Fonctionnement interne des cellules cérébrales révélées par des robots

Entrer dans les ?uvres intérieures d'un neurone dans le cerveau vivant est une tâche si laborieuse, complexe et compliquée qu'elle est considérée comme une forme d'art, ce qui ne peut être fait que dans un petit nombre de laboratoires dans le monde entier.
Le fonctionnement interne d'un neurone dans le cerveau vivant fournit une grande quantité d'informations utiles. Par exemple, il offre des informations sur les schémas d'activité électrique du cerveau, sa forme et même un profil des gènes activés à un moment donné.
Selon le numéro du 6 mai de Méthodes NatureDes chercheurs du MIT et de Georgia Tech ont mis au point une méthode pour automatiser le processus de recherche et d’enregistrement des informations provenant des neurones du cerveau vivant.
Dans le cadre d’une collaboration entre le laboratoire d’Ed Boyden, professeur agrégé de génie biologique et de sciences cognitives et cérébrales au MIT, et Craig Forest, professeur adjoint de génie mécanique à Georgia Tech, les chercheurs ont démontré qu’un bras robotisé guidé par un algorithme de détection cellulaire avait une précision et une vitesse plus élevées dans l'identification et l'enregistrement des neurones dans le cerveau de la souris vivante qu'un expérimentateur humain.
L'utilisation de ce nouveau processus automatisé permet d'obtenir des informations approfondies sur les activités des cellules vivantes sans avoir à fournir aux chercheurs des mois de formation. Cette nouvelle technique permet aux scientifiques de classer les milliers de types de cellules cérébrales différents et de déterminer comment ils sont liés, et d’apprendre comment les cellules malades diffèrent des cellules normales.
Forest dit:

"Notre équipe a été interdisciplinaire depuis le début, ce qui nous a permis d’appliquer les principes de la conception de machines de précision à l’étude du cerveau vivant."

Suhasa Kodandaramaiah, étudiante diplômée de Forest, est l’auteur principal de l’étude et a passé les deux dernières années en tant qu’étudiante invitée au MIT.
Selon Boyden, membre du Media Lab du MIT et du McGovern Institute for Brain Research, cette méthode pourrait être particulièrement utile pour étudier les troubles cérébraux, tels que la schizophrénie, la maladie de Parkinson, l'autisme et l'épilepsie.
Il continue:

"Dans tous ces cas, une description moléculaire d'une cellule intégrée à ses propriétés électriques et de circuit ... est restée insaisissable. Si nous pouvions vraiment décrire comment les maladies modifient des molécules dans des cellules spécifiques du cerveau vivant, cela pourrait permettre de mieux cibles à trouver. "

Boyden, Forest et Kodandaramaiah ont décidé d'automatiser une technique vieille de 30 ans, connue sous le nom de clampage de cellules entières, qui nécessite un niveau de compétence qui nécessite généralement plusieurs mois de post-doctorat pour apprendre. La technique consiste à amener une minuscule pipette en verre creuse en contact avec la membrane cellulaire d'un neurone, puis à ouvrir un petit pore dans la membrane pour enregistrer l'activité électrique dans la cellule.
Après quatre mois d'apprentissage de la technique du patch-clamp manuel, Kodandaramaiah a déclaré:

"Quand je me débrouillais assez bien, je pouvais sentir que même si c'est une forme d'art, cela peut être réduit à un ensemble de tâches et de décisions stéréotypées qui peuvent être exécutées par un robot."

Kodandaramaiah et son équipe ont construit un bras robotisé qui abaisse une pipette en verre dans le cerveau d'une souris anesthésiée avec une précision micrométrique. Au fur et à mesure que le bras se déplace, la pipette surveille l'impédance électrique, c'est-à-dire une mesure de la difficulté pour l'électricité de sortir de la pipette. S'il n'y a pas de cellules autour, les flux d'électricité et l'impédance sont faibles, cependant, lorsque la pointe frappe une cellule, l'électricité ne peut pas circuler librement et l'impédance augmente. La pipette comporte des pas de deux micromètres, mesurant l'impédance 10 fois par seconde et, une fois qu'elle détecte une cellule, elle peut s'arrêter instantanément pour ne pas traverser la membrane.

Boyden déclare:

"C'est quelque chose qu'un robot peut faire qu'un humain ne peut pas".

Une fois que la pipette a détecté une cellule, elle applique une aspiration pour former un joint avec la membrane de la cellule, de sorte que l'électrode puisse traverser la membrane pour enregistrer l'activité électrique interne de la cellule.
Le taux de précision du système robotique dans la détection des cellules est de 90%, avec un taux de réussite de 40% pour établir une connexion avec les cellules détectées. La nouvelle méthode peut également être utilisée pour déterminer la forme d'une cellule en injectant un colorant. Les chercheurs explorent actuellement l'extraction du contenu d'une cellule pour lire son profil génétique, ainsi que pour augmenter le nombre d'électrodes afin de permettre des enregistrements à partir de plusieurs neurones à la fois. Ils émettent l'hypothèse que cela pourrait leur permettre de déterminer comment différentes parties du cerveau sont connectées.
Ils collaborent également pour commencer à classer les milliers de types de neurones dans le cerveau. Le moyen le plus courant de classification de cette "liste de pièces" pour le cerveau consiste à identifier les neurones par leur forme. Cependant, la nouvelle méthode permet de classer les neurones en fonction de leur activité électrique et de leur profil génétique.
Forest explique:

"Si vous voulez vraiment savoir ce qu'est un neurone, vous pouvez regarder la forme et vous pouvez voir comment il se déclenche. Ensuite, si vous tirez les informations génétiques, vous pouvez vraiment savoir ce qui se passe. Maintenant vous savez tout C'est l'image entière. "

Boyden pense que ce n'est que le début de l'utilisation de la robotique en neuroscience pour étudier les animaux vivants, étant donné qu'un robot comme le leur pourrait être utilisé à l'avenir pour infuser des médicaments à des points ciblés du cerveau. Il espère que leur invention inspirera les neuroscientifiques à développer d’autres formes d’automatisation robotique. Par exemple, en optogénétique, en utilisant la lumière pour perturber les circuits neuronaux ciblés et déterminer le rôle des neurones dans les fonctions cérébrales.
En déclarant que l'euroscience est l'un des rares domaines de la biologie où les robots n'ont pas encore un grand impact, Boyden conclut:

"Le projet du génome a été réalisé par des humains et un ensemble géant de robots effectuant tout le séquençage du génome. En évolution dirigée ou en biologie synthétique, les robots font beaucoup de biologie moléculaire.

Écrit par Petra Rattue