Contrôler le cerveau

Oubliez l’optogénétique, il y a un nouvel outil hallucinant en ville. Un groupe de scientifiques, dirigé par le Dr Sreekanth Chalasani au Salk Institute à La Jolla, en Californie, a découvert une nouvelle façon de contrôler les neurones  en utilisant des salves d’impulsions sonores aigus pulser dans des vers.

Surnommée « sonogénétique « , » les scientifiques disent que le nouveau procédé permet de contrôler les cellules cérébrales, cardiaques et musculaires directement à partir de l’extérieur du corps, contournant le besoin d’implants cervicaux invasifs tels que les microfibres utilisées en optogénétique.

Le problème avec la lumière

Des fibres pour contrôler le cerveau
Des fibres pour contrôler le cerveau

Il y a presque exactement une décennie, l’optogénétique a changé le visage des neurosciences en donnant aux scientifiques un moyen puissant pour manipuler l’activité neuronale en utilisant des faisceaux lumineux.

Le concept est trompeusement simple: en utilisant le génie génétique, les scientifiques introduisent des chaînes de protéines sensibles à la lumière dans certaines populations de neurones chez des souris qui étaient auparavant imperméable à la lumière. Puis, en faisant passer la lumière à travers les câbles en microfibres implantés dans le cerveau, les scientifiques peuvent activer artificiellement des réseaux neuronaux spécifiques, qui à leur tour modifie le comportement de la souris.

Depuis lors, le fol outil technique a enchaîné une liste impressionnante de réalisations, notamment rendre dociles des souris agressives, les faire gaffer à la demande et même implanter de faux souvenirs effrayants. Le mois dernier, un groupe de neurologues de San Diego a obtenu de la FDA l’approbation pour commencer le premier essai clinique qui vise à utiliser l’optogénétique chez l’homme pour traiter la cécité dégénérative.

Pourtant l’optogénétique n’est pas sans défauts. D’une part, le matériel qui fournit la lumière doit être fixé dans le cerveau, ce qui – malheureusement mais inévitablement – traumatise physiquement le cerveau. Cela rend sa transition vers un usage humain difficile, en particulier pour la stimulation des régions du cerveau les plus profondes.

Ce n’est pas seulement un problème académique. Certains troubles cérébraux incurables, telles que la maladie de Parkinson pourraient bénéficier de la stimulation cérébrale focalisée. De nombreux scientifiques ont prédit que l’optogénétique pourrait être utilisée pour de tels troubles, mais puisque la zone du cerveau cible est profondément enfouie dans le cerveau, les cliniciens ont reculé pour l’essayer chez l’homme (jusqu’à présent).

Qui plus est, la stimulation n’est pas aussi précise que les scientifiques le voudraient. Tout comme les particules de l’atmosphère dispersent la lumière du soleil tous les soirs la décolorant, les composants physiques du cerveau diffusent également la lumière. Le résultat est que l’activation neuronale n’est pas exactement ciblée – en d’autres termes, les scientifiques peuvent par inadvertance activer des neurones qui ils préféreraient garder inactifs.

De la lumière au son

Chalasani et ses collègues pensent qu’ils ont contourné les deux questions en remplaçant la lumière par le son.

L’équipe a de toute évidence été profondément inspirée par l’optogénétique. Au lieu d’utiliser la protéine sensible à la lumière channelrhodopsin-2, l’équipe a traqué une protéine appelée TRP-4 qui répond aux stimulations mécaniques telles que les vibrations. Lorsqu’elle est frappée par des ultrasons, la TRP-4 ouvre un

C Elegans
C Elegans

pore dans la membrane neuronale, ce qui permet aux ions de se précipiter – cette réponse biophysique active un neurone.

Ensuite, comme en optogénétique, l’équipe a insère le code génétique qui code TRP-4 dans un ver nématode C. elegans en utilisant un virus. (C. elegans, avec seulement 302 neurones clairement cartographiés, est le chouchou des neurosciences pour les études réductionnistes.)

Des outils génétiques sophistiquées resteignent TRP-4 à seulement certains types de neurones – par exemple, ceux qui contrôlent les fonctions de mouvement, la sensation ou les fonctions cérébrales supérieures comme la motivation. En activant ces neurones et en regardant le comportement qui en résulte, les scientifiques peuvent ensuite déterminer quel ensemble de neurones est responsable de ce comportement.

Dans une expérience, l’équipe a ciblé les neurones moteurs chez le ver primitif. Réalisant que le bon vieil ultrasons n’était pas assez fort pour activer TRP-4 exprimant les neurones, les chercheurs ont intégrés les vers dans des microbulles pour amplifier les ondes sonores.

Lorsque elles furent transmises aux vers à travers leur peau opaque, les ondes sonores activèrent de manière fiable les neurones moteurs qui étaient parsemés de TRP-4. En conséquence, les scientifiques purent déplacer les vers vers les destinations prérégler, comme s’ils contrôlaient les vers avec un joystick.

Contrairement à la lumière, les ultrasons basse fréquence peuvent voyager à travers le corps sans aucune diffusion « , a déclaré Chalasani dans un communiqué de presse. « Contrairement à la lumière, les impulsions sonores – trop aiguë pour être entendue par les humains – peuvent être livrées aux neurones ciblés du sommet du crâne, sans la nécessité d’implants cérébraux.

« Vous pouvez imaginer mettre un bonnet à ultrasons sur la tête d’une personne et l’utilise pour allumer et éteindre les neurones d’une personne, » spécule Chalasani.

Le Dr Stuart Ibsen, l’auteur principal de l’étude, est d’accord. « Cela pourrait être un gros avantage si vous voulez stimuler une région profonde du cerveau sans affecter les autres régions », a-t-il dit.

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Jusqu’à présent, la technique a été testée uniquement sur le ver nématode, mais Chalasani dit que l’équipe est à pied d’œuvre pour la transformant pour une utilisation chez les mammifères tels que les souris.

Comme en optogénétique, les scientifiques pourraient insérer la TRP-4 dans certaines populations de neurones grâce au le génie génétique. Ils pourraient ensuite injecter directement des microbulles dans la circulation sanguine de la souris pour amplifier les ondes ultrasons à l’intérieur du corps, et activer les neurones cibles avec une casquette qui génère les ondes sonores.

Contrairement à l’optogénétique, cependant, la sonogénétique agit avec un peu de retard. C’est de la physique de base: le son se propage plus lentement que la lumière, ce qui signifie qu’il y aura un délai plus grand entre le moment où les scientifiques donnent le signal « go » et l’activation réelle des neurones.

« Si vous travaillez sur le cortex d’un cerveau humain, en travaillant à une échelle de un dixième de seconde, l’optogénétique va faire mieux», concède Chalasani, « mais étant donné que la sonogénétique est non-invasive, « les deux techniques seront complémentaires.  »

Avec l’optogénétique dominant le jeu du contrôle de l’esprit, il est difficile de dire si la sonogénétique va décoller. Mais Chalasani est optimiste.

« Lorsque nous faisons le saut dans les thérapies pour les humains, je pense que nous avons une meilleure chance avec les approches sonogénétiques non invasives qu’avec l’optogénétique, » a-t-il dit.

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