Dans un premier temps, les scientifiques de Salk utilisent des ondes sonores pour contrôler les cellules du cerveau

Dans un premier temps, les scientifiques de Salk utilisent des ondes sonores pour contrôler les cellules du cerveau

Une nouvelle technique permettant d'activer de manière sélective et non invasive des groupes de neurones chez les vers pourrait être une aubaine pour la science et la médecine

LA JOLLA – Des scientifiques de Salk ont mis au point une nouvelle méthode permettant d'activer sélectivement les cellules du cerveau, du cœur, des muscles et d'autres cellules grâce aux ultrasons. Cette nouvelle technique, baptisée sonogénétique, présente des similitudes avec l'utilisation croissante de la lumière pour activer les cellules afin de mieux comprendre le cerveau.

Cette nouvelle méthode, qui utilise le même type d'ondes que celles utilisées en échographie médicale, pourrait présenter des avantages par rapport à l'approche photonique (appelée optogénétique), notamment pour adapter cette technologie à la thérapeutique humaine. Elle a été décrite le 15 septembre 2015 dans la revue. Communications Nature.

« Les techniques basées sur la lumière sont excellentes pour certaines utilisations et je pense que nous allons continuer à voir des développements dans ce domaine », déclare Sreekanth Chalasani, professeur adjoint à Salk's Laboratoire de neurobiologie moléculaire et auteur principal de l'étude. « Mais il s'agit d'un nouvel outil supplémentaire pour manipuler les neurones et d'autres cellules du corps. »

En optogénétique, les chercheurs ajoutent des protéines de canaux photosensibles aux neurones qu'ils souhaitent étudier. En focalisant un laser sur les cellules, ils peuvent ouvrir sélectivement ces canaux, activant ou inactivant les neurones ciblés. Cependant, l'utilisation d'une approche optogénétique sur les cellules cérébrales profondes est complexe : les chercheurs doivent généralement recourir à la chirurgie pour implanter une fibre optique capable d'atteindre les cellules. De plus, la lumière est diffusée par le cerveau et d'autres tissus du corps.

Chalasani et son équipe ont décidé de développer une approche utilisant plutôt des ultrasons pour l'activation. « Contrairement à la lumière, les ultrasons basse fréquence peuvent traverser le corps sans se diffuser », explique-t-il. « Cela pourrait constituer un avantage considérable pour stimuler une région cérébrale profonde sans affecter les autres », ajoute Stuart Ibsen, chercheur postdoctoral au laboratoire de Chalasani et premier auteur des nouveaux travaux.

Pour la première fois, des ondes sonores sont utilisées pour contrôler les cellules cérébrales. Les scientifiques de Salk ont développé une nouvelle technique, baptisée sonogénétique, permettant d'activer de manière sélective et non invasive des groupes de neurones chez les vers, ce qui pourrait constituer une véritable aubaine pour la science et la médecine.

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Image : avec l'aimable autorisation du Salk Institute for Biological Studies

Chalasani et ses collègues ont d'abord montré que, chez le nématode Caenorhabditis elegansDes microbulles de gaz à l'extérieur du ver étaient nécessaires pour amplifier les ondes ultrasonores de faible intensité. « Les microbulles grossissent et rétrécissent au rythme des ondes de pression ultrasonores », explique Ibsen. « Ces oscillations peuvent ensuite se propager de manière non invasive dans le ver. »

Ils ont ensuite découvert un canal ionique membranaire, TRP-4, capable de réagir à ces ondes. Lorsque les déformations mécaniques provoquées par les ultrasons frappant les bulles de gaz se propagent dans le ver, elles provoquent l'ouverture des canaux TRP-4 et l'activation de la cellule. Forte de ces connaissances, l'équipe a tenté d'ajouter le canal TRP-4 à des neurones qui en sont normalement dépourvus.
Grâce à cette approche, ils ont réussi à activer des neurones qui ne réagissent généralement pas aux ultrasons.

Jusqu'à présent, la sonogénétique n'a été appliquée qu'à C. elegans neurones. Mais le TRP-4 pourrait être ajouté à n'importe quel type de cellule sensible au calcium dans n'importe quel organisme, y compris l'humain, explique Chalasani. Des microbulles pourraient ensuite être injectées dans la circulation sanguine et distribuées dans tout le corps – une approche déjà utilisée dans certaines techniques d'imagerie humaine. Les ultrasons pourraient alors atteindre de manière non invasive n'importe quel tissu d'intérêt, y compris le cerveau, être amplifiés par les microbulles et activer les cellules concernées par le TRP-4. De plus, de nombreuses cellules du corps humain, souligne-t-il, peuvent réagir aux apports de calcium provoqués par le TRP-4.

« Le véritable défi sera de voir si cela pourrait fonctionner dans le cerveau d'un mammifère », explique Chalasani. Son groupe a déjà commencé à tester l'approche chez la souris. « Lorsque nous passerons aux thérapies humaines, je pense que nous aurons plus de chances d'utiliser des approches non invasives de sonogénétique que l'optogénétique. »

Les approches optogénétiques et sonogénétiques, ajoute-t-il, sont prometteuses en recherche fondamentale, car elles permettent aux scientifiques d'étudier l'effet de l'activation cellulaire. Elles pourraient également être utiles en thérapeutique, en activant les cellules affectées par la maladie. Cependant, pour que ces techniques soient utilisables chez l'homme, les chercheurs doivent d'abord développer des moyens sûrs d'acheminer les canaux sensibles à la lumière ou aux ultrasons vers les cellules cibles.

Les autres chercheurs ayant participé à l'étude étaient Stuart Ibsen et Ada Tong de l'Institut Salk, ainsi que Carolyn Schutt et Sadik Esener de l'Institut de recherche sur les maladies infectieuses. Université de Californie, San Diego.

Les travaux et les chercheurs impliqués ont été soutenus par une bourse postdoctorale du Salk Institute Pioneer Fund, une bourse d'innovation du Salk Institute, Fondation Rita Allen, le Fondation WM Keck et la National Institutes of Health.