Cartographier les synapses en temps réel

À gauche : schéma de l’approche expérimentale permettant de sonder la connectivité synaptique par stimulation optique de neurones présynaptiques et détection électrique des réponses du neurone postsynaptique, ainsi que d’analyser la présence et les propriétés des connexions synaptiques.

Au centre : exemple d’illumination optique multipoints pour la photostimulation d’ensembles neuronaux. À droite : Exemple de carte de connectivité synaptique dans les couches 2/3 du cortex visuel primaire (V1) chez la souris. Le neurone pyramidal postsynaptique (vert) est enregistré électriquement, tandis que des neurones présynaptiques potentiels (rouges) sont stimulés optiquement, individuellement ou en groupe. Les neurones identifiés comme connectés sont indiqués en jaune.

Un millimètre cube de cerveau humain contient des centaines de millions de connexions synaptiques, les connexions qui permettent aux neurones d’échanger de l’information. Essentielles à tous nos processus cognitifs, perceptifs et comportementaux, ces connexions évoluent au cours de la vie, par exemple pour s’adapter après une lésion : c’est le phénomène de plasticité cérébrale. Comprendre l’organisation des réseaux de neurones et leur évolution est un enjeu majeur en neuroscience, néanmoins les technologies de cartographie des connexions synaptiques ne permettaient pas d’obtenir des informations sur un cerveau en activité. En combinant plusieurs méthodes historiquement limitées avec des technologies de pointe, l’équipe de Microscopie à modulation du front d'ondes dirigée par Valentina Emiliani à l’Institut de la Vision, mis au point une nouvelle approche s’affranchissant des contraintes des technologies existantes, obtenant une cartographie par optogénétique holographique.

Un florilège de méthodes…

Une des plus anciennes techniques pour étudier le fonctionnement du cerveau chez un organisme vivant est l’électrophysiologie, ou l’implantation d’électrodes sous le crâne, jusqu’à l`insertion dans une cellule neuronale, pour enregistrer son activité électrique. Bien que très précise, cette approche ne permettait d’étudier qu’un nombre très restreint de neurones simultanément, tout en étant hautement invasive. Pour contourner ces limites, les chercheurs ont eu recours à deux techniques dans le développement desquelles l’Institut de la Vision a été pionnier.

La première est une spécialité de l’équipe de Valentina Emiliani : l’holographie numérique. Grâce à des dispositifs à cristaux liquides, cette technique permet de moduler avec précision le front d’onde d’un faisceau laser afin de générer un motif lumineux précis. En projetant cette carte en trois dimensions sur un tissu, il est possible d’illuminer sélectivement une ou plusieurs cellules, pour les imager mais aussi pour les activer grâce à une deuxième technique : l’optogénétique.

Développée il y a une vingtaine d’années, l’optogénétique utilise la thérapie génique pour permettre aux cellules de produire des protéines sensibles à la lumière, les opsines. Dans le cerveau, cela permet d’activer un neurone à distance grâce à la lumière. 

L’approche proposée dans cette étude, co-dirigée par Dimitrii Tanese et Valentina Emiliani, combine ces trois méthodes pour identifier les connexions synaptiques d’un neurone. Dans un premier temps, ils modifient grâce à l’optogénétique les neurones pré-synaptiques, ceux qui transmettent l’information, pour les rendre photosensibles. Ils les activent ensuite grâce à l’holographie, puis mesurent l’activité du neurone post-synaptique, qui reçoit l’information, grâce à un électrode d’électrophysiologie. La présence d’une réponse synaptique permet donc d’identifier l’existence d’une connexion et d’en caractériser la nature ainsi que la force. 

Mais travailler sur un organisme vivant en activité a nécessité plusieurs innovations qui font de cette publication une avancée importante.

… reliées par des innovations

Pour pouvoir activer les neurones dans un cerveau vivant, les chercheurs ont utilisé l’holographie biphotonique : ils projettent le motif de la carte holographique avec des lasers infrarouges capables d’atteindre les cellules en profondeur dans le tissu cérébral sans affecter ou endommager les couches superficielles. En utilisant des opsines adaptées à la stimulation biphotonique, cette approche rend possible une stimulation précise en 3D ainsi qu’une activation répétée, essentielle à la cartographie des synapses dans un cerveau vivant.

L’holographie biphotonique permet également de se passer de l’utilisation de multiples électrodes, une par cellule présynaptique, rendant la cartographie des connexions beaucoup plus rapide et moins invasive.  Pour réduire ultérieurement le temps de mesure tout en conservant une haute précision, l’équipe de l’Institut de la Vision a collaboré avec des chercheurs de l’Université de Floride pour mettre au point un algorithme de compressed sensing (échantillonnage compressé), une technique mathématique qui permet de reconstruire un signal à partir d’un nombre limité de mesures, adapté à la cartographie des synapses. Au lieu de stimuler les neurones présynaptiques un par un, les chercheurs les stimulent par groupes de 5 à 10 neurones à la fois, en utilisant des motifs lumineux holographiques. Chaque motif active un sous-ensemble différent de neurones. À chaque stimulation, ils mesurent la réponse électrique du neurone postsynaptique via l’électrode. Cette réponse est ainsi la somme des contributions des neurones présynaptiques connectés dans le groupe stimulé. Grâce au compressed sensing, ils démêlent ces réponses pour identifier quels neurones présynaptiques sont réellement connectés au neurone postsynaptique.

Des progrès encore plus importants à venir

Ce système permet pour la première fois de cartographier en quelques minutes un réseau d’une centaine de neurones tout en conservant une résolution cellulaire, contre plusieurs heures pour les méthodes classiques. Les expériences menées sur des souris, effectuées par I-Wen Chen et Chung-Yuen Chan, co-premiers auteurs de l’étude, ont démontré la fiabilité de cette technique, révélant des schémas de connectivité dans le cortex visuel, une région clé pour le traitement des informations sensorielles. 

À plus long terme, l'équipe de l'Institut de la Vision travaille à rendre ce type de cartographie totalement non-invasive, en remplaçant les électrodes par des indicateurs fluorescents. L'équipe développe ainsi des systèmes holographiques biphotoniques capables de détecter la fluorescence et l’activité neuronale en profondeur – une étape vers la cartographie optique complète des circuits cérébraux. Ces travaux ont fait l’objet d’une publication dans le journal Neuron, ainsi que d’un article sur le site de l'Institut de la Vision.