{"id":7035,"date":"2014-09-29T00:01:51","date_gmt":"2014-09-28T22:01:51","guid":{"rendered":"http:\/\/sciencetonnante.wordpress.com\/?p=7035"},"modified":"2014-09-29T00:01:51","modified_gmt":"2014-09-28T22:01:51","slug":"loptogenetique-controler-le-cerveau-avec-de-la-lumiere","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/2014\/09\/29\/loptogenetique-controler-le-cerveau-avec-de-la-lumiere\/","title":{"rendered":"L’optog\u00e9n\u00e9tique : contr\u00f4ler le cerveau avec de la lumi\u00e8re"},"content":{"rendered":"

\"laser\"<\/a>Notre cerveau est sans nul doute la machine la plus complexe qui soit. Il faut dire que chez nous les humains, on y trouve pas loin de 100 milliards de neurones, reli\u00e9s entre eux par pr\u00e8s d’un million de milliards de connexions.<\/p>\n

Pas \u00e9tonnant que l’on ait du mal \u00e0 comprendre comment fonctionne ce satan\u00e9 cerveau !<\/p>\n

Et pourtant depuis une dizaine d’ann\u00e9es, une technique nouvelle est apparue, qui est peut-\u00eatre en passe de r\u00e9volutionner les neurosciences : l’optog\u00e9n\u00e9tique.<\/p>\n

Le cerveau, un organe d\u00e9licat \u00e0 \u00e9tudier<\/h3>\n

Un cerveau, c’est donc un gros paquet de neurones reli\u00e9s entre eux, et qui passent leur temps \u00e0 s’activer et se d\u00e9sactiver. Quand un neurone est activ\u00e9, il envoie un signal \u00e9lectrique vers les autres neurones auxquels il est connect\u00e9 : on dit que le neurone d\u00e9charge<\/strong>.<\/p>\n

En simplifiant on peut donc voir le cerveau comme une \u00e9norme machine comportant des milliards d’interrupteurs qui passeraient leur temps \u00e0 alterner entre \u00ab\u00a0on\u00a0\u00bb et \u00ab\u00a0off\u00a0\u00bb. Et que faites-vous en temps normal pour essayer de comprendre le fonctionnement d’une machine pleine de boutons ? Pour ma part, j’appuie sur tous les boutons les uns apr\u00e8s les autres et je regarde ce qui se passe !<\/p>\n

Le probl\u00e8me c’est qu’on ne peut pas faire \u00e7a avec le cerveau ! Il est en effet quasi-impossible de stimuler uniquement un neurone donn\u00e9 tout en laissant les autres inchang\u00e9s. On en est donc g\u00e9n\u00e9ralement r\u00e9duits \u00e0 observer le cerveau en train de fonctionner, et \u00e0 essayer d’en d\u00e9duire quelque chose sur le r\u00f4le de neurones ou de zones c\u00e9r\u00e9brales donn\u00e9es.<\/p>\n

Comment stimuler les neurones ?<\/h3>\n

\"WAGrij_electrode\"<\/a>Bien s\u00fbr, dans certains cas, il est possible d’activer une r\u00e9gion du cerveau qui nous int\u00e9resse en y enfon\u00e7ant une \u00e9lectrode d\u00e9livrant des impulsions \u00e9lectriques <\/strong>(comme ci-contre sur une souris). Mais cette m\u00e9thode a le d\u00e9faut d’exciter g\u00e9n\u00e9ralement toute une zone, sans permettre de cibler un type de neurones donn\u00e9.<\/p>\n

Une alternative consiste \u00e0 injecter des mol\u00e9cules capables de se fixer sur certaines cat\u00e9gories de neurones pour les stimuler ou les inhiber. Cela peut permettre de mieux cibler, mais dans ce cas on perd toute r\u00e9activit\u00e9 car les effets se manifestent sur des \u00e9chelles de temps de plusieurs heures. Pas id\u00e9al quand on sait que dans le cerveau, les signaux agissent en quelques millisecondes !<\/p>\n

Le r\u00eave, ce serait donc de disposer d’une technique permettant \u00e0 la fois de cibler certains neurones de mani\u00e8re s\u00e9lective, tout en permettant des stimulations sur des tr\u00e8s courtes p\u00e9riodes de temps<\/strong>.<\/p>\n

Eh bien c’est pr\u00e9cis\u00e9ment ce que permet de faire l’optog\u00e9n\u00e9tique !<\/p>\n

Mais pour comprendre comment marche cette technique, il faut d’abord r\u00e9viser la mani\u00e8re dont fonctionnent les communications dans notre cerveau.<\/p>\n

Le cerveau, un circuit \u00e9lectrique g\u00e9ant ?<\/h3>\n

\"neurone-axone\"<\/a>Dans la configuration la plus classique, un neurone du cerveau peut \u00eatre reli\u00e9 \u00e0 un autre au moyen d’un prolongement appel\u00e9 axone<\/strong>, qui permet la propagation des signaux \u00e9lectriques. Il est assez tentant de voir l’axone comme un fil conducteur transportant de l’\u00e9lectricit\u00e9, mais nous allons voir que cette analogie est un peu incorrecte.<\/p>\n

Un peu partout dans notre corps se prom\u00e8nent des ions, c’est-\u00e0 dire-des atomes charg\u00e9s : certains positivement comme Na+ ou K+, d’autres n\u00e9gativement comme Cl-. Or la r\u00e9partition de ces ions n’est pas la m\u00eame de chaque c\u00f4t\u00e9 de la membrane qui d\u00e9limite les neurones : la charge est ainsi l\u00e9g\u00e8rement inf\u00e9rieure \u00e0 l’int\u00e9rieur. Il en r\u00e9sulte une petite diff\u00e9rence de potentiel d’environ -70mV<\/strong> de part et d’autre de la membrane de nos neurones. On dit qu’elle est polaris\u00e9e. Toute fois les neurones sont capables de modifier cette polarisation, et l’ingr\u00e9dient qui leur permet de le faire est une prot\u00e9ine ins\u00e9r\u00e9e dans leur membrane : le canal sodium.<\/strong><\/p>\n

\"canal_sodium\"<\/a>Le canal sodium se comporte en effet comme une porte capable de laisser passer ou non des ions Na+ de l’ext\u00e9rieur vers l’int\u00e9rieur. Lorsque cela se produit, la charge \u00e0 l’int\u00e9rieur augmente et le potentiel peut passer de -70 \u00e0 +100mV, seuil au del\u00e0 duquel le canal sodium se referme et la polarisation retombe \u00e0 -70mV.<\/p>\n

Cette modification momentan\u00e9e de la polarisation ne prend que quelques millisecondes et s’appelle un potentiel d’action<\/strong>. Au d\u00e9part, ce dernier va \u00eatre g\u00e9n\u00e9ralement cr\u00e9\u00e9 dans la partie principale du neurone. Il nous faut maintenant comprendre pourquoi ce potentiel peut se propager le long de l’axone.<\/p>\n

Ce qui permet cette propagation, c’est une particularit\u00e9 de ces canaux laissant passer les ions sodium : ils ont tendance \u00e0 s’ouvrir justement si leur voisinage se d\u00e9polarise<\/strong>. Ainsi si un canal s’ouvre, une d\u00e9polarisation a lieu, stimulant l’ouverture du canal voisin, et ainsi de suite par effet domino tout le long de l’axone<\/strong>. Et c’est gr\u00e2ce \u00e0 cette sorte de r\u00e9action en cha\u00eene qu’un signal peut se propager le long de l’axone d’un neurone jusqu’aux neurones auxquels il est connect\u00e9. C’est comme \u00e7a que le neurone d\u00e9charge.<\/p>\n

La channelrhodopsine : l’ingr\u00e9dient cl\u00e9 de l’optog\u00e9n\u00e9tique<\/h3>\n

Maintenant que nous avons vu comment se propagent les communications \u00e9lectriques dans les cellules, je peux vous pr\u00e9senter la star du show, l’ingr\u00e9dient cl\u00e9 de l’optog\u00e9n\u00e9tique : la channelrhodopsine 2<\/strong> (ChR2 pour les intimes).<\/p>\n

\"ChR2\"<\/a>La ChR2 est une prot\u00e9ine d\u00e9couverte en 2002 dans une algue unicellulaire r\u00e9pondant au doux nom de Chlamydomonas reinhardtii<\/em> [1]. Elle ressemble beaucoup au canal sodium, puisqu’elle s’ins\u00e8re dans la membrane des cellules et peut laisser passer des ions. Mais sa grosse particularit\u00e9, c’est que son ouverture est command\u00e9e par la lumi\u00e8re<\/strong> !<\/p>\n

En effet quand on lui balance de la lumi\u00e8re bleue, la prot\u00e9ine ChR2 change de forme et donne naissance \u00e0 un petit trou d’environ 6 Angstr\u00f6m, suffisant pour laisser passer les ions \u00e0 l’int\u00e9rieur de la membrane.<\/p>\n

C’est en lisant une publication sur ChR2 que le biologiste Karl Deisseroth et son \u00e9quipe ont eu l’id\u00e9e qui est \u00e0 la base de l’optog\u00e9n\u00e9tique : si la ChR2 se comporte comme un canal r\u00e9pondant \u00e0 la lumi\u00e8re, on peut l’utiliser pour faire d\u00e9charger des neurones \u00e0 la demande<\/strong> !<\/p>\n

L’exp\u00e9rience fondatrice a ensuite eu lieu en 2005 \u00e0 l’universit\u00e9 de Stanford au Etats-Unis. Deisseroth et sa bande ont cultiv\u00e9 dans une boite de P\u00e9tri des neurones dans lesquels ils ont implant\u00e9 la prot\u00e9ine ChR2. Et ils ont ensuit\u00e9 observ\u00e9 que ces derniers se mettaient \u00e0 d\u00e9charger quand on les \u00e9clairait avec de la lumi\u00e8re bleue<\/strong> ! [2]<\/p>\n

Voici donc la technique que tout le monde attendait ! Un moyen d’activer les neurones d’une r\u00e9gion donn\u00e9e simplement en leur envoyant de la lumi\u00e8re. Restait \u00e0 mettre en place la technique avec un vrai cerveau.<\/p>\n

Contr\u00f4ler le cerveau avec de la lumi\u00e8re<\/h3>\n

Il n’a pas fallu longtemps pour que l’\u00e9quipe montre la possibilit\u00e9 de modifier le comportement d’un cerveau \u00e0 l’aide de lumi\u00e8re. La vid\u00e9o ci-dessous est extraite d’un travail publi\u00e9 par l’\u00e9quipe de Karl Deisseroth [3]. On y voit une souris \u00e0 qui on a administr\u00e9 la prot\u00e9ine ChR2 et greff\u00e9 une fibre optique pouvant amener la lumi\u00e8re jusqu’\u00e0 son cerveau.<\/p>\n

[youtube=https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=v7uRFVR9BPU]<\/p>\n

Comme vous pouvez le voir, quand la lumi\u00e8re bleue est allum\u00e9e, la souris se met \u00e0 tourner fr\u00e9n\u00e9tiquement dans le sens contraire des aiguilles d’une montre<\/strong>. Et elle s’arr\u00eate quand on \u00e9teint le signal lumineux.<\/p>\n

D’accord, c’est un peu effrayant voire cruel. Mais vous imaginez bien que le but de la technique n’est pas de s’amuser et de rigoler sur le dos de nos amis les rongeurs.<\/p>\n

L’optog\u00e9n\u00e9tique permet en effet de stimuler de mani\u00e8re rapide et cibl\u00e9e des zones et des neurones pr\u00e9cis du cerveau, et de comprendre l’impact de leur activation sur le comportement de l’animal. C’est donc un moyen formidable de d\u00e9m\u00ealer l’\u00e9cheveau de connexion neuronales de notre organe pr\u00e9f\u00e9r\u00e9, et de mieux comprendre comment il est c\u00e2bl\u00e9.<\/p>\n

A ce stade, vous pouvez vous demander quel est l’avantage de la m\u00e9thode par rapport \u00e0 la stimulation \u00e9lectrique classique, o\u00f9 l’on enfonce des \u00e9lectrodes dans le cerveau pour balancer des impulsions \u00e9lectriques. Eh bien la principale diff\u00e9rence c’est qu’avec l’optog\u00e9n\u00e9tique, on peut cibler des types de neurones donn\u00e9s<\/strong>. Car tous les neurones ne sont pas identiques !<\/p>\n

Prenons par exemple les neurones dopaminergiques, ceux qui utilisent cette hormone appel\u00e9 dopamine. Ces neurones sont comparativement tr\u00e8s peu nombreux (de l’ordre de seulement 400 000 dans le cerveau humain), et ils jouent pourtant un r\u00f4le essentiel, au point que leur dysfonctionnement est consid\u00e9r\u00e9 comme une des causes de la maladie de Parkinson. Un des traitements de la maladie de Parkison consiste justement \u00e0 r\u00e9aliser des stimulations \u00e0 l’aide d’\u00e9lectrodes implant\u00e9es dans les zones profondes du cerveau. Ce traitement semble fonctionner dans certains cas, mais les raisons de son efficacit\u00e9 ne sont pas encore tr\u00e8s claire. Gr\u00e2ce \u00e0 l’optog\u00e9n\u00e9tique, il a \u00e9t\u00e9 possible d’\u00e9lucider certains de ces m\u00e9canismes [4] en stimulant de mani\u00e8re s\u00e9lective certains types de neurones.<\/p>\n

Mais pour faire ces stimulations cibl\u00e9es, il faut s’arranger pour que la fameuse prot\u00e9ine ChR2 ne se retrouve que dans les neurones que l’on souhaite \u00e9tudier<\/strong>. Et \u00e7a c’est la partie \u00ab\u00a0g\u00e9n\u00e9tique\u00a0\u00bb de l’optog\u00e9n\u00e9tique.<\/p>\n

Contr\u00f4ler l’expression de la ChR2<\/h3>\n

Pour l’instant, j’ai un peu pass\u00e9 sous silence la mani\u00e8re dont on s’y prend pour que la prot\u00e9ine ChR2 se retrouve ins\u00e9r\u00e9e dans la membrane des neurones. Rappelons-le : au naturel, cette prot\u00e9ine est produite dans une algue unicellulaire bien sp\u00e9cifique, mais pas du tout dans le cerveau des animaux. Pour que \u00e7a marche, il faut donc faire en sorte que les neurones que l’on cible se mettent \u00e0 produire cette prot\u00e9ine.<\/p>\n

Comme vous le savez peut-\u00eatre, dans le monde du vivant, les prot\u00e9ines sont produites \u00e0 partir de l’ADN. Une partie des g\u00e8nes servent en effet de plan de montage pour fabriquer les prot\u00e9ines. Donc pour qu’une cellule se mette \u00e0 produire la prot\u00e9ine ChR2, il faut lui fournir l’ADN correspondant<\/strong> qu’on aura pr\u00e9alablement extrait de notre algue unicellulaire.<\/p>\n

Il existe plusieurs m\u00e9thodes pour cela, mais la plus conventionnelle consiste \u00e0 encapsuler dans un virus la s\u00e9quence ADN qui nous int\u00e9resse, et \u00e0 envoyer le virus en question infecter l’organisme cible<\/strong>. A l’aide de techniques classiques du g\u00e9nie g\u00e9n\u00e9tique (comme l’utilisation de promoteurs), on peut m\u00eame faire en sorte que seuls certains types de neurones fabriquent effectivement la ChR2 \u00e0 partir de l’ADN inject\u00e9. Et c’est comme \u00e7a que la ChR2 ne se retrouve que dans les neurones qui nous int\u00e9ressent, et que l’on peut ensuite contr\u00f4ler \u00e0 l’aide de la lumi\u00e8re.<\/p>\n

Par exemple sur la vid\u00e9o ci-dessous, on voit comment le contr\u00f4le optog\u00e9n\u00e9tique de certains neurones provoque un comportement boulimique chez la souris [5].<\/p>\n

[youtube=https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=7Mmsah0v9Qc]<\/p>\n

Encore une fois le but n’est pas s’amuser, mais de mieux comprendre par exemple quels sont les circuits de notre cerveau qui sont impliqu\u00e9s dans les d\u00e9r\u00e8glements de l\u2019app\u00e9tit.<\/p>\n

L’avenir de l’optog\u00e9n\u00e9tique ?<\/h3>\n

A ce jour, ce sont probablement plus de 1000 laboratoires de recherche diff\u00e9rents qui ont b\u00e9n\u00e9fici\u00e9 de la technique mise au point par Karl Deisseroth et son \u00e9quipe. Si certains leur pr\u00e9disent d\u00e9j\u00e0 le prix Nobel, d’autres d\u00e9noncent le fait que la technique soit trop devenue tellement \u00ab\u00a0tendance\u00a0\u00bb qu’on se retrouve \u00e0 l’utiliser m\u00eame l\u00e0 o\u00f9 elle ne serait pas franchement n\u00e9cessaire (eh oui, en sciences aussi il y a des effets de mode !)<\/p>\n

Malgr\u00e9 tout, le domaine de recherche reste tr\u00e8s actif, et de nombreux progr\u00e8s ont \u00e9t\u00e9 faits, notamment pour cr\u00e9er artificiellement d’autres prot\u00e9ines similaires \u00e0 la ChR2, mais agissant de mani\u00e8re diff\u00e9rente (par exemple en jouant le r\u00f4le d’inhibiteur au lieu d’activateur, en r\u00e9agissant \u00e0 des couleurs diff\u00e9rentes ou avec des temps de r\u00e9ponse modifi\u00e9s.)<\/p>\n

Quoiqu’il en soit il faut noter qu’\u00e0 ce jour son utilisation pour les primates reste tr\u00e8s limit\u00e9e,<\/strong> et on est probablement encore loin de pouvoir l’utiliser \u00e0 des fins th\u00e9rapeutiques sur l’\u00eatre humain. Malgr\u00e9 tout, les exp\u00e9riences d’optog\u00e9n\u00e9tique sur nos amis les rongeurs vont certainement continuer \u00e0 nous en apprendre beaucoup sur le fonctionnement du cerveau.<\/p>\n

Billets reli\u00e9s<\/h4>\n