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La lumière peut affecter les neurones, ce qui peut provoquer la maladie d'Alzheimer, l'épilepsie et d'autres troubles s'ils cessent de fonctionner.

Le cerveau contient des milliards de neurones - de minuscules cellules qui utilisent des impulsions électriques et des signaux chimiques pour communiquer entre elles et avec d'autres parties du corps.

Lorsque les neurones cessent de fonctionner correctement, cela peut entraîner le développement de troubles cérébraux tels que la maladie d'Alzheimer, l'épilepsie ou la dépression.

Pour mieux comprendre et gérer ces troubles, les scientifiques ont développé des techniques de stimulation cérébrale qui leur permettent d'influencer l'activité neuronale.

Dans les méthodes conventionnelles de stimulation cérébrale profonde, des neurostimulateurs électriques, ou «stimulateurs cérébraux», sont implantés chirurgicalement dans le cerveau.

Alors que la science du cerveau continue de progresser, les chercheurs ont développé des méthodes moins invasives pour stimuler les cellules profondément dans le cerveau.

Alors que certains experts utilisent des impulsions magnétiques ou des ondes sonores pour stimuler les neurones, les chercheurs dans le domaine de l'optogénétique utilisent la lumière.

Le lauréat du prix Science et PINS pour la neuromodulation de cette année, Shuo Chen, PhD, a été reconnu pour son travail dans ce domaine.

"Dr. Chen et ses collègues ont montré que la lumière proche infrarouge, lorsqu'elle est utilisée en combinaison avec certaines nanoparticules, permettait la stimulation des neurones profondément dans le cerveau »,Dr.Karl Deisseroth, professeur de bio-ingénierie, de psychiatrie et de sciences du comportement à l'Université de Stanford, a déclaré à Healthline.

"Plus de travail doit être fait pour en faire un processus robuste et utile", a-t-il dit, "mais le Dr Chen et ses collègues ont franchi une étape clé."

Ingénierie des cellules cérébrales sensibles à la lumière

Deisseroth est l'un des principaux pionniers de l'optogénétique, une technique dans laquelle les cellules cérébrales sont génétiquement modifiées pour répondre à la lumière.

Dans cette méthode de stimulation cérébrale, les scientifiques transfèrent des morceaux de code génétique dérivés d'algues et d'autres microbes dans les cellules cérébrales de souris ou d'autres animaux.Ce code génétique amène les neurones à produire des protéines sensibles à la lumière, appelées opsines.

Lorsque les scientifiques exposent les neurones producteurs d'opsine à certaines longueurs d'onde de la lumière du spectre visible, ces neurones s'allument ou s'éteignent.

En activant ou en supprimant des neurones spécifiques, les chercheurs peuvent en apprendre davantage sur le rôle que ces neurones jouent dans la fonction cérébrale et les troubles cérébraux.

"De cette façon, le rôle causal et la signification fonctionnelle de l'activité cellulaire peuvent être déterminés dans n'importe quelle espèce ou tissu ou comportement d'intérêt, allant de la mémoire à l'humeur en passant par le mouvement",dit Deisseroth.

"L'optogénétique apporte une capacité inégalée pour parler le langage naturel du cerveau, en termes de spécificité et de vitesse de type cellulaire", a-t-il ajouté.

Développer des techniques non invasives

Les neurones producteurs d'opsine ne répondent qu'à la lumière du spectre visible, qui ne peut pas pénétrer profondément dans le tissu cérébral.

Par conséquent, la stimulation optogénétique a toujours nécessité l'insertion de sources lumineuses à fibres optiques à l'intérieur du cerveau.

Pour développer une méthode moins invasive de diffusion de la lumière, Deisseroth et sa collègue Polina Anikeeva, PhD, ont proposé l'utilisation de la lumière proche infrarouge (NIR).

La lumière NIR peut traverser le crâne et pénétrer profondément dans le tissu cérébral, sans l'insertion de sources de lumière internes.Cependant, la lumière NIR ne déclenche pas de réponse des neurones producteurs d'opsine.

Pour exploiter le pouvoir de pénétration des tissus de la lumière NIR, Deisseroth et Anikeeva ont mis au point une méthode brevetée pour enrober les neurones producteurs d'opsine dans de minuscules nanoparticules qui convertissent la lumière NIR en lumière du spectre visible.Cette technique est connue sous le nom de conversion ascendante NIR.

Chen et son équipe de recherche ont appliqué cette méthode, montrant pour la première fois que l'optogénétique de conversion ascendante NIR peut être utilisée pour contrôler les neurones profondément dans le cerveau des souris.

L'équipe de recherche de Chen a utilisé cette technique pour stimuler la libération de dopamine dans une zone du cerveau censée jouer un rôle dans la dépression.

« Surmonter le défi de la profondeur de pénétration optique sera la clé pour réaliser une optogénétique à distance non invasive avec un potentiel de traduction clinique élevé »,Chen a écrit dans sonessai primésur le sujet.

"Notre étude récente a résolu ce problème en appliquant une approche assistée par des nanomatériaux qui" déplace "les outils optogénétiques existants dans la région du proche infrarouge", a-t-il ajouté.

Application de la stimulation cérébrale chez l'homme

Alors que les scientifiques continuent de rechercher l'optogénétique chez les souris, les poissons zèbres et d'autres animaux, elle n'a pas été étudiée comme traitement des troubles cérébraux chez les sujets humains.

Davantage de travail doit être fait pour développer et tester des méthodes non invasives de distribution de lumière, ainsi que des stratégies non invasives pour transférer le code génétique dans les cellules cérébrales.

"Il est trop tôt pour prédire quelle technique émergera à la pointe de la technologie de stimulation cérébrale non invasive de nouvelle génération",Chen a déclaré dans un communiqué de presse publié par l'Association américaine pour l'avancement des sciences.

"Cependant, nous pensons que des réalisations telles que l'optogénétique de conversion ascendante NIR ouvrent rapidement de nombreuses voies de développement et ouvrent la voie à un brillant avenir thérapeutique", a-t-il poursuivi.

Entre-temps, d'autres méthodes de stimulation cérébrale non invasive sont également développées, testées et utilisées chez l'homme.

"Il existe des méthodes non invasives qui ne nécessitent pas de thérapies géniques, telles que la stimulation magnétique et électrique transcrânienne, qui sont déjà couramment utilisées avec des sujets humains à titre expérimental",Ed Boyden, PhD, professeur de neurotechnologie au Massachusetts Institute of Technology (MIT), a déclaré à Healthline.

La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est une procédure non invasive dans laquelle des champs magnétiques sont utilisés pour stimuler les cellules nerveuses du cerveau.La Food & Drug Administration (FDA) a déjàpermisla commercialisation de la TMS comme traitement de la dépression majeure, ainsi que des troubles obsessionnels compulsifs et des migraines.

Les membres du groupe de recherche de Boyden ont également mené des recherches sur la stimulation électrique transcrânienne (TES), une approche non invasive de la stimulation cérébrale dans laquelle des électrodes sont placées sur le cuir chevelu.Ils espèrent que cette technique leur permettra d'atteindre les cellules profondes du cerveau, avec une plus grande précision que la TMS.

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