Malgré les avancées majeures réalisées en neurosciences au cours des dernières années, capturer l’activité neuronale d’un cerveau en temps réel restait un objectif extrêmement difficile à atteindre du fait de la lenteur des microscopes actuels. Cette situation a toutefois changé grâce au développement de la technique de microscopie SCAPE. Des chercheurs ont ainsi réalisé la prouesse de capturer en temps réel et en 3D, l’activité des neurones de larves de drosophiles.
Les ingénieurs et les neuroscientifiques de Columbia ont uni leurs forces pour capturer des vidéos 3D de cellules nerveuses individuelles en mouvement, s’étirant et s’activant à l’intérieur de larves de drosophiles. Les données recueillies à partir de ces vidéos révèlent comment des cellules nerveuses appelées neurones proprioceptifs travaillent ensemble pour aider le corps à se repérer dans l’espace.
Pour accomplir cet exploit, les chercheurs ont exploité SCAPE, un microscope à la pointe de la technologie développé par Columbia et qui permet de visualiser les neurones à une vitesse fulgurante. Les résultats publiés dans la revue Current Biology, illustrent la capacité de SCAPE à révéler le fonctionnement interne du système nerveux avec des détails sans précédent.
En créant des images 3D d’action en direct de cellules nerveuses chez les larves alors que les animaux rampaient, SCAPE a permis aux chercheurs de voir exactement comment ces cellules situées le long de la paroi du corps signalaient des mouvements vers le cerveau.
SCAPE : une technique d’imagerie en temps réel de l’activité neuronale
« Nous savons que le cerveau reçoit des signaux sensoriels malgré les impulsions électriques transmises par les neurones, mais nous ne comprenons pas pourquoi certains types de neurones sont situés dans des positions spécifiques, ni comment des schémas de signalisation particuliers représentent des mouvements différents » déclare Wesley Grueber, neurobiologiste à Columbia. « Pour comprendre ce processus, nous devions savoir quels signaux les neurones envoient pendant que la larve rampait sans contrainte ».
« Bien que nous puissions obtenir des larves dont les neurones étaient marqués avec un flash de fluorescence au moment de leur activation, nous avons eu beaucoup de difficulté à les imager » explique Rebecca Vaadia, auteure de l’étude. « Même nos microscopes les plus rapides exigeaient que le spécimen soit contraint de se déplacer anormalement lentement, nous ne pouvions donc jamais vraiment capturer une activité neuronale reflétant les mouvements naturels de l’animal jusqu’à ce que nous commencions à utiliser SCAPE ».
Cette vidéo en temps réel capturée par SCAPE montre l’activité
des cellules nerveuses d’une larve de drosophile en déplacement
:
« Nous avons développé SCAPE pour créer des images en 3D très, très rapidement » indique Elizabeth Hillman, neurobiologiste. « En travaillant ensemble, nous avons rapidement constaté que nous pouvions enregistrer les cellules nerveuses à l’intérieur des larves de drosophiles tandis qu’elles rampaient. Nos vitesses élevées nous ont permis à la fois de mesurer les mouvements complexes en 3D du corps et l’activité des neurones au cours de ces mouvements. Et nous avons pu le faire en temps réel ».
Ce procédé d’imagerie a généré une énorme quantité de données. Pour lui donner un sens, l’équipe a développé des algorithmes qui suivaient chaque cellule proprioceptive et déterminaient exactement quand elle était active lorsque le corps était compressé et étendu lors de l’analyse.
Des neurones possédant un rôle et une position précis
« Nous avons constaté que la position de chaque cellule la rendait sensible aux modifications spécifiques de la forme générale du corps. Lorsque nous avons aligné tous les signaux des neurones, ils ont généré une séquence détaillée de signaux reflétant le mouvement de chaque partie du corps » déclare Wenze Li, ingénieur et auteur principal de l’étude.
« Nos expériences ont constamment montré que chacun des neurones propriocepteurs réagissait différemment au fur et à mesure que les larves se traînaient, une observation qui n’aurait pas pu être faite si les larves avaient été contraintes » ajoute Grueber. « Nous avons vu, en temps réel, comment certains neurones se sont activés lorsque le corps de l’animal s’est étiré, alors que d’autres se sont déclenchés lors de la compression ».
Comme le montre cette vidéo, SCAPE permet de capturer en temps
réel l’activité des neurones proprioceptifs d’une larve en
mouvement :
Les scientifiques avaient depuis longtemps émis l’hypothèse que la proprioception était associée à la redondance, car l’extinction de l’un — ou même de certains — de ces neurones ne faisait que ralentir les larves. Cependant, l’étude a révélé que chaque neurone a son propre rôle légèrement différent, et qu’il est positionné précisément pour détecter des aspects spécifiques du mouvement des animaux.
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Décrites pour la première fois par le Dr. Hillman et ses collègues en 2015, la microscopie SCAPE forme des images 3D d’échantillons vivants en les scannant avec un faisceau de lumière laser. L’ingéniosité de SCAPE réside dans sa capacité à projeter et à détecter ce faisceau de lumière en mouvement à travers un seul objectif fixe. SCAPE offre des vitesses d’imagerie 3D 500 fois plus rapides que celles des microscopes conventionnels qui numérisent des objets point par point.
Mieux comprendre les mécanismes neuronaux et leurs interactions
SCAPE est particulièrement bien adapté à l’imagerie de petits organismes tels que la drosophile, car ils peuvent être assez transparents et suffisamment petits pour imager leur cerveau ou leur corps entier — et les cellules individuelles à l’intérieur de ceux-ci.
« Les mouches, les vers et les poissons ont des cerveaux beaucoup plus simples que les humains, mais cela nous donne une chance d’apprendre le fonctionnement d’un système nerveux complet, cellule par cellule » déclare Hillman. « Nous avons de bonnes raisons de croire que si nous pouvons mieux comprendre ces systèmes simples, les leçons tirées seront étendues à des systèmes plus complexes, y compris les mammifères ».
La capacité de SCAPE à capturer le cerveau en action arrive à point nommé, alors que des efforts tels que les projets Fly et Human Connectome visent à établir des cartes détaillées de la structure et des connexions du système nerveux. Un objectif majeur de l’initiative BRAIN, qui a financé le développement de SCAPE.
Le but ultime est d’exploiter de nouveaux outils tels que SCAPE pour comprendre exactement comment les milliards de connexions entre les cellules du cerveau, parallèlement à leur activité complexe, sont capables de générer le répertoire de comportements complexes que notre cerveau peut produire.
« Nous avons démontré que SCAPE peut suivre et cartographier les neurones proprioceptifs dans une larve de drosophile rampante, et qu’il ne s’agit que de la première de nombreuses études pouvant maintenant explorer la mouche et le système nerveux d’autres animaux. Nous pouvons maintenant littéralement étiqueter n’importe quel type de cellule et découvrir ce qu’elle fait lorsque l’animal bouge, se nourrit ou même forme un souvenir; les possibilités sont infinies » conclut Li.