Les secrets des neurones révélés par les molécules d'eau

Dans notre cerveau, les neurones communiquent en envoyant des signaux électrochimiques le long des axones. Pour lancer un signal sous forme de décharge électrique et communiquer, le neurone permet à des ions de traverser sa membrane, à travers des canaux ioniques. Ces échanges d’ions modifient très rapidement le potentiel électrique de l’intérieur et de l’extérieur de la cellule. C’est ce que l’on appelle le potentiel de membrane.

A l’EPFL, l’équipe du Laboratoire de BioPhotonique fondamentale (LBP) de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur (STI), est parvenue à observer ces changements de potentiel et le flux des ions, en analysant le comportement des molécules d’eau qui entourent les neurones. La méthode, qui fait l’objet d’une publication dans Nature Communications, a été testée avec succès sur des neurones de souris in vitro.

Se passer des électrodes et des fluorophores

L’activité électrique des neurones est révélatrice de nombreux phénomènes dans notre cerveau. Elle permet de dire si un neurone est actif, s’il est au repos, ou s’il réagit bien à un médicament. Actuellement, l’observation des neurones se fait soit en utilisant des fluorophores, soit en posant des électrodes sur la zone à surveiller. Mais les fluorophores sont toxiques et les électrodes peuvent endommager les neurones.

Les chercheurs du LBP proposent quant à eux de surveiller l’activité électrique simplement en observant les interactions entre les molécules d’eau et la membrane des neurones. «Les neurones sont entourés de molécules d’eau. Or ces dernières changent d’orientation en fonction des charges électriques présentes», explique Sylvie Roke, directrice du LBP. «Ainsi, lorsque le potentiel de membrane se modifie, un certain nombre de molécules changent leur orientation, et nous pouvons le voir.»

Pour leur étude, les chercheurs ont intentionnellement créé des changements dans le potentiel de membrane, en soumettant les neurones à un flux important d’ions potassium. A ce contact, les canaux ioniques présents à la surface des neurones -qui sont chargés d’équilibrer le potentiel de membrane- se sont ouverts pour laisser entrer ces ions. Les scientifiques ont ensuite stoppé le flux, et les neurones ont alors relâché les ions qui étaient entrés au préalable.

Pour observer cette activité, les chercheurs pointent deux rayons lasers de même fréquence sur les membranes lipidiques des neurones immergés dans l’eau. Ces rayons superposés sont constitués d’impulsions femtoseconde - générées grâce à la technologie récompensée par le Prix Nobel de Physique en 2018 - afin que les molécules d’eau proches de la membrane émettent des photons à une fréquence double, appelés «lumière de seconde harmonique».

«Nous pensons que cette recherche a des implications à la fois fondamentales et appliquées. Elle peut nous permettre de comprendre les mécanismes liés à la propagation de l’information dans le cerveau, mais elle pourrait aussi intéresser les entreprises pharmaceutiques souhaitant tester des produits in vitro», indique la chercheuse. «Nous avons aussi démontré que nous pouvions sonder un neurone seul, ou plusieurs simultanément.».

Chaire Julia Jacobi de Photomédecine - Laboratoire de BioPhotonique fondamentale