Outil de cartographie cérébrale amélioré 20 fois plus puissant que la version précédente

Outil de cartographie cérébrale amélioré 20 fois plus puissant que la version précédente

La technologie améliorée du virus de la rage de l'équipe Salk cartographie les neurones sur de larges pans du système nerveux

LA JOLLA—Les scientifiques du Salk Institute ont développé un nouveau réactif pour cartographier le réseau complexe de connexions du cerveau qui est 20 fois plus efficace que leur version précédente. Cet outil améliore une technique appelée traçage du virus de la rage, qui a été développée à l'origine dans le Callaway laboratoire de Salk et est couramment utilisé pour cartographier les connexions neuronales.

Le traçage viral de la rage utilise une version modifiée du virus de la rage qui saute entre les neurones, éclairant les connexions en cours de route. La carte éclairée permet aux chercheurs de tracer avec précision quels neurones se connectent les uns aux autres. La visualisation de ces circuits neuronaux peut aider les scientifiques à en savoir plus sur des conditions allant des maladies motrices à troubles neurodéveloppementaux.

« Pour vraiment comprendre le fonctionnement du cerveau, nous devons comprendre comment différents types de neurones sont connectés les uns aux autres dans de nombreuses zones cérébrales distantes. Les méthodes de traçage de la rage que nous avons développées ont rendu cela possible, mais nous n'étiquetions qu'une fraction de toutes les connexions », explique Edward Callaway, professeur à Salk et auteur principal du nouvel article, publié le 14 avril 2016 dans la revue. Cell Reports.

Il ajoute qu'une amélioration aussi spectaculaire d'un outil essentiel pour les neurosciences aidera les chercheurs à éclairer les aspects des troubles cérébraux où la connectivité et le traitement global vont mal, comme dans l'autisme et la schizophrénie.

Les connexions à longue distance entre les neurones sont essentielles à ce qu'on appelle le traitement global dans le cerveau. Imaginez une balle naviguant vers un receveur. Les circuits visuels du receveur traiteront les informations sur la balle et enverront ces informations aux circuits moteurs du cerveau. Les circuits moteurs dirigent ensuite les nerfs du bras et de la main du receveur pour saisir le ballon. Ce traitement global repose sur des circuits neuronaux à longue distance formant des connexions précises avec des types de neurones spécifiques ; ces circuits peuvent être révélés avec des traceurs viraux de la rage.

"Avec ce nouveau traceur de la rage, nous pouvons mieux visualiser la connectivité neurone par neurone et à travers les neurones d'entrée à longue distance qu'avec les traceurs de la rage précédents", explique Euiseok Kim, associé de recherche de Salk et premier auteur de l'article.

Il y a des milliards de neurones dans le cerveau, et seule une poignée de technologies peuvent cartographier la communication entre eux. Certaines techniques d'imagerie telles que l'IRM fonctionnelle peuvent visualiser une communication à grande échelle à travers le cerveau, mais ne se concentrent pas sur le niveau cellulaire. L'électrophysiologie et la microscopie électronique peuvent suivre la connectivité de cellule à cellule, mais ne sont pas adaptées à la cartographie des circuits neuronaux dans l'ensemble du cerveau.

Les méthodes de traçage utilisant des virus neurotropes, comme la rage, sont utilisées depuis longtemps pour tracer les connexions à travers les voies neuronales. Mais ces virus se propagent largement dans le cerveau à travers de multiples circuits, ce qui rend difficile de déterminer quels neurones sont directement connectés. En 2007, le laboratoire de Callaway a lancé une nouvelle approche basée sur le virus de la rage génétiquement modifié. Cette approche a permis de cibler l'infection virale sur des types spécifiques de neurones et a également permis de contrôler la propagation du virus. Le résultat est que ce système illumine les neurones dans tout le cerveau, mais marque uniquement ceux qui sont directement connectés aux neurones d'intérêt.

Pour contrôler la distance parcourue par le virus, les scientifiques s'assurent que le virus de la rage ne peut infecter qu'un groupe restreint de neurones. Les premiers scientifiques retirent et remplacent l'enveloppe externe cruciale du virus de la rage, appelée glycoprotéines. Le virus a besoin de cette enveloppe de glycoprotéines pour pénétrer dans les cellules et les infecter, mais la glycoprotéine de remplacement empêche le virus d'infecter les neurones normaux. Les scientifiques modifient ensuite un groupe de neurones chez la souris pour en faire des «cellules de départ» qui sont particulièrement sensibles à l'infection par la glycoprotéine modifiée. Les cellules de départ sont également programmées pour fournir les glycoprotéines de la rage afin qu'une fois qu'une cellule de départ est infectée, de nouvelles copies du traceur de la rage puissent se propager à travers les synapses de la cellule de départ dans les neurones connectés. Cependant, une fois que le traceur viral de la rage est dans l'ensemble de neurones suivant, il ne trouvera pas la glycoprotéine dont il a besoin pour continuer à se propager, et ainsi la piste de l'infection à travers les circuits neuronaux se termine.

Bien que le traceur viral de la rage d'origine trace avec précision les circuits, il ne traversait qu'une fraction des synapses de la cellule starter. L'équipe de recherche de Salk a entrepris de concevoir un traceur viral de la rage plus efficace. Tout d'abord, les chercheurs ont prélevé des morceaux de diverses souches de la rage pour créer de nouvelles glycoprotéines chimériques, puis ont testé les versions en comptant les cellules marquées dans des circuits connus.

La glycoprotéine chimérique gagnante a ensuite été modifiée génétiquement avec une technique appelée optimisation des codons pour augmenter les niveaux de glycoprotéine produite dans les cellules starter. Comparé au traceur original de la rage, le nouveau traceur à codons optimisés a augmenté jusqu'à 20 fois l'efficacité du traçage pour les neurones d'entrée à longue distance.

"Bien que cette version améliorée soit bien meilleure, il existe encore des possibilités d'améliorer encore le traceur de la rage alors que nous continuons à examiner d'autres souches de la rage", déclare Kim.

Les autres co-auteurs de l'étude étaient Matthew Jacobs et Tony Ito-Cole du laboratoire de neurobiologie des systèmes du Salk Institute.

Ce travail a été financé en partie par le National Institutes of Health, Fondation de bienfaisance Gatsby et de la Institut médical Howard Hughes Prix ​​de l'innovation collaborative.