L’amour à la première lumière: la stimulation optogénétique provoque une attraction instantanée entre les souris

Les chercheurs de l’Université Northwestern établissent des liens sociaux avec des faisceaux de lumière.

Pour la toute première fois, les ingénieurs et neurobiologistes du Northwestern ont programmé sans fil – puis déprogrammé – des souris pour qu’elles interagissent socialement en temps réel. L’avancée est due à un dispositif ultraminiature, sans fil, sans pile et entièrement implantable qui utilise la lumière pour activer les neurones.

Cette étude est le premier article sur l’optogénétique (une méthode de contrôle des neurones avec la lumière) explorant les interactions sociales au sein de groupes d’animaux, ce qui était auparavant impossible avec les technologies actuelles.

La nature mince, flexible et sans fil de l’implant permet aux souris de paraître normales et de se comporter normalement dans des environnements réalistes, permettant aux chercheurs de les observer dans des conditions naturelles. Des recherches antérieures utilisant l’optogénétique nécessitaient des fils à fibres optiques, qui restreignaient les mouvements de la souris et les empêchaient de s’emmêler lors d’interactions sociales ou dans des environnements complexes.

«Avec les technologies précédentes, nous n’avons pas pu observer plusieurs animaux interagissant socialement dans des environnements complexes parce qu’ils étaient attachés», a déclaré la neurobiologiste du Nord-Ouest Yevgenia Kozorovitskiy, qui a conçu l’expérience. « Les fibres se briseraient ou les animaux s’emmêleraient. Afin de poser des questions plus complexes sur le comportement des animaux dans des environnements réalistes, nous avions besoin de cette technologie sans fil innovante. C’est formidable de s’éloigner des attaches. »

«Ce document représente la première fois que nous sommes en mesure de réaliser des implants sans fil et sans batterie pour l’optogénétique avec un contrôle numérique complet et indépendant de plusieurs appareils simultanément dans un environnement donné», a déclaré le pionnier de la bioélectronique du Nord-Ouest, John A. Rogers, qui a dirigé le développement de la technologie. «L’activité cérébrale chez un animal isolé est intéressante, mais aller au-delà de la recherche sur les individus pour aller au-delà de la recherche sur les individus pour étudier des groupes complexes et interagissant socialement est l’une des frontières les plus importantes et passionnantes des neurosciences. dans ces groupes et d’examiner comment les hiérarchies sociales découlent de ces interactions ».

Kozorovitskiy est professeur de recherche Soretta et Henry Shapiro en biologie moléculaire et professeur agrégé de neurobiologie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern. Elle est également membre de l’Institut de chimie des processus de la vie. Rogers est le professeur Louis Simpson et Kimberly Querrey de science et génie des matériaux, de génie biomédical et de chirurgie neurologique à la McCormick School of Engineering et à la Northwestern University Feinberg School of Medicine et directeur de l’Institut Querrey Simpson pour la bioélectronique.

Kozorovitskiy et Rogers ont dirigé les travaux avec Yonggang Huang, le professeur Jan et Marcia Achenbach en génie mécanique à McCormick, et Zhaoqian Xie, professeur en mécanique d’ingénierie à l’Université de technologie de Dalian en Chine. Les co-premiers auteurs de l’article sont Yiyuan Yang, Mingzheng Wu et Abraham Vázquez-Guardado – tous à Northwestern.

Promesse et problèmes de l’optogénétique

Parce que le cerveau humain est un système de près de 100 milliards de neurones entrelacés, il est extrêmement difficile de sonder des neurones uniques, voire des groupes de neurones. Introduite dans des modèles animaux vers 2005, l’optogénétique permet de contrôler des neurones spécifiques et génétiquement ciblés afin de les sonder avec des détails sans précédent pour étudier leur connectivité ou leur libération de neurotransmetteurs. Les chercheurs modifient d’abord les neurones chez des souris vivantes pour exprimer un gène modifié à partir d’algues sensibles à la lumière. Ensuite, ils peuvent utiliser la lumière externe pour contrôler et surveiller spécifiquement l’activité cérébrale. En raison du génie génétique impliqué, la méthode n’est pas encore approuvée chez l’homme.

« Cela ressemble à de la science-fiction, mais c’est une technique incroyablement utile », a déclaré Kozorovitskiy. « L’optogénétique pourrait bientôt être utilisée pour corriger la cécité ou inverser la paralysie. »

Cependant, les études d’optogénétique précédentes étaient limitées par la technologie disponible pour fournir de la lumière. Bien que les chercheurs puissent facilement sonder un animal isolément, il était difficile de contrôler simultanément l’activité neuronale dans des modèles flexibles au sein de groupes d’animaux interagissant socialement. Les fils à fibre optique émergeaient généralement de la tête d’un animal, se connectant à une source de lumière externe. Ensuite, un logiciel pourrait être utilisé pour éteindre et allumer la lumière, tout en surveillant le comportement de l’animal.

« En se déplaçant, les fibres tiraient de différentes manières », a déclaré Rogers. « Comme prévu, ces effets ont changé les schémas de mouvement de l’animal. Il faut donc se demander: quel comportement étudiez-vous réellement? Etudiez-vous des comportements naturels ou des comportements associés à une contrainte physique? »

Contrôle sans fil en temps réel

Chef de file mondialement reconnu de la technologie portable sans fil, Rogers et son équipe ont développé un petit appareil sans fil qui repose doucement sur la surface externe du crâne mais sous la peau et la fourrure d’un petit animal. Le dispositif d’un demi-millimètre d’épaisseur se connecte à une sonde filamentaire fine et flexible avec des LED sur la pointe, qui descendent dans le cerveau à travers un minuscule défaut crânien.

L’appareil miniature exploite les protocoles de communication en champ proche, la même technologie utilisée dans les smartphones pour les paiements électroniques. Les chercheurs font fonctionner la lumière sans fil en temps réel avec une interface utilisateur sur un ordinateur. Une antenne entourant l’enceinte des animaux fournit de l’énergie au dispositif sans fil, éliminant ainsi le besoin d’une batterie encombrante et lourde.

Activer les connexions sociales

Pour établir la preuve de principe de la technologie de Rogers, Kozorovitskiy et ses collègues ont conçu une expérience pour explorer une approche optogénétique pour contrôler à distance les interactions sociales entre paires ou groupes de souris.

Lorsque les souris étaient physiquement proches les unes des autres dans un environnement clos, l’équipe de Kozorovitskiy a activé sans fil de manière synchrone un ensemble de neurones dans une région du cerveau liée à une fonction exécutive d’ordre supérieur, ce qui les a amenés à augmenter la fréquence et la durée des interactions sociales. La désynchronisation de la stimulation a rapidement réduit les interactions sociales chez la même paire de souris. Dans un contexte de groupe, les chercheurs pourraient biaiser une paire choisie arbitrairement pour qu’elle interagisse plus que d’autres.

« Nous ne pensions pas que cela fonctionnerait », a déclaré Kozorovitskiy. « À notre connaissance, il s’agit de la première évaluation directe d’une hypothèse majeure de longue date sur la synchronie neurale dans le comportement social. »

Référence: Yang Y, Wu M, Vázquez-Guardado A et coll. Dispositifs multilatéraux sans fil pour les études optogénétiques des comportements individuels et sociaux. Nat. Neurosci. 2021: 1-11. doi: 10.1038 / s41593-021-00849-x

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