Colorer les neurones pour comprendre la mémoire

Nos cer­veaux sont-ils câblés à la nais­sance ? Au moins en par­tie, selon la science. 

Des études réa­li­sées ces der­nières années sur la région du cer­veau res­pon­sable de la mémoire, l’hip­po­campe, sug­gèrent que les neu­rones de cette région semblent être pré- câblés pen­dant le déve­lop­pe­ment. Les scien­ti­fiques en concluent que des groupes de neu­rones déter­mi­nés par des évé­ne­ments très pré­coces peuvent consti­tuer les struc­tures de base de notre mémoire. 

Pour com­prendre com­ment ces struc­tures de base se construisent au cours du déve­lop­pe­ment, les cher­cheurs uti­lisent les nou­velles avan­cées en micro­sco­pie, qui per­mettent de voir dans le cer­veau. Ils peuvent ain­si obser­ver com­ment l’hip­po­campe se modi­fie quand les sou­ris vivent de nou­velles expériences. 

Peindre des neurones

En 2007, une équipe basée à l’U­ni­ver­si­té de Har­vard a mis au point une tech­nique bap­ti­sée « brain­bow » [cer­veau-arc-en-ciel] per­met­tant aux cher­cheurs de colo­rer les neu­rones d’un cer­veau en déve­lop­pe­ment Ain­si, lorsque les scien­ti­fiques les exa­minent au micro­scope, ils visua­lisent le cer­veau comme un ensemble de cel­lules mul­ti­co­lores. Outre la créa­tion de ces images, qui res­semblent plus à de l’art qu’à de la science, cette tech­nique per­met aux cher­cheurs de mettre en évi­dence des neu­rones spé­ci­fiques, en loca­li­sant pré­ci­sé­ment les tra­jec­toires de leurs axones, pour­tant très frêles. 

L’u­ti­li­sa­tion de cou­leurs per­met éga­le­ment aux cher­cheurs d’étudier la neu­ro­ge­nèse, le pro­ces­sus par lequel le cer­veau pro­duit de nou­veaux neu­rones. Chaque nou­velle cel­lule étant glo­ba­le­ment le clone de sa cel­lule mère, elle por­te­ra aus­si la même cou­leur, ce qui per­met­tra donc aux scien­ti­fiques de suivre les lignées des cel­lules cérébrales.

Le pro­jet HOPE

Si la colo­ra­tion des cel­lules neu­rales est la pre­mière étape, la deuxième consiste à pou­voir les obser­ver en haute réso­lu­tion. En effet, le cer­veau est com­po­sé de fais­ceaux denses de neu­rones entre­la­cés, et il n’est pas aisé de repé­rer des détails. Dans le cadre d’un nou­veau pro­jet euro­péen, HOPE, qui doit se dérou­ler à par­tir de l’an­née pro­chaine, Emma­nuel Beau­re­paire et son équipe de l’Ins­ti­tut Poly­tech­nique de Paris uti­lisent la micro­sco­pie à trois pho­tons pour exa­mi­ner les neu­rones colo­rés, et en par­ti­cu­lier les chan­ge­ments qui sur­viennent dans l’hip­po­campe des sou­ris à par­tir de leur naissance.

Les tra­vaux anté­rieurs du Dr. Rosa Cos­sart de l’Institut de Neu­ro­bio­lo­gie de la Médi­ter­ra­née, col­la­bo­ra­trice de HOPE, décrivent le pro­ces­sus de pré-câblage de l’hip­po­campe et l’organisation de l’activité des neu­rones de cette struc­ture lorsque une expé­rience récente est rejouée dans le cadre de la mémorisation.

L’é­quipe, dont fait éga­le­ment par­tie Jean Livet de l’Ins­ti­tut de la Vision, pré­voit de pro­duire des cartes détaillées des pro­jec­tions neu­ro­nales et d’é­tu­dier la struc­ture de l’hip­po­campe pour voir com­ment les cel­lules se connectent entre elles. Ce pro­jet néces­si­te­ra donc à la fois un tra­vail humain, mais aus­si infor­ma­tique, grâce au deep lear­ning. 

« Nous vou­lons voir com­ment les cir­cuits céré­braux sont créés pen­dant le déve­lop­pe­ment, et com­ment cela peut être relié à l’ex­pé­rience dans le cer­veau adulte », explique Emma­nuel Beau­re­paire. « Bien sûr, comme tou­jours avec le cer­veau, nous sommes limi­tés par notre capa­ci­té à obser­ver en pro­fon­deur. En uti­li­sant la micro­sco­pie à trois pho­tons – sur laquelle nous tra­vaillons depuis quatre ans – nous pou­vons regar­der à envi­ron un mil­li­mètre de pro­fon­deur dans les tis­sus d’une sou­ris vivante ». 

De puis­sants lasers sont uti­li­sés pour sti­mu­ler les maté­riaux fluo­res­cents, per­met­tant de voir les neu­rones colo­rés avec une grande pré­ci­sion. Non seule­ment cette tech­nique per­met de regar­der plus pro­fon­dé­ment que les autres méthodes de micro­sco­pie, mais sa grande sen­si­bi­li­té per­met éga­le­ment aux cher­cheurs de voir les détails jus­qu’aux synapses indi­vi­duelles. Cela peut sem­bler peu, mais 1 mm est cer­tai­ne­ment suf­fi­sant pour se faire une idée pré­cise des méca­nismes à l’œuvre. « Notre micro­sco­pie mul­ti-pho­ton est idéale pour l’hip­po­campe… de la sou­ris. La tech­nique est trop inva­sive pour un cer­veau plus grand comme celui d’un humain et, pour l’ins­tant, nous ne pour­rions pas aller assez loin », déclare-t-il. 

Aller au-delà du visuel 

« La micro­sco­pie mul­ti­pho­to­nique est très uti­li­sée en neu­ros­ciences, mais elle sera asso­ciée à d’autres méthodes », ajoute-t-il. « Plus tard, nous pré­voyons ain­si d’u­ti­li­ser l’op­to­gé­né­tique, une tech­nique qui nous per­met de sti­mu­ler ou de blo­quer des neu­rones spé­ci­fiques en uti­li­sant la lumière, pour en obser­ver les effets ». 

« Nous consta­tons actuel­le­ment un énorme pro­grès dans notre com­pré­hen­sion des neu­ros­ciences – en termes de mémoire, de conscience et d’ap­pren­tis­sage – qui débou­che­ra sans doute sur de nou­velles avan­cées dans toute une série de domaines », explique Emma­nuel Beau­re­paire. Les pro­blèmes qui peuvent sur­ve­nir dans l’hip­po­campe en déve­lop­pe­ment sont connus pour être impli­qués dans une série de pro­blèmes de san­té qui peuvent per­sis­ter tout au long de la vie, comme l’é­pi­lep­sie ou l’au­tisme, pour n’en citer que quelques-uns. Mais le véri­table objec­tif de recherche reste pour l’instant de l’ordre de la science fon­da­men­tale : « Il s’a­git d’a­bord de com­prendre com­ment fonc­tionne le cer­veau. Plus tard, peut-être, on pour­ra s’en ser­vir pour des trai­te­ments médi­caux ou psy­chia­triques ».