Sommaire: Les chercheurs ont développé un nouveau capteur qui permet aux scientifiques d’imager le cerveau sans manquer de signaux pendant une période prolongée et plus profondément dans le cerveau que ne le permet la technologie actuelle.
La source: Collège de médecine Baylor
Pendant que vous lisez ces mots, certaines régions de votre cerveau affichent une vague d’activité électrique rapide en millisecondes. Visualiser et mesurer cette activité électrique est crucial pour comprendre comment le cerveau nous permet de voir, de bouger, de nous comporter ou de lire ces mots.
Cependant, les limitations technologiques retardent les neuroscientifiques d’atteindre leur objectif d’améliorer la compréhension du fonctionnement du cerveau.
Des scientifiques du Baylor College of Medicine et des institutions collaboratrices rapportent dans la revue Cellule un nouveau capteur qui permet aux neuroscientifiques d’imager l’activité cérébrale sans manquer de signaux, pendant une durée prolongée et plus profondément dans le cerveau qu’auparavant.
Ces travaux ouvrent la voie à de nouvelles découvertes sur le fonctionnement du cerveau chez les animaux éveillés et actifs, à la fois ceux qui sont en bonne santé et ceux qui souffrent de troubles neurologiques.
Le Saint Graal des neurosciences
“Non seulement l’activité électrique du cerveau est très rapide, mais elle implique également une variété de types de cellules qui ont des rôles différents dans les calculs cérébraux”, a déclaré l’auteur correspondant, le Dr François St-Pierre, professeur adjoint de neurosciences et boursier McNair à Baylor. Il est également professeur adjoint adjoint de sciences électriques et informatiques à l’Université Rice.
«Il a été difficile de comprendre comment observer de manière non invasive l’activité électrique rapide à la milliseconde dans des neurones individuels de types de cellules spécifiques chez des animaux exerçant une activité. Pouvoir faire cela a été le Saint Graal de la neuroimagerie.
Il existe des technologies pour mesurer l’activité électrique dans le cerveau. “Par exemple, les électrodes peuvent enregistrer une activité très rapide, mais elles ne peuvent pas dire quel type de cellules elles écoutent”, a déclaré St-Pierre.
Les chercheurs utilisent également des protéines fluorescentes qui réagissent aux changements de calcium associés à l’activité électrique. Ces changements de fluorescence peuvent être suivis à l’aide d’un microscope à 2 photons.
« Ce type de capteur est excellent pour déterminer quels neurones sont actifs et lesquels ne le sont pas. Cependant, ils sont très lents. Ils mesurent indirectement les changements de tension, manquant ainsi de nombreux signaux clés.
L’objectif de St-Pierre et de ses collègues était de combiner le meilleur de ces méthodologies pour développer un capteur capable de surveiller l’activité dans des types de cellules spécifiques tout en capturant des signaux cérébraux rapides. “Nous y sommes parvenus avec une nouvelle génération de protéines fluorescentes modifiées appelées indicateurs de tension génétiquement codés ou GEVI”, a déclaré St-Pierre.
Les co-premiers auteurs – Zhuohe (Harry) Liu, Xiaoyu (Helen) Lu et Yueyang (Eric) Gou – ont créé et utilisé un système automatisé qui a fourni un moyen meilleur et plus efficace de concevoir et d’optimiser les indicateurs de tension fluorescents pour la microscopie à deux photons, la méthode standard pour l’imagerie non invasive des tissus profonds en neurosciences.
“En utilisant ce système, nous avons testé des milliers de variantes d’indicateurs et identifié JEDI-2P, qui est plus rapide, plus lumineux et plus sensible et photostable que ses prédécesseurs”, a déclaré Liu, un étudiant diplômé en génie électrique et informatique à Rice qui travaille dans le Laboratoire Saint-Pierre.
«Avec JEDI-2P, nous avons résolu trois inconvénients importants des méthodes précédentes», a déclaré Lu, un étudiant diplômé du programme Biologie des systèmes, synthétique et physique (SSPB) à Rice qui travaille au laboratoire de St-Pierre.
« Tout d’abord, cela nous permet de suivre l’activité électrique d’un animal vivant pendant 40 minutes au lieu de quelques minutes au maximum. Deuxièmement, nous pouvons imager des pics d’activité électrique avec une résolution temporelle d’environ une milliseconde, et troisièmement, nous pouvons imager des cellules individuelles plus profondément dans le cerveau parce que notre indicateur est lumineux et produit de grands signaux en réponse à l’activité cérébrale.
Jusqu’à présent, les chercheurs se limitaient à observer la surface du cerveau, “mais la majeure partie de l’activité cérébrale ne se limite évidemment pas aux 50 premiers microns sous la surface du cerveau”, a déclaré St-Pierre. «Notre méthodologie permet aux chercheurs de surveiller de manière non invasive les signaux de tension dans les couches profondes du cortex pour la première fois», a déclaré Gou, un ancien membre du laboratoire St-Pierre qui est maintenant dans le programme d’études supérieures en neurosciences à Baylor.
Les co-auteurs de Baylor, le Dr Andreas Tolias, professeur de neurosciences, et le Dr Jacob Reimer, professeur adjoint de neurosciences, ont démontré que JEDI-2P peut signaler l’activité électrique chez les souris à l’aide d’équipements d’imagerie disponibles dans de nombreux laboratoires de neuroimagerie.
Le co-auteur Stéphane Dieudonné (École Normale Supérieure, France) a montré une détection profonde et ultrarapide des signaux électriques cérébraux chez la souris en surveillant la fluorescence JEDI-2P avec une méthode de microscopie rapide appelée ULoVE.
Les laboratoires des co-auteurs Drs. Katrin Franke (chef de groupe, Université de Tübingen, Allemagne) et Tom Clandinin (Université de Stanford) ont montré comment JEDI-2P pouvait également être appliqué à l’image de l’activité électrique dans la rétine et chez les mouches, respectivement.
Pris ensemble, cet effort de collaboration internationale a démontré que la nouvelle technologie pouvait être facilement déployée par des groupes de neurosciences travaillant sur différents modèles animaux et utilisant diverses techniques de microscopie.
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« En 2014, j’ai fait une présentation à la réunion de la Society of Neuroscience sur la première version de cet indicateur et les gens roulaient des yeux. Ils pensaient que l’imagerie de tension rapide avec des indicateurs fluorescents ne serait jamais possible chez les animaux éveillés en raison de l’énorme défi technique de l’imagerie de l’activité à l’échelle de la milliseconde », a déclaré St-Pierre. « Huit ans plus tard, nous avons atteint cet objectif. Et il y a encore de la place pour faire évoluer l’indicateur, ce ne sera pas le dernier JEDI !”
À propos de cette actualité de la recherche neurotechnologique
Auteur: Bureau de presse
La source: Collège de médecine Baylor
Contact: Bureau de presse – Baylor College of Medicine
Image: L’image est dans le domaine public
Recherche originale : Libre accès.
“Enregistrement soutenu de la tension des tissus profonds à l’aide d’un indicateur rapide développé pour la microscopie à deux photons” de Zhuohe Liu et al. Cellule
Résumé
Enregistrement soutenu de la tension des tissus profonds à l’aide d’un indicateur rapide développé pour la microscopie à deux photons
Points forts
- JEDI-2P est un indicateur de tension plus rapide, plus lumineux, plus sensible et photostable
- JEDI-2P a été conçu à l’aide d’une plate-forme de criblage multiparamètre à deux photons
- JEDI-2P a permis des enregistrements de tension à deux photons dans des explants rétiniens, des mouches et des souris
- JEDI-2P a produit des enregistrements profonds (couche corticale 5) et longs (> 40 min) chez la souris
Sommaire
Les indicateurs de tension génétiquement codés sont des outils émergents pour surveiller la dynamique de la tension avec une spécificité de type cellulaire. Cependant, les indicateurs actuels permettent une gamme étroite d’applications en raison de mauvaises performances sous microscopie à deux photons, une méthode de choix pour l’enregistrement des tissus profonds.
Pour améliorer les indicateurs, nous avons développé une plate-forme multiparamètres à haut débit pour optimiser les indicateurs de tension pour la microscopie à deux photons. Grâce à ce système, nous avons identifié le JEDI-2P, un indicateur plus rapide, plus lumineux, plus sensible et photostable que ses prédécesseurs.
Nous démontrons que JEDI-2P peut signaler des réponses évoquées par la lumière dans les extrémités axonales de Drosophile les interneurones et les dendrites et somates des cellules amacrines de la rétine isolée de souris. JEDI-2P peut également enregistrer optiquement la dynamique de tension des neurones corticaux individuels chez des souris éveillées pendant plus de 30 minutes en utilisant à la fois le balayage résonnant et la microscopie à accès aléatoire ULoVE.
Enfin, l’enregistrement ULoVE de JEDI-2P peut détecter de manière robuste les pointes à des profondeurs supérieures à 400 μm et signaler les corrélations de tension dans les paires de neurones.
