Un nouveau microscope à grande vitesse permettant de visualiser l’activité des neurones du cerveau et la façon dont ils communiquent entre eux a été construit par une équipe de recherche dirigée par Kevin Tsia, professeur au département d’ingénierie électrique et électronique de l’université de Hong Kong (HKU), et Ji Na, du département de biologie moléculaire et cellulaire de l’université de Californie, à Berkeley.
Les neurones, en effet, communiquent constamment entre eux en échangeant des flashes chimiques et électriques. Chaque flash a une durée très courte, calculable en millisecondes. Ces échanges de messages sont nombreux, des milliers de milliards, et si l’on considère les synapses et les neurones du cerveau humain ainsi que la vitesse à laquelle ils voyagent, on peut imaginer la carte gigantesque, presque “stellaire”, qui est à la base du fonctionnement du cerveau.
C’est pourquoi la capture de ces modèles de communication très complexes a toujours représenté le premier défi dans le domaine des neurosciences. L’espoir a toujours été de les capturer à la volée, essentiellement en direct, mais cela nécessiterait un microscope à très haute vitesse qui pourrait, entre autres, s’introduire dans le cerveau, ce qui est impossible, du moins jusqu’à présent.
Le microscope à fluorescence à deux photons créé par Tsia et Na a réussi à enregistrer les premiers signaux électriques timides en quelques millisecondes, déclenchés par les neurones du cerveau d’une souris.
Cette nouvelle technique, appelée FACED (Free-Space Angular-Chirp Enhanced Delay Imaging) est moins invasive que les méthodes utilisées par le passé, qui impliquaient l’insertion d’une électrode à l’intérieur du tissu cérébral, car elle utilise une paire de miroirs parallèles qui émettent une pluie d’impulsions laser pour effectuer un balayage ultra-rapide.
Au cours des expériences, les chercheurs ont pu capturer 1 000 à 3 000 scans 2D complets d’une seule couche de cerveau de souris chaque seconde. Pour ensuite capter les signaux électriques pulsés entre les différents neurones, les chercheurs ont utilisé un biocapteur composé de molécules de protéines.
“Ces protéines artificielles s’enflamment (ou fluorescentes) dès qu’un signal de tension traverse les neurones. La lumière émise est alors détectée par le microscope et formée en une image 2D qui affiche les positions de ces changements de tension”, explique Tsia.
En fait, les chercheurs ont pu littéralement “jeter un coup d’œil” sur les activités neuronales du cerveau de la souris en “direct”.
Une telle technique, si elle était appliquée à un être humain, permettrait d’obtenir des indices peut-être fondamentaux pour comprendre enfin pleinement les fonctions complexes du cerveau. Une technique si importante que Tsia lui-même parle de “la pierre angulaire de la recherche neuroscientifique pour décoder plus précisément” les signaux d’un cerveau vivant.
Aujourd’hui, les chercheurs s’efforcent d’améliorer encore cette méthode et d’obtenir une vue encore plus large et plus détaillée avec une résolution encore plus élevée d’environ un millimètre.
