Activité cérébrale à la lumière
Les neurones travaillent en groupe, pas seul. Et pour comprendre le fonctionnement du cerveau, il ne suffit pas d'étudier les neurones individuellement. «Ce n’est pas comme sur un ordinateur, où l’information passe par les transistors, et dans chacun d’eux se produit l’informatique», affirme Aitzol Garcia -Etxarri, chercheur du DIPC. « Les idées allument des groupes neuronaux. Lorsque nous pensons à la grand-mère, par exemple, un seul groupe neuronal est activé et ce groupe neuronal. Les neurologues font beaucoup de découvertes aujourd’hui, mais, cependant, nous ne comprenons pas comment nous avons composé cela. »
« Il n’existe pas de théorie générale acceptée pour savoir comment fonctionne le cerveau. Et nous en sommes loin », a affirmé Rafael Yuste, neurologue à l’Université de Columbia, référence mondiale de la recherche cérébrale, qui collabore avec Garcia -Etxarri dans la recherche. Yuste, dirige le projet BRAIN, qui vise à cartographier l'activité du cerveau humain.
« Le cerveau a été beaucoup étudié au niveau cellulaire et moléculaire », explique Yuste. « Nous en savons beaucoup : comment fonctionnent les neurones individuellement, quelles molécules ont, quelles propriétés biophysiques ont, etc. Et nous savons aussi les connexions entre neurones. On a étudié intensément la plasticité synaptique, le fonctionnement des synapses. Mais comment les activités des groupes neuronaux sont rassemblées et ce qu'ils font ensemble... C'est autre chose. Nous avons là un grand vide de sagesse.»
Et la visualisation de l'activité des groupes neurones peut être une clé pour commencer à comprendre certains processus. Comment les idées sont-elles sauvegardées ? Ou comment fonctionnent les mémoires à long terme et à court terme? Comment apprenons-nous ? Ou que se passe-t-il dans chaque maladie neurologique ? Ce sont de grandes questions et peut-être la réponse n'est pas stockée dans les schémas d'activité du cerveau, mais pour l'instant, les scientifiques veulent voir cette activité physiquement. Et pour y parvenir, ils ont eu recours aux physiciens.
« La ligne d’étude s’appelle NanoNeuro, car elle combine nanocience et neuroscience. En fin de compte, nous voulons fabriquer des nanooutils qui peuvent être utilisés dans le cerveau », explique Yuste.
Voir activité
Yuste lui-même a inventé une nouvelle méthode de recherche cérébrale: la représentation au calcium (calcium imaging). Cette méthode est basée sur la fluorescence des neurones en ajoutant des protéines de fluorescence dans la membrane neuronale elle-même. Grâce à ces protéines, lorsque le neurone absorbe ou verse du calcium, chaque neurone émet un rayon de lumière. Et la dynamique du calcium est liée à l'activité du neurone. L'ajout de ces protéines dans tous les neurones permet de connaître le fonctionnement simultané de milliers de neurones.
« La méthode de Yuste a un problème », affirme García Etxarri. “L'ajout de protéines fluorescentes nécessite des changements génétiques dans les neurones afin que le neurone lui-même synthétise les protéines. Ceci est utile pour la recherche en laboratoire, mais ces changements génétiques ne peuvent pas se faire chez une personne vivante. Les changements génétiques ne sont pas autorisés aujourd’hui et j’espère ne jamais les autoriser.»
Il existe des méthodes alternatives pour représenter l'activité cérébrale, mais elles ne représentent pas vraiment l'activité électrique des neurones. D'une part, à travers l'imagerie par résonance magnétique nucléaire fonctionnelle (RMNf) on observe l'hémorragie cérébrale, c'est-à-dire la quantité de sang et les endroits où le cerveau « demande » pendant le travail. D'autre part, la tomographie par positrons (PET) montre la consommation de glucose dans le cerveau, c'est-à-dire sert à élaborer une carte de la demande énergétique des neurones. Cependant, dans aucun des deux cas, vous obtenez une image de l'activité directe.
Cependant, l'équipe du DIPC propose une nouvelle solution : la lumière et l'utilisation de nanoparticules. « Le DIPC a une grande tradition dans la recherche de la nanophotonique », explique García Etxarri. « La nanophonique est la recherche de l’interaction entre la lumière et les nanoparticules. Dans ce cas, nous pouvons développer deux lignes de recherche en utilisant la nanophotonique».
Dans chaque ligne d'étude doivent utiliser un nanotype, car ils ont un objectif propre. D'une part, ils utiliseront les points quantiques pour visualiser l'activité des neurones. D'autre part, ils prétendent utiliser des nanoparticules d'or pour générer de l'activité en neurones.
Manipulation de la couleur de la lumière
Les points quantiques ont été trouvés il ya longtemps, en lettres. En fait, ils fonctionnent comme presque n'importe quelle molécule. Ses électrons sont répartis en niveaux, selon l'énergie. Lorsque la lumière frappe une molécule, si elle a la bonne énergie (c'est-à-dire qu'elle a la bonne couleur), un électron peut sauter à un niveau d'énergie plus élevé. Cependant, cet électron reviendra au niveau original en libérant de l'énergie supplémentaire sous forme de lumière. Il émettra de la lumière. Cependant, si cette molécule est un point quantique est sensible aux champs électromagnétiques qui l'entourent; en utilisant des champs électromagnétiques, les niveaux d'énergie des électrons peuvent être plus ou moins élevés, contrôlant la quantité d'énergie qu'elle émet. Enfin, vous pouvez manipuler la couleur de la lumière émise.
La proposition du DIPC est que l'électricité qui accompagne l'activité des neurones soit utilisée comme champ électromagnétique de la zone. « Les neurones fonctionnent avec des signaux électriques », explique García Etxarri. « Si nous collons un point quantique dans la membrane du neurone, que la membrane soit active ou non, la couleur qu’elle émet change en sautant les électrons. » Les chercheurs éclaireront le neurone avec la lumière infrarouge et le neurone rendra la lumière visible et, en fonction de la couleur de la lumière, ils sauront si ce neurone est actif ou non. Par conséquent, les points quantiques sont des outils nanoscopiques appropriés pour lire l'activité des groupes neuronaux.
Or et chaleur
Lire l'activité des groupes neuronaux est un grand pas, mais ce n'est pas suffisant pour la recherche. Le deuxième objectif du projet est de stimuler cette activité. En activant certains neurones, les neurologues veulent analyser comment le cerveau répond. Pour cela, ils ont aussi besoin de physiciens. En fait, le deuxième objectif des physiciens du DIPC est de développer un outil qui stimule l'activité dans certains neurones ; un outil qui fonctionne très concrètement, un outil qui active les neurones individuellement en cas de besoin.
L'idée est simple. Comme une loupe concentre la lumière du soleil, ils veulent utiliser des particules qui exercent le même effet à l'échelle nanoscopique. Et le matériau approprié pour cela est l'or. « Nous vous avons appelés nanolups d’or. Lorsque la lumière sonne, ils peuvent concentrer les rayons à un point plus petit que toute loupe que nous pouvons fabriquer. L’endroit où les rayons se concentrent est chauffé et cette chaleur provoque l’activation des neurones », explique García Etxarri.
« Ce chemin n’a pas encore été traité », affirme Yuste. « Il y a deux précédents travaux, l’un d’une équipe de Chicago et l’autre de notre laboratoire de New York. Dans ces travaux, des nanoparticules d'or ont été utilisées pour générer de l'activité en neurones. Nous l'avons fait chez les souris et les hydras (animaux avec système nerveux très simple). Ces expériences montrent que cette approche du projet peut être raisonnable. » Mais il faut aller plus loin. Ces expériences étaient des nanoparticules commerciales et non des structures conçues naturellement. C'est l'objectif du projet NanoNeuro, qui consiste à synthétiser les particules naturelles pour pouvoir produire l'effet concret qu'elles désirent avec elles.
Bien sûr, ils doivent concevoir et construire des nanoparticules. Ensuite, pour qu'ils soient associés aux neurones, ils doivent les couvrir de structures moléculaires. Et enfin, comme tout matériau entrant dans le corps humain, ils doivent étudier la biocompatibilité afin qu'ils ne produisent aucun effet nocif. Par conséquent, l'idée simple de la nanolup aura une longue recherche pour pouvoir se développer.
Tout à la fois
Si la recherche donne des résultats, deux nanoparticules seront obtenues, l'une pour lire l'activité des neurones et l'autre pour stimuler l'endroit où vous voulez. Mais les scientifiques ne veulent pas travailler avec deux nanoformes. “Notre objectif est de concevoir un nanoparticule unique avec les deux propriétés à la fois. Si nous y parvenons, nous aurons un dispositif capable de lire et d’influencer l’activité cérébrale.»
C'est l'objectif final, au moins dans la partie à effectuer dans le DIPC. Le projet est déjà sur la table et a ouvert une nouvelle ligne de recherche. « Il ne nous est jamais arrivé que les propriétés de ces nanoparticules puissent également être appliquées aux neurosciences », affirme García Etxarri. “C'est quelque chose que nous savons faire très bien, mais nous voulons l'utiliser dans une application totalement différente. Il est intéressant d’appliquer quelque chose que nous savons dans un domaine que nous ne connaissons pas.»
Par la suite, l'équipe de Rafael Yuste étudiera cette application à l'Université de Columbia. Pour Yuste, de nombreuses avancées scientifiques sont dues au développement de nouvelles méthodes. Et il espère précisément que l'outil développé à Saint-Sébastien suppose une petite révolution dans la recherche cérébrale. Le temps le dira.
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