Pour assurer l’ensemble de nos fonctions métaboliques, pour transmettre une sensation ou engendrer une réponse mécanique, notre système nerveux doit constamment traiter un grand nombre d’informations. Ces dernières prennent la forme d’influx nerveux (impulsions électriques) et se déplacent à très grande vitesse à travers nos neurones. La vitesse est telle que le phénomène n’a jamais pu être directement observé. Grâce aux dernières avancées dans le domaine de la photographie à grande vitesse, des ingénieurs de Caltech ont conçu une caméra ultrarapide capable de capturer le déplacement d’impulsions électriques à travers des neurones. Observer ce phénomène auparavant insaisissable pourrait aboutir à une meilleure compréhension de la biologie du cerveau, fondamentale dans la recherche de traitements neurologiques. Des signaux électromagnétiques se déplaçant à la vitesse de la lumière ont également pu être capturés.
Pour procurer une sensation (comme le toucher par exemple) par le biais de notre système nerveux périphérique, toute une cascade de transmission d’informations s’effectue jusqu’au système nerveux central. L’influx nerveux passe notamment par les cellules neuronales de la moelle épinière pour atteindre celles du thalamus, le centre de traitement sensoriel situé profondément dans le cerveau. Ce dernier, grâce à ses plus de 100 milliards de neurones, définit ensuite une réponse appropriée selon l’information reçue.
Ces interactions complexes sollicitant de nombreuses fonctions neurologiques s’effectuent extrêmement rapidement. Les influx nerveux véhiculés à travers les nerfs sensoriels se déplacent notamment à près de 160 kilomètres par heure. Les sensations nécessitant des réponses immédiates (comme une brûlure) peuvent engendrer des influx nerveux encore plus rapides, se déplaçant jusqu’à 483 kilomètres par heure.
Les technologies d’imagerie médicale comme l’IRM fonctionnelle peuvent indiquer les régions cérébrales s’activant (par dépolarisation) par stimulation des influx nerveux. Cependant, « observer les signaux nerveux est fondamental pour notre compréhension scientifique, mais cela n’a pas encore été atteint en raison du manque de vitesse et de sensibilité des méthodes d’imagerie existantes », indique dans un communiqué Lihong Wang, coauteur principal de la nouvelle étude décrite dans Nature Communications, et chercheur au laboratoire d’imagerie optique de Caltech.
Pour la première fois, le déplacement de ces influx nerveux à travers des axones a pu être capturé grâce à une caméra exploitant une technologie de photographie ultrarapide compressée à amélioration différentielle (Diff-CUP). L’équipe de recherche de Wang a en effet précédemment développé le système d’imagerie CUP afin de pouvoir capturer des impulsions laser (se déplaçant à la vitesse de la lumière) et d’enregistrer des vidéos à 70 milliards d’images par seconde. La Diff-CUP combine ce système avec un appareil appelé interféromètre Mach-Zehnder, pour capturer les influx nerveux sensoriels.
« L’imagerie des signaux de propagation dans les nerfs périphériques est la première étape », explique Wang. « Il serait important d’imager le trafic en direct dans un système nerveux central, ce qui éclairerait le fonctionnement du cerveau », suggère-t-il.
Un imageur à grande vitesse couplé à un interféromètre
Grâce à l’interféromètre Mach-Zehnder, la nouvelle caméra Diff-CUP peut capturer des objets en déplacement rapide en fractionnant un faisceau lumineux en deux. Un seul des deux fragments passe ensuite à travers l’objet pour se recombiner ensuite avec le premier, en sortant. Comme les ondes lumineuses sont affectées par les matériaux composant les objets qu’elles traversent, le faisceau traversant l’objet est désynchronisé de celui qui ne le traverse pas (avec lequel il se recombine en sortant). Cette désynchronisation induit une interférence dont les motifs révèlent des informations sur l’objet.
À savoir que ce type d’interférométrie a également été utilisé pour la détection d’ondes gravitationnelles, et son couplage avec CUP permet la capture d’images à des vitesses incroyablement élevées. Pour tester leur technologie, les chercheurs ont filmé les impulsions électriques traversant le nerf sciatique d’une grenouille (Xenopus laevis) — se déplaçant à environ 100 mètres par seconde. Le déplacement d’impulsions électromagnétiques à travers un cristal de niobate de lithium (à la vitesse de la lumière) a également été capturé avec succès.