Les protéines sensibles à la lumière permettent aux scientifiques de transformer les neurones ou désactiver de manière sélective avec une précision sans précédent. L'introduction de ces protéines dans des cellules en culture ou les cerveaux d'animaux vivants permet d'étudier la structure et la fonction des réseaux neuronaux. Ces outils 'optogénétiques' détiennent également la promesse clinique, avec le potentiel de moduler l'activité des circuits cérébraux impliqués dans les troubles neurologiques ou de rétablir la perte de vision.
Les méthodes traditionnelles de l'analyse fonctionnelle des neurones se sont appuyées sur la stimulation directe par des électrodes minuscules, même si l'efficacité est compromise par la précision spatiale et temporelle limitée avec laquelle les cellules individuelles peuvent être ciblées de manière sélective. En tant que tel, l'émergence récente d'outils optogénétiques - commutateurs génétiquement codés qui permettent neurones à activer ou désactiver avec des éclats de lumière - promet de révolutionner l'étude de la façon dont les neurones fonctionnent individuellement et en tant que membres de grands réseaux, et pourrait finalement offrir un nouvel espoir pour les patients souffrant de troubles de la vision ou de troubles neurologiques comme l'épilepsie ou de la maladie de Parkinson.
TURN-ONS ET TURN-OFFS
Au niveau de base, le système nerveux peut être considéré comme un circuit électrique très complexe. Chaque neurone contient une variété de pompes et de canal protéines qui contrôlent le flux d'ions à travers sa membrane, le maintien d'un potentiel négatif de la membrane dans le neurone de repos. Les signaux d'activation, par exemple de neurotransmetteurs, provoquent des ions chargés positivement à l'écoulement dans la cellule de l'environnement extérieur par l'intermédiaire de ces protéines de canal, ce qui entraîne la dépolarisation de la membrane. A un certain seuil, ce qui déclenche un potentiel d'action - un afflux rapide des ions sodium qui renverse effectivement la tension à l'intérieur de la cellule, initiant une réaction en chaîne de l'influx des ions sodium qui se propage sur toute la longueur de l'axone, provoquant éventuellement la libération de neurotransmetteurs qui stimulent ou inhibent la production d'impulsions électriques dans les neurones voisins.
Les microélectrodes ont historiquement avéré utile pour la stimulation directe (moins pour l'inhibition) des neurones dans les études neurophysiologiques, bien que la limite de résolution médiocre imposée par ce régime expérimental a laissé neuroscientifiques avide de solutions de rechange. Le développement des neurotransmetteurs »en cage» - modifiée chimiquement pour rester inactif à moins déclenché ( «Uncaged») par illumination laser - et les canaux ioniques photo-commutables modifiés chimiquement ont permis des améliorations notables dans la précision des études fonctionnelles, mais avec des possibilités limitées d'application.
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Figue. 1
Représentation schématique de l'action
de
channelrhodopsin et halorhodopsine sur les
cellules
neurales
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Cependant, la véritable révolution est venu avec la découverte de la channelrhodopsin de protéines d'algues, ce qui permet à l' afflux d'ions positifs en réponse à l' éclairage avec la lumière bleue pour agir en tant que 'on' interrupteur ( Fig. 1 ). Quelques années plus tard, les scientifiques ont reconnu le potentiel de la protéine rhodopsine halo- Archaea, qui déclenche l’afflux d'ions chlore chargés négativement en réponse à la lumière jaune et hyperpolarise la cellule ainsi, d'agir comme un commutateur «off» . Ces deux protéines peut être facilement introduit dans des cellules cibles par différentes techniques, permettant aux scientifiques de façon rapide et précise tournent neurones individuels sur et en dehors, sans le besoin de médicaments ou de produits chimiques supplémentaires.
COMMANDE DE CIRCUITS DE NEURONES AVEC LUMIERE
Bien que ce domaine d’optogénétique soit relativement nouveau, les scientifiques ont déjà fait des progrès remarquables dans la cartographie fonctionnelle des circuits du cerveau sur de longues distances - par exemple, la cartographie des processus neuronaux qui relient les deux hémisphères du cortex cérébral chez la souris. D'autres études préliminaires ont appliqué cette approche à l'étude des troubles du cerveau, en utilisant halorhodopsine et channelrhodopsin pour caractériser les circuits neuronaux ciblés par la stimulation cérébrale profonde, qui est une stratégie thérapeutique efficace mais mal compris pour la maladie de Parkinson à un stade avancé.
Beaucoup d'efforts sont actuellement consacrés au raffinage des techniques optogénétiques. Bien que les virus offrent un moyen efficace et cliniquement applicables pour délivrer les gènes qui codent pour ces rhodopsins, il est encore un processus laborieux de développer des constructions qui maximisent l'efficacité de la livraison de gènes et d'expression. En outre, bien que naturelle rhodopsine de canal et le travail de halorhodopsine bien, il est suggéré que des versions modifiées de ces protéines pourraient offrir une meilleure sensibilité à la lumière et donc plus une commutation rapide. De meilleurs modes de prestation de lumière seront nécessaires pour améliorer la précision et l' efficacité des stratégies optogénétiques ; alternatives sous enquête comprennent des réseaux de diodes émettrices de lumière adressables séparément (DEL) qui couvrent efficacement de multiples secteurs du cerveau d'intérêt, et des systèmes d'éclairage infrarouge qui peuvent pénétrer profondément dans les tissus denses du cerveau.
NEUROSCIENCES LASER-GUIDÉE
Les principaux méthodologies optogénétiques sont bien établies; ayant montré que ces rhodopsins activés par la lumière sont tolérés et fonctionnel dans le cerveau des mammifères, les scientifiques se concentrent maintenant sur l'utilisation de ces outils pour la recherche fondamentale et clinique.
Percées en science des matériaux permettent aujourd'hui la culture de neurones dans des modèles prédéterminés complexes. La capacité de stimuler ou de réduire au silence des cellules individuelles de façon sélective au sein de ces cultures d'ingénierie, en conjonction avec des réactifs qui permettent la visualisation directe de l'activité neuronale, promet de donner des idées qui pourraient éclairer la conception des réseaux de neurones artificiels sur la base des principes naturels qui sous-tendent la structure et le fonctionnement du cerveau .
Même l'environnement complexe du cerveau vivant est à la portée de ces techniques. Par exemple, il est maintenant possible d'utiliser des «conduits de lumière» pour fournir un éclairage à certaines régions du cerveau de la souris, l' activation des circuits olfactives, ce qui induit un mouvement de whiskers ou de commutation sur les centres de moteur pour déclencher l' activité physique ( Fig. 2 ) .
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Figue. 2 Cartographie de la lumière
automatisée du cortex moteur de la
souris
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Les premiers travaux sont également en cours en utilisant l’ontogénétique pour améliorer le traitement de la maladie de Parkinson. La stimulation cérébrale profonde utilise de petites électrodes pour une excitation ciblée de certains secteurs du cerveau, mais souffre d'un manque de résolution spatiale et d'une tendance à provoquer une inactivation involontaire des neurones non ciblés. En tant que tel, l'utilisation de facteurs optogénétiques pourrait offrir une amélioration bien nécessaire dans la précision, avec micromètre échelle plutôt que la résolution millimétrique. En principe, une approche similaire pourrait être appliquée pour traiter l'épilepsie, en utilisant halorhodopsine pour permettre l'inhibition sélective de régions du cerveau impliquées dans la survenue de crises convulsives. Le traitement de ces derniers et d'autres troubles neurologiques pourrait, par exemple, entraîne théoriquement l'appariement d'une stratégie gène-thérapie soigneusement élaboré et un dispositif implantable pour la stimulation optogenetic.
Optogenetics offre déjà de grandes opportunités pour la recherche en neurosciences de base, comme cela a déjà été démontrée par de nombreux laboratoires dans le monde entier; bien que les applications biomédicales font toujours face à des défis et des risques imprévisibles, ces domaines de recherche offrent de grandes promesses pour la redéfinition des stratégies thérapeutiques neurologiques à l'avenir.