Un microscope à grande vitesse peut offrir un aperçu de l'autisme et de la schizophrénie

On pense que certains troubles cérébraux, tels que la schizophrénie, l'autisme et le retard mental, sont causés par un dysfonctionnement de la communication des cellules cérébrales et ne présentent pas de signes physiques faciles à détecter menant au diagnostic. En fait, même les IRMf et les scans TEP ne peuvent offrir que des détails limités de l'activité cérébrale dans ces cas.

Désormais, des neuroscientifiques de l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA) ont uni leurs forces avec des physiciens pour développer un microscope non invasif à très haute vitesse qui capture instantanément le déclenchement de milliers de neurones dans le cerveau lorsqu'ils communiquent - ou dans ces cas - mal communiquer les uns avec les autres.

«À notre avis, il s'agit du microscope à excitation à deux photons le plus rapide au monde pour l'imagerie tridimensionnelle in vivo», a déclaré le professeur de physique de l'UCLA, le Dr Katsushi Arisaka, qui a développé le système d'imagerie optique avec le Dr Carlos Portera-Cailliau, professeur assistant de l'UCLA de la neurologie et de la neurobiologie, et ses collègues.

Étant donné que les maladies neuropsychiatriques comme l'autisme, la schizophrénie et le retard mental ne présentent généralement aucun dommage physique au cerveau, on pense qu'elles sont causées par des problèmes de conductivité - les neurones ne se déclenchent pas correctement. Les cellules normales ont des modèles d'activité électrique, a déclaré Portera-Cailliau, mais l'activité cellulaire irrégulière dans son ensemble ne crée pas d'informations utiles que le cerveau peut utiliser.

«L'un des plus grands défis des neurosciences au 21e siècle est de comprendre comment les milliards de neurones qui forment le cerveau communiquent entre eux pour produire des comportements complexes», a-t-il déclaré.

«Le bénéfice ultime de ce type de recherche viendra du déchiffrement de la manière dont les schémas d'activité dysfonctionnels parmi les neurones conduisent à des symptômes dévastateurs dans une variété de troubles neuropsychiatriques.»

Récemment, Portera-Cailliau utilisait l'imagerie calcique, une méthode dans laquelle les neurones absorbent des colorants fluorescents. Lorsque les cellules se déclenchent, elles «clignotent comme des lumières dans un arbre de Noël», a-t-il dit. «Notre rôle est maintenant de déchiffrer le code utilisé par les neurones, qui est enfoui dans ces modèles de lumière clignotante.»

Cependant, dit Portera-Cailliau, cette technique a ses limites.

«Le signal du colorant fluorescent à base de calcium que nous avons utilisé s'est estompé au fur et à mesure que nous avons imagé plus profondément dans le cortex. Nous ne pouvions pas imaginer toutes les cellules », a-t-il déclaré.

En outre, Portera-Cailliau et son équipe pensaient qu'il leur manquait des informations importantes car ils ne pouvaient pas capturer une section suffisamment grande du cerveau assez rapidement pour mesurer le déclenchement de groupe de neurones individuels. C'est le facteur clé qui a poussé Arisaka et Adrian Cheng, l'un de ses étudiants diplômés, à rechercher une méthode plus rapide d'enregistrement des neurones.

Le microscope qu'ils ont développé est une microscopie multifocale à deux photons avec multiplexage spatio-temporel d'excitation-émission (STEM). Il s'agit d'une version modifiée des microscopes à balayage laser à deux photons qui enregistrent les colorants de calcium fluorescents à l'intérieur des neurones, mais avec le faisceau laser principal divisé en quatre faisceaux plus petits.

Cette technique leur permet d'enregistrer quatre fois plus de cellules cérébrales que la version originale, quatre fois plus vite. En outre, un faisceau différent a été utilisé pour enregistrer les neurones à différentes profondeurs à l'intérieur du cerveau, donnant à l'image un effet 3D complètement nouveau.

«La plupart des caméras vidéo sont conçues pour capturer une image à 30 images par seconde. Ce que nous avons fait, c'est l'accélérer de 10 fois à environ 250 images par seconde », a déclaré Arisaka. «Et nous travaillons à le rendre encore plus rapide.»

Le résultat, dit-il, "est une vidéo tridimensionnelle à haute résolution de l'activité du circuit neuronal chez un animal vivant."

Portera-Cailliau récolte déjà les bénéfices de cette technique d'imagerie dans ses études sur le syndrome du X fragile, une forme d'autisme. En utilisant cette nouvelle technologie, il est capable de comparer le cortex d'une souris normale avec une souris mutante Fragile X, et d'être témoin du raté d'allumage des neurones dans le cerveau du Fragile X.

L'étude se trouve dans l'édition du 9 janvier de la revue Méthodes de la nature.

Source: Université de Californie