Imagerie du cerveau, un éclair dans les profondeurs

Illuminer les neurones pour filmer l’électricité du cerveau

Le cerveau est constitué de milliards de neurones qui communiquent grâce à de brèves impulsions électriques, les potentiels d’action. Pour comprendre comment naît une perception, comment se prend une décision ou comment une maladie perturbe ces processus, il ne suffit plus de savoir « où » : il faut voir quand et comment les neurones s’activent, avec une précision de l’ordre de la milliseconde.

Mesurer ce signal électrique directement à sa source, c’est ce que permettent les GEVI (Genetically Encoded Voltage Indicators), indicateurs de voltage génétiquement encodés. Chez les capteurs à base de rhodopsine étudiés ici, comme Jarvis, une protéine fluorescente (le fluorophore) est fusionnée à une rhodopsine microbienne, ancrée dans la membrane du neurone.

Lors d’une dépolarisation (passage du potentiel de membrane d’un état négatif vers positif), la rhodopsine change de conformation. Cela réduit l’efficacité du transfert d’énergie (FRET) vers la rhodopsine, faisant briller plus fort le fluorophore (signal positif). Ce changement est quasi instantané (millisecondes) et proportionnel à l’amplitude du voltage.

Parmi les familles de GEVI, les FRET-opsins – qui associent rhodopsine détectrice de voltage et fluorophore ultra-brillant – excellent en imagerie rapide à un photon. Mais ils étaient jusque-là jugés incompatibles avec l’illumination biphotonique, pourtant indispensable pour explorer les profondeurs du cerveau.

C’est ce verrou que l’étude menée à l’Institut de la Vision vient de lever.

JARVIS, un capteur fluorescent adapté à l’imagerie biphotonique

L’équipe de recherche a conçu un nouveau capteur de tension de type FRET-opsin à partir d’une rhodopsine bien caractérisée, dérivée de l’algue verte unicellulaire Acetabularia, et l’ont couplée à AaFP1, une protéine fluorescente connue pour être l’une des plus lumineuses décrites à ce jour. Entre les deux, une séquence de liaison a été finement ajustée pour que l’efficacité du transfert d’énergie lumineuse varie de façon optimale. L’ensemble a été baptisé JARVIS*. 

JARVIS se comporte comme une « diode de tableau de bord » pour le neurone. Inséré dans la membrane du neurone, il change d’intensité lumineuse à chaque impulsion électrique, avec une cinétique rapide, une bonne sensibilité et une très grande stabilité. 
Il est de plus est entièrement codé génétiquement, ce qui signifie qu’il suffit d’introduire le gène correspondant pour que les neurones produisent eux-mêmes le capteur, sans ajout de colorant chimique. 

L’un des enjeux cruciaux pour un capteur de ce type est de soutenir des cadences d’acquisition très élevées – de l’ordre du kilohertz – car les potentiels d’action sont des événements qui durent à peine quelques millisecondes. JARVIS a été conçu pour relever ce défi. Pour filmer les impulsions électriques des neurones, il faut une caméra ultra-rapide. Seulement, c’est un défi, car en 1 ms très peu de lumière est disponible. JARVIS brille intensément pour compenser car plus le capteur est lumineux, plus on peut filmer vite avec des images nettes.

L’illumination sans balayage pour filmer les neurones in vivo 

L’autre innovation majeure de cette étude ne tient pas seulement à son capteur, mais à la manière de l’éclairer. La plupart des microscopes biphotonique fonctionnent en balayant un point focal dans le tissu, ligne par ligne, pour reconstruire une image. Cette stratégie impose, pour obtenir suffisamment de signal, d’augmenter fortement l’irradiance au niveau du point éclairé. Or, les chercheurs ont montré que, pour les capteurs à base de rhodopsine comme JARVIS, des puissances trop élevées dégradent la sensibilité au voltage.

L’équipe a donc adopté une approche différente : l’illumination sans balayage. Plutôt que de se déplacer point par point, le faisceau laser du microscope est façonné de manière à éclairer tout le corps du neurone d’un seul coup pendant toute la durée de l’acquisition. Ce choix exploite pleinement les propriétés de JARVIS : la fluorescence de base reste élevée, le capteur garde une bonne sensibilité au voltage, et les potentiels d’action ressortent nets comme un éclair sur fond noir – c'est-à-dire avec un rapport signal/bruit (signal = pic lumineux des impulsions / bruit = parasites) multiplié par 3 à 6 fois par rapport aux méthodes classiques.

Ces résultats montrent que la combinaison de JARVIS (ou de capteurs de rhodopsine similaires) avec des stratégies d’illumination adaptées permet de passer de l’étude du neurone isolé à celle de circuits neuronaux entiers, tout en gardant une haute résolution temporelle.

Pour vérifier que ce couple « nouveau capteur – nouvelle optique » fonctionne dans des conditions pertinentes pour les neurosciences, les chercheurs ont testé plusieurs capteurs — JARVIS, pAce et Voltron2 — dans différents modèles expérimentaux : du tissu cérébral isolé, aux larves de poissons-zèbres, jusqu’au cerveau intact de la souris éveillée. Cela démontre que cette approche est compatible avec l’imagerie in vivo en conditions physiologiques, sur un cortex intact.

Ce que cela change pour la recherche en neurosciences

En démontrant que des capteurs de tension à base de rhodopsine sont pleinement compatibles avec l’imagerie biphotonique, cette étude élargit considérablement la palette d’outils disponibles pour explorer le cerveau en profondeur.

Plusieurs points sont particulièrement prometteurs pour la recherche menée à l’Institut de la Vision et au-delà :

• la possibilité de suivre finement l’activité électrique de neurones identifiés, avec une précision temporelle bien supérieure à celle des capteurs de calcium ;
• l’accès aux dynamiques rapides des réseaux neuronaux, indispensables pour comprendre le codage de l’information sensorielle et les rythmes cérébraux ;
• la mise en évidence de conditions d’illumination optimales qui pourront guider la conception de futurs microscopes dédiés à l’imagerie de tension.

Pour l’instant, cette avancée reste destinée à la recherche fondamentale. Elle permet d’envisager l’étude in vivo de phénomènes jusqu’ici très difficiles à capturer. Mais en offrant une vision plus précise et plus fidèle de l’activité électrique qui parcourt le cerveau, elle pourrait contribuer, à moyen terme, à mieux comprendre certaines pathologies neurologiques, comme l’épilepsie, des maladies neurodégénératives ou des atteintes du système visuel.

Elle présente également un intérêt particulier pour les recherches menées au sein de l’Institut de la Vision. Dans la rétine, la majorité des neurones ne communiquent pas par potentiels d’action, mais par potentiels gradués — des variations électriques continues que l’imagerie calcique ou les réseaux d’électrodes enregistrent difficilement. Une imagerie de voltage multi-cellulaire, sensible et rapide, permettrait d’observer directement ces calculs analogiques qui transforment la lumière détectée par la rétine en signaux électriques transmis au cerveau, ouvrant de nouvelles perspectives pour l’étude fonctionnelle des circuits rétiniens.

JARVIS est un acronyme facétieux : *Just AnotheR Voltage Indicating Sensor. 
« Juste un autre capteur de tension ». Il veut dire que malgré leurs efforts pour créer le capteur parfait (lumineux, rapide, photostable), les auteurs reconnaissent qu'il y a plein d'autres bons capteurs déjà sur le marché (pAce, Voltron2, ASAP...). Il en dit surtout long sur leur humilité car c’est pourtant un outil ultra-performant pour les neuroscientifiques et nous pourrions plutôt y voir un clin d'œil à l'assistant high-tech d'Iron Man !