Dans le labyrinthe de nos cerveaux, il existe diverses voies par lesquelles voyagent les signaux neuronaux. Ces voies peuvent aller de travers chez les patients atteints de maladies et de troubles neurologiques et psychiatriques, y compris l’épilepsie, la maladie de Parkinson et le trouble obsessionnel compulsif. Des chercheurs ont développé de nouvelles stratégies thérapeutiques pour cibler plus précisément les voies neurales impliquées dans ces conditions, mais elles nécessitaient souvent une intervention chirurgicale.

Activer sélectivement les circuits neuronaux

Les dernières découvertes du laboratoire de Mikhail Shapiro, professeur adjoint de génie chimique et membre affilié de l’Institut de neurosciences Tianqiao et Chrissy Chen à Caltech, montrent maintenant comment les scientifiques et les médecins pourraient, à l’avenir, activer sélectivement les circuits neuronaux sans la nécessité d’une intervention chirurgicale. Cette nouvelle étude, présentée dans l’édition en ligne de Nature Biomedical Engineering du 9 juillet, montre comment la méthode – qui implique un trio de traitements: ondes ultrasonores, thérapie génique et drogues synthétiques – peut être utilisée pour modifier spécifiquement la formation de la mémoire chez la souris.

«En utilisant des ondes sonores et des techniques génétiques connues, nous pouvons, pour la première fois, contrôler de manière non invasive des régions et des types cellulaires spécifiques, ainsi que le moment où les neurones sont allumés ou éteints», explique Shapiro, également un chercheur du Heritage Medical Research Institute. Ce travail a des implications pour la recherche fondamentale chez les animaux et pour le traitement futur des maladies neurologiques et psychiatriques.

Bien que l’idée d’un réglage fin des circuits neuronaux ne soit pas nouvelle – par exemple, dans un domaine en pleine croissance appelé optogénétique, la lumière est utilisée pour contrôler les régions cérébrales via des fibres optiques implantées – l’un des aspects original de cette méthode concerne les ondes sonores. Le laboratoire de Shapiro a déjà utilisé des ondes sonores pour imager et contrôler les fonctions des cellules artificielles à l’intérieur du corps.

Utiliser des ondes sonores

Dans cette nouvelle étude, les ondes sonores sont utilisées en combinaison avec de petites bulles injectées dans le sang pour ouvrir temporairement la barrière hémato-encéphalique – une couche protectrice qui empêche les substances dans le sang, en particulier celles qui pourraient être nocives, d’entrer dans le cerveau.

«Lorsque les bulles sont frappées par des ultrasons, elles vibrent et ce mouvement bouscule la barrière hémato-encéphalique pendant une courte période», explique Jerzy Szablowski, auteur principal de cette nouvelle étude et chercheur post-doctoral dans le laboratoire de Shapiro.

L’ouverture temporaire de la barrière hémato-encéphalique est la première étape de la nouvelle stratégie à trois volets pour contrôler les circuits neuronaux. Avec la barrière hémato-encéphalique ouverte dans la région ciblée par échographie, l’équipe peut alors utiliser la thérapie génique. Un virus est délivré dans le sang, il passe la barrière hémato-encéphalique, puis transmet des instructions génétiques aux cellules désirées. Ces instructions génétiques codent pour des protéines, appelées récepteurs chimiogénétiques, qui ont été conçues pour répondre à un médicament correspondant à une maladie.

Visualisation de la méthode chimiogénétique :

La dernière étape du processus consiste à administrer ce médicament et activer ou désactiver les neurones spécifiques. Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont démontré la technique en ciblant les neurones formant la mémoire chez les souris, situées dans une partie du cerveau appelée l’hippocampe. Lorsque les souris ont reçu le médicament chimiogénétique, ces neurones ont été désactivés, et, par conséquent, les souris ont été temporairement incapables de former de nouveaux souvenirs.

Parce que cette nouvelle technique du laboratoire de Shapiro combine la chimiogénétique et l’échographie, l’équipe l’a surnommée «chimio-acoustique ciblée acoustiquement» ou ATAC.

« C’est une approche impressionnante et innovante qui sera utile par de nombreux neuroscientifiques », explique le professeur de pharmacologie Bryan Roth de l’Université de Caroline du Nord à Chapel Hill, l’inventeur de certaines des premières protéines chimiogénétiques, qui n’a pas participé à l’étude.

Une combinaison de technologies

« Notre méthode est une combinaison de technologies, dont chacune a été utilisée chez les animaux et est en cours d’avancement en clinique », explique Shapiro. « Pour cette raison, nous sommes plus avancés dans notre processus de développement que nous le serions si nous partions de rien. »

Les chercheurs expliquent qu’ils espèrent continuer à tester leur méthode chez les animaux avec des maladies telles que l’épilepsie. De nombreux patients souffrant d’épilepsie subissent actuellement une intervention chirurgicale pour découper les régions de leur cerveau où l’on pense que les crises sont déclenchées. Avec la méthode ATAC, des zones spécifiques du cerveau pourraient, en théorie, être éteintes sans chirurgie.

Une méthode réversible

« Ce qu’il y a d’intéressant avec cette méthode c’est qu’elle est réversible », explique Szablowski. « Vous pouvez administrer un médicament pour désactiver certaines cellules nerveuses, puis ces cellules peuvent être réactivées. Vous pouvez également effectuer un dosage de médicament pour déterminer comment vous voulez éteindre complètement des régions du cerveau. »

Cette nouvelle étude biomédicale d’ingénierie est intitulée; « Acoustically Targeted Chemogenetics for the Non-Invasive Control of Neural Circuits, » a été financé par l’Institut de recherche médicale Heritage, l’Institut Jacobs d’ingénierie moléculaire pour la médecine et l’Agence de projets de recherche avancée de la Défense. La recherche dans le laboratoire Shapiro est également soutenue par une bourse Packard pour la science et l’ingénierie et un prix de la Distinguished Scientist de la Fondation Sontag. Les autres auteurs comprennent Audrey Lee-Gosselin, Brian Lue et Dina Malounda de Caltech.

Source : Caltech