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En médecine, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) est un outil inestimable, car il permet de visualiser en 2 ou en 3 dimensions des parties bien spécifiques de l’anatomie humaine, et cela de façon non évasive. Mais cette technologie a un problème; elle ne produit pas facilement une image très précise. Mais cela pourrait changer. En effet, des neuroscientifiques du MIT ont mis au point un nouveau capteur d’imagerie par résonance magnétique qui leur permet de surveiller l’activité neuronale dans le cerveau en suivant les ions calcium.

Un lien entre les ions calcium et les neurones

Parce que les ions calcium sont directement liés à la décharge neuronale – contrairement aux changements dans le flux sanguin détectés par d’autres types d’IRM, qui fournissent un signal indirect – ce nouveau type de détection pourrait permettre aux chercheurs de relier certaines fonctions cérébrales à leur activité neuronale. afin de déterminer comment les régions du cerveau distantes communiquent entre elles lors de tâches particulières.

«Les concentrations d’ions calcium sont étroitement corrélées aux événements de signalisation dans le système nerveux», explique Alan Jasanoff, professeur en génie biologique, sciences cérébrales et cognitives, et science en génie nucléaire au MIT, membre associé de l’Institut McGovern pour la recherche sur le cerveau du MIT, et l’auteur principal de cette étude. « Nous avons conçu une sonde avec une architecture moléculaire qui peut détecter des changements relativement subtils du calcium extracellulaire qui sont corrélés avec l’activité neurale. »

Dans des tests sur des rats, les chercheurs ont démontré que leur capteur de calcium peut détecter avec précision les changements dans l’activité neurale induite par une stimulation chimique ou électrique, au plus profond d’une partie du cerveau appelée striatum.

Le suivi du calcium

Un des piliers de la recherche en neurosciences, est l’IRM qui permet aux scientifiques d’identifier les parties du cerveau qui sont actives lors de tâches particulières. Le type le plus couramment utilisé est connu sous le nom d’IRM fonctionnelle; il mesure le flux sanguin dans le cerveau en tant que marqueur indirect de l’activité neuronale. Jasanoff et ses collègues ont voulu concevoir un moyen de cartographier les activités neuronales avec une spécificité et une résolution que les techniques d’IRM basées sur le flux sanguin ne peuvent pas atteindre.

« Les méthodes qui permettent de cartographier l’activité cérébrale dans les tissus profonds reposent sur les changements dans le flux sanguin, et ceux-ci sont couplés à l’activité neuronale à travers différentes voies physiologiques », explique Jasanoff. « En conséquence, le signal que vous voyez à la fin est souvent difficile à attribuer à une cause sous-jacente. »

D’autre part, le flux d’ions calcium peut être directement lié à l’activité neuronale. Quand un neurone déclenche une impulsion électrique, les ions calcium se précipitent dans la cellule. Depuis environ une décennie, les neuroscientifiques utilisent des molécules fluorescentes pour marquer le calcium dans le cerveau et l’imager avec la microscopie traditionnelle. Cette technique leur permet de suivre précisément l’activité neuronale, mais son utilisation est limitée à de petites zones du cerveau.

Un nouveau capteur

L’équipe du MIT a entrepris de trouver un moyen d’imager le calcium en utilisant l’IRM, ce qui permettrait d’analyser des volumes de tissus beaucoup plus importants. Pour ce faire, ils ont conçu un nouveau capteur pouvant détecter des changements subtils dans les concentrations de calcium à l’extérieur des cellules et de réagir d’une manière détectable par l’IRM.

Ce nouveau capteur se compose de deux types de particules qui se regroupent en présence du calcium. L’une est une protéine naturelle se liant au calcium appelée synaptotagmine, et l’autre est une nanoparticule d’oxyde de fer magnétique enrobée dans un lipide qui peut également se lier à la synaptotagmine, mais seulement lorsque le calcium est présent.

La liaison au calcium induit une agrégation de ces particules, les rendant plus sombres dans une image IRM. Des niveaux élevés de calcium à l’extérieur des neurones sont en corrélation avec une faible activité neuronale; lorsque les concentrations de calcium chutent, cela signifie que les neurones dans cette zone envoient des impulsions électriques.

Détecter l’activité cérébrale

Pour tester leurs capteurs, les chercheurs les ont injectés dans le striatum des rats, une région impliquée dans la planification du mouvement et l’apprentissage de nouveaux comportements. Ils ont ensuite donné aux rats un stimulus chimique qui induit de courtes périodes d’activité neuronale, et ont trouvé que le capteur de calcium reflétait cette activité.

Ils ont également constaté que ce capteur relevait l’activité induite par une stimulation électrique dans une partie du cerveau impliquée dans la récompense.

Selon Xin Yu, chef de groupe de recherche à l’Institut Max Planck pour la cybernétique biologique à Tuebingen, en Allemagne, qui n’a pas participé à la recherche, cette approche offre une nouvelle façon d’examiner le fonctionnement du cerveau.

« Bien que nous ayons accumulé suffisamment de connaissances sur la signalisation intracellulaire du calcium au cours du dernier demi-siècle, il a rarement été étudié exactement comment les changements dynamiques du calcium extracellulaire contribuaient au fonctionnement du cerveau, ou servaient d’indicateur de la fonction cérébrale ». « Quand nous déchiffrons un système aussi compliqué et auto-adapté que le cerveau, chaque information compte. »

Améliorer ce capteur

La version actuelle du capteur répond dans les quelques secondes suivant la stimulation cérébrale, mais les chercheurs travaillent à accélérer cette stimulation. Ils tentent également de modifier ce capteur afin qu’il puisse se propager dans une plus grande région du cerveau et passer à travers la barrière hémato-encéphalique, ce qui permettrait de délivrer ces particules sans les injecter directement.

Avec ce type de capteur, Jasanoff espère cartographier les modèles d’activité neurale avec plus de précision que ce qui est maintenant possible. « Vous pourriez imaginer mesurer l’activité du calcium dans différentes parties du cerveau et essayer de déterminer, par exemple, comment les différents types de stimuli sensoriels sont codés de différentes manières par l’activité neuronale qu’ils induisent », explique-t-il.

Satoshi Okada et Benjamin Bartelle sont les principaux auteurs de cette étude, laquelle a été publiée dans le numéro du 30 avril de Nature Nanotechnology.

source : MIT