Pouvoir observer et manipuler l’activité d’un circuit neuronal chez des animaux libres de leurs mouvements est la prochaine étape pour comprendre les rouages du cerveau. Dans cet article, publié dans la revue Neuron, les apports de la physique et de la biologie se concrétisent dans le développement d’un outil capable de visualiser l’activité neuronale tout en la manipulant, à l’échelle du neurone, sur un animal libre de se mouvoir dans l’espace.

Le cerveau est un vaste réseau de différents types de neurones interconnectés qui relayent, intègrent et produisent de l’information. L’activité électrochimique de notre cerveau est l’image exacte du réseau de nos sens, nos émotions et notre conscience, en temps réel. Cette image, les scientifiques essayent de la capturer mais aussi de la reproduire plus ou moins à l’identique pour comprendre la fonction de chaque neurone de notre cerveau. Une des grandes avancées de notre siècle dans le domaine fût le développement de l’optogénétique. Cette méthode permet d’« allumer » ou d’« éteindre » une région du cerveau, simplement en présentant de la lumière sur les neurones ayant intégré une protéine photosensible appelée opsine. En parallèle, les nouveaux développements de microscopie optique permettent aujourd’hui de sculpter un faisceau laser afin qu’il puisse cibler un neurone ou un groupe bien défini de neurones. Cette technique appelée holographie utilise un modulateur spatial de la lumière, composé d’un miroir à cristaux liquides, pour donner une forme tridimensionnelle à la lumière parfaitement adaptée au ciblage d’un ou plusieurs neurones. Ces outils transforment la cacophonie résultante de l’activation simultanée de tous les neurones sans distinction, en une parfaite mélodie, succession de motifs précis reflétant l’activité naturelle du cerveau.

Dans ce travail, les scientifiques développent un système capable d’activation optogénétique biphotonique, à l'échelle spatiale du neurone unique, sur des souris libres de mouvements. Le point central de leur système est une fibre optique qui permet de relayer la lumière infrarouge d’un laser impulsionnel directement sur le cerveau de l’animal sans avoir à le restreindre sous l’objectif d’un microscope. En utilisant les propriétés physiques de cette fibre, tout en contrôlant précisément la propagation spatiale et temporelle du faisceau laser, ils arrivent à cibler les neurones avec une plus haute résolution, une meilleure efficacité d’excitation biphotonique, et à atteindre des couches de neurones plus profondes que ce qu’ils avaient précédemment développé. Baptisé « 2P-FENDO », le système permet à la fois de visualiser et de manipuler avec précision les circuits neuronaux en jeu dans des action usuelles de l’animal pouvant paraître simples mais représentant en réalité des procédés neuronaux extrêmement complexes. Parmi les potentiels applications, 2P-FENDO pourrait par exemple manipuler l’activité d’un circuit de neurones au sein de l’hippocampe, structure essentielle à la navigation spatiale et temporelle, sur un animal complètement libre de ses mouvements. Ainsi, cet outil ouvre de nouveaux champs dans la compréhension du fonctionnement du cerveau lorsque l’animal est soumis aux véritables besoins de perception, de mobilité et d’interaction avec son environnement naturel.

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Légende figure1 : A) Schéma et chemin optique du nouveau fibroscope. B) Représentation d’un faisceau laser bi-photonique qui active précisément 3 neurones. C) À gauche: photos d’une souris avec le fibroscope implanté; à droite: activation optogénétique de deux groupes différents de 4 neurones. Les neurones ciblés sont indiqués par des flèches et les traces d’activité correspondantes sont marquées en violet.

Illustration © François Blot / Francesco Camaglia

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Référence de l’article : Neuron 111, 1–14, January 18, 2023 https://doi.org/10.1016/j.neuron.2022.10.030

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Valentina EMILIANI

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