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Comment les neurosciences transforment notre rapport à l’intelligence

Colorer les neurones pour comprendre la mémoire

James Bowers, Rédacteur en chef de Polytechnique Insights
Le 18 février 2021 |
4 mins de lecture
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Colorer les neurones pour comprendre la mémoire
Emmanuel Beaurepaire
Emmanuel Beaurepaire
directeur de recherche CNRS au Laboratoire d’optique et biosciences de l’École polytechnique (IP Paris)*
En bref
  • Les recherches sur le cerveau montrent que les neurones de la région de l'hippocampe sont organisés très tôt dans la vie pour constituer les bases de la mémoire.
  • Expert en microscopie multiphotonique, le Dr. Emmanuel Beaurepaire et ses collègues ont pour objectif d'étudier ce processus dans le cadre d'un projet intitulé HOPE et financé par l'Europe.
  • Les chercheurs commencent par marquer les neurones avec des couleurs, grâce à une technique développée en 2007 par une équipe de l'Université de Harvard et appelée « brainbow » [cerveau arc-en-ciel].
  • Ils prévoient d'utiliser par la suite la microscopie multiphotonique pour étudier les neurones, leurs projections et leur développement tout au long de la vie de la souris étudiée.

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. 

Brain­bow : Les chercheurs peu­vent col­or­er le tis­su cor­ti­cal de la souris et en réalis­er des images grâce à une tech­nique con­nue sous le nom de « micro­scopie chro­ma­tique mul­ti­pho­ton » (ChroMS). (Crédit : Abde­ladim et al, Nat. Com­mun, 2019)

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 ».