Comme pour les galaxies lointaines, de puissants outils sont nécessaires pour observer les neurones de l’intérieur. Une équipe de neurobiologistes, de psychiatres et de spécialistes de l’imagerie de pointe de l’EPFL et du CHUV publient dans The Journal of Neuroscience une recherche décrivant comment la microscopie holographique digitale (DHM) peut être utilisée pour observer l’activité des neurones en temps réel et en 3D. La résolution est 50 fois meilleure qu’avec les méthodes traditionnelles. Cette application présente un énorme potentiel pour comprendre comment les nouveaux médicaments combattent les maladies neurodégénératives comme Alzheimer ou Parkinson. Issue des sciences des matériaux, cette technologie est déjà commercialisée par une start-up de l’EPFL, Lyncée Tec.
D’ordinaire, les chercheurs utilisent des colorants pour observer les neurones dans une boîte de pétri. Or ces additifs chimiques modifient la composition du neurone et biaisent parfois les résultats. La démarche est laborieuse, endommage les cellules et ne permet d’observer qu'un petit nombre de cellules à la fois.
Grâce à la microscopie holographique digitale, il est possible de contourner ces limites techniques. “La microscopie holographique digitale est une application fondamentalement nouvelle pour étudier les neurones. Elle présente de nombreux avantages par rapport aux microscopes traditionnels”, explique Pierre Magistretti, un des auteurs principaux de cette recherche et directeur du Brain Mind Institute à l’EPFL. “Cette technique permet l’observation prolongée des processus neuronaux sans avoir à utiliser des électrodes ou des colorants qui endommagent les cellules”.
Pierre Marquet, médecin psychiatre et ingénieur physicien de l’EPFL, ajoute que “la microscopie holographique digitale donne de précieuses informations non seulement sur la forme des neurones, mais également sur leur dynamique et leur activité. Elle permet également de créer des images 3D d’une précision de 10 nanomètres. En comparaison, les microscopes traditionnels ne dépassent pas les 500 nanomètres en définition”.
Pour mieux comprendre comment fonctionne la microscopie holographique digitale, nous pouvons imaginer un rocher à demi-immergé dans l’océan, et entouré de vagues parfaitement régulières. Les vagues qui contournent le rocher et se déforment autour de lui donnent des informations sur sa forme. En les comparant avec les vagues qui n'ont pas rencontré d'obstacle, il devient alors possible de reconstruire la forme de l’objet rencontré. La microscopie holographique digitale effectue une opération similaire, mais avec un laser. Les chercheurs pointent le faisceau sur un objet. La distorsion du laser, comparée à un faisceaux de référence, permet de déduire la forme de l’objet.
Un ordinateur se charge de calculer et de reconstruire numériquement l'image 3D de l’objet - en l'occurence, les neurones. Les auteurs de l’étude ont développé un algorithme dans ce but. De plus, les neurones étant transparents, le faisceau laser les traverse et permet de recueillir d’importantes informations quant à leur composition.
Avec des pionniers de la microscopie holographique digitale et Christian Depeursinge du Laboratoire d’Optique appliquée, Pierre Magistretti a décidé d’utiliser cette technologie dans le domaine de la neurobiologie. Jusqu’alors, elle était appliquée dans le domaine des matériaux.
Les chercheurs provoquent une charge électrique dans une culture de neurones. Pour ce faire, ils introduisent du glutamate, l’un des neurotransmetteurs les plus communs. Ce transfert de charge achemine de l’eau dans les neurones et modifie leurs propriétés optiques. Avec la microscopie holographique digitale, il est possible de détecter ce phénomène. Cette technique permet de visualiser avec précision l’activité électrique de plusieurs centaines de neurones en temps réel.
Une avancée majeure pour la recherche pharmaceutique
Cette avancée aura un impact important sur la recherche de nouveaux médicaments destinés à combattre ou à prévenir des maladies neurodégénératives comme la maladie de Parkinson ou la maladie d’Alzheimer. En effet, elle permet de tester de nombreuses molécules actives en plus grand nombre et plus rapidement.
“Grâce à sa précision à sa rapidité, il est possible de dépister d’infimes changements de propriétés des neurones sur lesquelles on teste un médicament”, souligne Pierre Magistretti. “Une opération qui prendrait normalement 12 heures en laboratoire peut être désormais réalisée en 15 à 30 minutes, ce qui diminue considérablement le temps qu’il faut à un chercheur pour savoir si un médicament est efficace ou non.”
Lire l’article: The Journal of Neuroscience, August 17, 2011 • 31(33):11846 –11854
Titre: Determination of Transmembrane Water Fluxes in Neurons Elicited by Glutamate Ionotropic Receptors and by the Cotransporters KCC2 and NKCC1: A Digital Holographic Microscopy Study.
Auteurs: Pascal Jourdain, Nicolas Pavillon, Corinne Moratal, Daniel Boss, Benjamin Rappaz, Christian Depeursinge, Pierre Marquet, and Pierre J. Magistretti
