de surveiller ces changements.

Pourquoi cette découverte compte

Les chercheurs ont créé un outil utile pour permettre des études neuroscientifiques de précision. Au lieu de suivre les modifications du flux sanguin cérébral dans le cerveau grâce à l’IRM fonctionnelle (IRMf), les scientifiques peuvent désormais mesurer la signalisation qui se produit à l’intérieur des cellules, ce qui donne des ordres de grandeur plus précis.

Les mécanismes exacts du fonctionnement du cerveau restent en grande partie une boîte noire. Il est vital d’avoir une méthode pour examiner le fonctionnement interne du cerveau.

Les neurosciences constituent un domaine critique de la recherche scientifique qui touche de nombreuses autres disciplines. Il s’agit d’une branche multidisciplinaire de la biologie intégrant la psychologie, la pharmacologie biochimique, la cytologie, la biologie moléculaire, la modélisation mathématique, la biologie du développement et l’anatomie.

Les découvertes en neurosciences conduisent à des progrès dans les domaines de la médecine, de la biotechnologie, des produits pharmaceutiques et même de la technologie. Par exemple, l’explosion récente de l’intelligence artificielle (IA) est due en grande partie à l’apprentissage en profondeur, méthode d’apprentissage automatique composée d’éléments structurels tels que des couches de réseaux neuronaux et des nœuds (analogues aux neurones) quelque peu inspirés par le cerveau biologique.

La démographie du monde évolue et met davantage l’accent sur les neurosciences – l’étude du cerveau et du système nerveux. D’ici 2050, les personnes âgées de 60 ans et plus représenteront près de 25% ou plus de la population dans toutes les régions du monde, à l’exception de l’Afrique, selon les estimations des Nations Unies.

Les maladies et les troubles liés à l’âge constituent un problème croissant à mesure que l’âge moyen de la population mondiale augmente. Les problèmes de santé mentale communs aux personnes âgées comprennent la démence, la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson, les convulsions, le trouble bipolaire, la schizophrénie, la dépression, l’anxiété, la SLA (maladie de Lou Gehrig) et les troubles cognitifs. Cela souligne le besoin accru d’études neuroscientifiques pour s’attaquer à ce problème croissant.

Il y a beaucoup de questions sans réponse concernant le cerveau. Que se passe-t-il dans notre cerveau lorsque nous dormons, rêvons ou subissons une anesthésie générale? Quelle est la base neurale de la perception? Comment le cerveau forme-t-il une seule expérience consciente à partir de diverses entrées sensorielles distribuées? Quelle est la nature même de la conscience elle-même? Comprendre le fonctionnement interne des neurones dans un cerveau vivant peut conduire à de futures solutions qui améliorent la condition humaine et aident à répondre à certains des plus grands mystères qui rendent perplexe l’humanité.

Et c’est ainsi que le fait de pouvoir examiner en profondeur l’activité intracellulaire des neurones dans le cerveau peut conduire à des avancées scientifiques qui ont un impact profond sur le futur de l’humanité.

Copyright © 2019 Cami Rosso Tous droits réservés.

Références

Barandov, Ali, Bartelle, Benjamin B., Williamson, Catherine G., Loucks, Emily S., Lippard, Stephen J., Jasanoff, Alan. «Détection des ions calcium intracellulaires à l’aide d’un agent de contraste pour IRM à base de manganèse.» Nature Communications. 22 février 2019.

Trafton, Anne (22 février 2019). «Un nouveau capteur IRM peut imager l’activité au plus profond du cerveau.» Récupérée du 22/02/2010 à l’adresse http://news.mit.edu/2019/mri-calcium-sensor-image-brain-0222.

Grienberger, Christine, Konnerth, Arthur. “Imagerie du calcium dans les neurones.” Neuron . 8 mars 2012.

NHS. «Analyse IRM – Vue d’ensemble». Extrait 22/02/2017 de https://www.nhs.uk/conditions/mri-scan/

Richter, Brian. «Marcher dans l’eau. H20 et le corps humain. ” National Geographic. 6 mars 2012.

NIH (2018, 9 février). «L’agent de contraste alternatif pour IRM donne de bons résultats dans une étude menée par le NIH.» -étude

Les Nations Unies. “Aging.” Extrait le 22/02/2017 de http://www.un.org/en/sections/issues-depth/ageing/