Une sonde haute résolution pourrait révéler les secrets de la fonction cérébrale et des maladies
Selon une étude menée par des chercheurs du Massachusetts General Hospital (MGH) et des collègues de plusieurs autres établissements. Ces découvertes, rapportées dans Neurosciences naturellespourrait jeter les bases d’une meilleure compréhension du fonctionnement du cerveau, des origines des maladies neurologiques, etc.
En 2017, une société de technologie numérique en Belgique appelée IMEC, en collaboration avec le Howard Hughes Medical Institute (dont le Janelia Research Campus), a introduit la sonde Neuropixels, un outil d’enregistrement de l’activité des cellules cérébrales, ou neurones. « Le dispositif Neuropixels a révolutionné le domaine des neurosciences », déclare la neuroscientifique et électrophysiologiste Angelique Paulk, PhD, chercheuse au Centre de neurotechnologie et de neurorécupération du MGH et auteure principale de l’étude.
Les technologies antérieures d’enregistrement de l’activité des neurones reposaient généralement sur des électrodes relativement grandes insérées dans le cerveau. « Ils peuvent échantillonner l’activité de milliers de cellules cérébrales à la fois, mais cela produit une vue floue », explique Paulk. Elle passe à une analogie audio pour décrire la qualité des enregistrements par des appareils plus anciens : imaginez-vous debout au milieu d’un stade de football bondé, écoutant le rugissement de la foule. En revanche, la sonde Neuropixels est beaucoup plus petite, mais a une résolution bien supérieure. « Au lieu de cela, c’est comme si vous pouviez enregistrer des centaines de voix individuelles, chacune avec son propre microphone », explique Paulk.
La sonde Neuropixels originale, cependant, a été conçue comme un outil de recherche à utiliser chez les petits animaux de laboratoire tels que les rongeurs. Les neuroscientifiques ont immédiatement manifesté leur intérêt pour un outil qui pourrait être utilisé pour étudier le cerveau humain, ce qui nécessitait quelques modifications. Par exemple, la sonde Neuropixels d’origine était trop fragile pour être utilisée dans le grand cerveau humain, il a donc fallu la rendre plus épaisse. Pourtant, dit Paulk, la sonde n’a que la largeur d’environ trois cheveux.
Le but de la Neurosciences naturelles était de développer des techniques d’utilisation de la sonde Neuropixels modifiée pour enregistrer l’activité cérébrale chez des patients humains subissant une neurochirurgie dans une salle d’opération. Neuf patients déjà prévus pour subir une neurochirurgie pour traiter plusieurs conditions différentes ont consenti à permettre aux neurochirurgiens du MGH d’enregistrer leur activité cérébrale pendant les procédures.
L’équipe, qui comprenait le spécialiste de l’épilepsie Sydney Cash, MD, PhD, et le neurochirurgien Ziv Williams, MD, tous deux du MGH, ont rencontré des difficultés lors de l’utilisation de la sonde Neuropixels chez l’homme, car six tentatives d’enregistrement de l’activité cérébrale ont échoué. Cependant, ils ont pu enregistrer avec succès l’activité cérébrale de trois patients, l’un subissant un traitement pour l’épilepsie, tandis que les deux autres ont reçu des implants qui fournissent une stimulation cérébrale profonde pour le traitement des troubles du mouvement. Chez l’un de ces derniers patients, l’équipe a enregistré l’activité de 202 neurones individuels.
Pourquoi est-il important d’enregistrer le comportement des neurones individuels ? « Grâce aux nouveaux outils à plus haute résolution, nous constatons que différents types de cellules font des choses très intéressantes », déclare Paulk. Par exemple, les neurones excitateurs génèrent des signaux, tandis que les neurones inhibiteurs les ralentissent ou les arrêtent. Les petites sondes déjà disponibles peuvent enregistrer l’activité d’un ou deux neurones, « mais cela signifie que vous ne capturez pas vraiment la diversité des types de cellules », explique Paulk. « Le fait de pouvoir échantillonner 200 cellules en même temps nous indique comment les cellules se parlent. C’est cette interaction spéciale qui permet à nos circuits cérébraux de fonctionner.
Le décodage de la communication entre les neurones à l’aide de la sonde Neuropixels et d’autres outils pourrait conduire à de nouvelles révélations sur des conditions neurologiques telles que l’épilepsie et la façon dont les cellules tumorales envahissent les cellules voisines du cerveau, explique Paulk, ainsi qu’aider les développeurs d’outils qui permettent aux personnes handicapées utiliser leur cerveau pour faire fonctionner des ordinateurs et des appareils robotiques qui leur permettent de vivre de manière plus indépendante. En fin de compte, cette nouvelle technologie pourrait fournir des informations inestimables sur la nature même de la cognition, comme la façon dont nous formons nos pensées et percevons le monde qui nous entoure.
Référence: Paulk AC, Kfir Y, Khanna AR, et al. Enregistrements neuronaux à grande échelle avec une résolution de neurone unique à l’aide de sondes Neuropixels dans le cortex humain. Nat Neurosci. 2022;25(2):252-263. doi : 10.1038/s41593-021-00997-0
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