Les chercheurs «lisent et écrivent» des signaux cérébraux en utilisant des éclairs de lumière

En utilisant deux technologies de pointe, les chercheurs ont trouvé une nouvelle façon de comprendre le fonctionnement du cerveau. dans le Méthodes Nature journal, ils rapportent comment ils ont utilisé des flashs de lumière, à la fois pour "lire" et "écrire" des signaux électriques envoyés par des neurones individuels.
L'équipe a activé six neurones sous la forme d'un visage souriant. La réponse en couleur - en vert - prouve que la méthode utilisée pour activer le motif des neurones fonctionne.
Crédit d'image: Lloyd Russell, laboratoire Hausser, UCL.

L’équipe de l’University College London (UCL) affirme que l’approche qu’ils ont développée «étend la boîte à outils optogénétique».

Les techniques de lecture et d'écriture leur permettent d'activer des cellules cérébrales sélectionnées selon différents modèles et de mesurer la réponse du circuit, ce qui leur permet essentiellement d'interroger un circuit cérébral d'une manière particulière.

L'auteur principal, Michael Hausser, professeur de neuroscience à l'Institut Wolfson de recherche biomédicale de l'UCL, dit qu'ils espèrent utiliser cette technique pour poser des questions sur le cerveau et, d'après les réponses fournies, mieux comprendre son fonctionnement:

"Combiner la lecture et l’écriture de l’activité dans les mêmes neurones dans le cerveau intact pourrait révolutionner la manière dont les neuroscientifiques peuvent interagir avec l’activité cérébrale et la comprendre."

C'est comme avoir une conversation avec le cerveau. Le professeur Hausser explique qu'avec le temps, les réponses que vous obtenez vous donnent une idée des questions clés à poser:

"Tout comme nous combinons des mots spécifiques en phrases qui suscitent une réponse de la part de quelqu'un à qui nous parlons, nous avons utilisé la lumière pour activer des combinaisons spécifiques de cellules nerveuses dans le cerveau intact et enregistrer la réponse des autres cellules."

Dans leur article, le professeur Hausser et ses collègues décrivent comment ils ont conçu des cellules nerveuses dans le cerveau des souris pour qu'elles puissent lire et écrire des signaux cérébraux.

Lire le cerveau signale aux capteurs d'activité génétiquement codés dans les cellules nerveuses de s'allumer lorsque les cellules sont actives. Et pour écrire des signaux cérébraux, ils ont conçu les mêmes cellules nerveuses pour exprimer des protéines sensibles à la lumière qui peuvent être activées par des éclairs de lumière.

La combinaison des techniques a permis à l'équipe d'observer et de contrôler l'activité cérébrale chez les souris.

Ils ont activé des cellules cérébrales sélectionnées selon différents schémas et des réponses mesurées

L'article décrit également comment l'équipe a trouvé un moyen d'activer plusieurs cellules du cerveau en même temps. En utilisant une technique holographique, ils divisent un faisceau de lumière en faisceaux plus petits qu'ils dirigent vers des cellules cérébrales sélectionnées individuellement.

Ils ont testé l'approche sur un groupe de cellules cérébrales du cortex qui répondent au toucher. Quand ils ont activé les neurones choisis avec les faisceaux, ils ont vu des flashs d'activité non seulement dans les neurones activés mais aussi dans des centaines de leurs voisins.

Ils ont activé des cellules cérébrales sélectionnées selon différents schémas et ont mesuré la réponse du circuit - démontrant comment la technique offrait un moyen «d'interroger» le circuit cérébral choisi.

Ils ont répété les expériences dans le même groupe de neurones chez les mêmes souris pendant des jours et des semaines, leur permettant d'avoir une "conversation" prolongée avec le circuit cérébral.

Le premier auteur, le Dr Adam Packer, également de l'Institut Wolfson de recherche biomédicale de l'UCL, affirme que leurs travaux fournissent aux neuroscientifiques les moyens d'avoir «une conversation à long terme et engageante avec le cortex cérébral dans le cerveau d'une souris».

"De manière cruciale", ajoute-t-il, "puisque les méthodes d’enregistrement et d’activation reposent sur la lumière, cette technique est flexible et non invasive".

L'objectif est de casser le «code neuronal» de la perception sensorielle

L’équipe espère finir par déchiffrer le «code neuronal» de la perception sensorielle - le langage que nos cellules cérébrales utilisent pour se renseigner sur l’information recueillie par nos sens dans notre environnement. Ce serait un changement de jeu pour les neurosciences.

Les connaissances acquises pourraient également aller au-delà de la compréhension du code neuronal - elles pourraient révéler comment l'activité cérébrale se dérobe dans des troubles comme l'autisme et la démence.

Le Dr John Isaac, chef des neurosciences et de la santé mentale au Wellcome Trust - un commanditaire de l'étude - dit:

"Cette nouvelle approche nous aide à comprendre comment le système nerveux produit un comportement complexe. Le travail est une étape vers la réalisation de l'un des défis ultimes de la science moderne: comprendre comment le cerveau traite l'information pour produire des actions appropriées."

Les fonds pour l'étude proviennent de la Commission européenne, de l'Organisation européenne de biologie moléculaire, du Conseil européen de la recherche, du Conseil de la recherche médicale, de la Gatsby Charitable Foundation et du Wellcome Trust.

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