Ils ont découvert une protéine d'algue qui permet aux scientifiques d'activer et de désactiver par la lumière les cellules cérébrales de leur choix.
- Une algue verte possède une protéine qui ouvre une minuscule porte quand la lumière bleue la frappe.
- Placez le gène de cette protéine dans des neurones, et un éclair de lumière fait s'activer ces cellules.
- Les scientifiques peuvent désormais tester, chez l'animal vivant, quelles cellules cérébrales provoquent un souvenir, une émotion ou un comportement.
Le problème de départ
Au XXe siècle, les chercheurs ont établi quelles régions du cerveau assuraient quelles fonctions. Leurs outils manquaient de précision. Ils pouvaient observer l'activité et repérer des liens, mais ne pouvaient pas prouver qu'un type de neurone causait une émotion ou un comportement.
Les neurones aux fonctions différentes sont étroitement mêlés, et les anciennes méthodes ne permettaient pas d'isoler un seul type. Francis Crick avait suggéré que la lumière serait le moyen idéal de contrôler des types cellulaires précis. Les tentatives antérieures exigeaient plusieurs gènes ou l'ajout de substances chimiques, ce qui les rendait difficiles à utiliser dans un cerveau vivant.
Comment ça marche
Prenons une souris et une question : un groupe de cellules de son cerveau la tire-t-il du sommeil ? Les scientifiques apportent le gène de la channelrhodopsine-2 uniquement à ce type de cellule, en se servant d'un virus modifié comme messager. Seules ces cellules construisent alors la porte sensible à la lumière.
Ils glissent ensuite une fine fibre optique par un petit trou dans le crâne. Quand une lumière bleue traverse la fibre, les portes s'ouvrent en une fraction de milliseconde, des particules chargées s'engouffrent, et seules les cellules choisies s'activent.
Dans l'étude de 2007, éclairer ces cellules a rendu les souris endormies plus susceptibles de se réveiller. Cela a montré que ces cellules peuvent provoquer le réveil, et pas seulement être actives au même moment. D'autres protéines, sensibles à d'autres couleurs, peuvent réduire des cellules au silence. Les chercheurs peuvent donc activer et désactiver le même circuit.
Des sonnettes sensibles à la lumière sur des maisons choisies
Imaginez une ville où toutes les maisons se ressemblent vues d'avion. Vous installez une sonnette qui ne sonne que lorsqu'une lampe torche bleue l'éclaire, et vous la posez seulement sur un type de maison, par exemple les boulangeries. Vous pouvez alors survoler la ville, allumer la lampe et voir ce que fait la ville quand seules les boulangeries se réveillent. L'analogie a deux limites. La « sonnette » est une porte qui laisse entrer des particules chargées dans la cellule. Et les scientifiques l'installent en apportant un gène, si bien que la cellule construit elle-même la porte.
- L'optogénétique a fait passer les neurosciences de « ces cellules sont actives ensemble » à « ces cellules causent ceci », avec un contrôle réglé à la milliseconde près.
- Des laboratoires du monde entier s'en sont servis pour trouver, chez l'animal, les circuits de la douleur, de la soif, de l'alimentation, de la récompense, de l'attention, du comportement social et des soins parentaux.
- En 2012, éclairer les cellules marquées lors d'un souvenir de peur a suffi à faire revenir ce souvenir chez des souris.
- Une étude de 2021 a rapporté qu'un patient aveugle atteint de rétinite pigmentaire avait retrouvé une vision partielle grâce à une protéine proche de la channelrhodopsine et à des lunettes émettant de la lumière.
- Elle a apporté un nouvel éclairage sur la dépression, l'anxiété, la schizophrénie, les maladies d'Alzheimer et de Parkinson, ainsi que sur les liens entre le cœur, l'intestin et le cerveau.
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Ils ont emprunté à des algues une protéine activée par la lumière, pour que les scientifiques puissent allumer et éteindre des neurones choisis d'un éclair de lumière.
À un enfant
Dans les étangs vit une minuscule créature verte qui sent la lumière et nage vers elle. Les scientifiques lui ont emprunté la partie qui lui sert à sentir la lumière et l'ont mise dans des cellules du cerveau de souris. Maintenant, quand ils allument une lumière bleue, ces cellules du cerveau s'activent, comme quand on appuie sur un bouton.
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Une algue d'étang possède une protéine qui s'ouvre comme une porte quand la lumière bleue la frappe. Deux scientifiques allemands l'ont trouvée au début des années 2000. Un psychiatre américain a placé son gène dans des neurones, si bien qu'un éclair de lumière faisait s'activer ces cellules. Les chercheurs peuvent désormais activer ou désactiver des types de cellules précis chez un animal vivant et observer ce qui se passe. Cela montre une cause, et pas seulement une corrélation.
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Votre cerveau compte environ 90 milliards de neurones, et des cellules aux fonctions totalement différentes y sont mélangées. Pendant un siècle, les scientifiques pouvaient voir quelles zones s'allumaient, mais pas prouver quelles cellules causaient quoi. Imaginez une ville où toutes les maisons se ressemblent, et vous voulez savoir ce que font les boulangeries. Imaginez maintenant une sonnette qui ne sonne que sous la lumière bleue, et que vous posez seulement sur les boulangeries. C'est ce que ces trois chercheurs ont fait pour le cerveau. Hegemann et Nagel ont trouvé la sonnette : une protéine appelée channelrhodopsine, chez une algue verte qui nage vers la lumière. Deisseroth a trouvé comment l'installer dans des neurones. Dans l'une des premières expériences, son équipe l'a placée dans un groupe précis de cellules chez des souris endormies, puis a envoyé de la lumière par une fine fibre. Les souris sont devenues plus susceptibles de se réveiller. Cela a montré que ces cellules peuvent provoquer le réveil. La même astuce a depuis servi à trouver les circuits des souvenirs de peur, de la soif, de la récompense et de la douleur. On la teste aujourd'hui pour rendre un peu de vue à des personnes devenues aveugles à cause d'une maladie de l'œil.
- Canal ionique
- Une minuscule porte dans l'enveloppe extérieure d'une cellule, qui laisse entrer ou sortir des particules chargées.
- Channelrhodopsine
- Une protéine d'algue qui est un canal ionique et s'ouvre quand la lumière bleue la frappe.
- Optogénétique
- L'usage combiné de gènes et de lumière pour activer ou désactiver des cellules choisies.
- Chlamydomonas
- Une algue verte unicellulaire, d'environ 0,015 mm de large, qui nage vers la lumière.
- Influx nerveux
- Une brève impulsion électrique qu'émet un neurone pour transmettre un message.
- Fibre optique
- Un fin fil de verre qui transporte la lumière en profondeur dans les tissus.
- Engramme
- L'ensemble précis de neurones qui stocke un souvenir.
- Rétinite pigmentaire
- Une maladie héréditaire de l'œil qui détruit les cellules sensibles à la lumière et rend aveugle.
Sources, reader versions and the quiz are on the English page.