dimanche 6 août 2017

L'Optogénétique – La Nouvelle Révolution de l'Étude du Cerveau


L'optogénétique agit comme un interrupteur marche/arrêt pour activer et inactiver des neurones


Depuis leur essor dans les années 1990, les différentes techniques d'imagerie cérébrale  qu'il s'agisse de l'imagerie par résonance magnétique (IRM), de la tomographie par émission de positrons (TEP) ou de l'électroencéphalographie (EEG), plus ancienne  ont permis aux chercheurs d'en apprendre énormément sur le fonctionnement du cerveau.

Mais la neuro-imagerie, comme toute méthode d'investigation, a aussi ses limites. Et depuis quelques années, c'est une nouvelle technique, encore plus sophistiquée, qui attire de plus en plus l'attention des explorateurs du cerveau.

Il y a une dizaine d’années, des neuro-scientifiques ont cherché à utiliser des protéines sensibles à la lumière pour les introduire dans les neurones de rongeurs, afin de contrôler l’activité électrique des neurones par impulsions lumineuses : l’optogénétique était née. Par cette approche, on peut désormais activer et inhiber à volonté des neurones spécifiques, en observer les conséquences sur le fonctionnement cérébral, et sur le comportement des individus.

Cette technique révolutionnaire permet d’allumer et d’éteindre avec de la lumière des populations de neurones génétiquement modifiés, permettant ainsi non seulement d’étudier le fonctionnement des circuits neuronaux mais également de développer de nouvelles approches thérapeutiques pour les troubles neurologiques et psychiatriques. Elle permet de stimuler spécifiquement un type cellulaire en laissant les cellules voisines intactes.

L’optogénétique est une combinaison entre optique et génie génétique. Elle est née avec la découverte de la channelrhodopsine  une protéine issue d’une algue unicellulaire. Cette protéine est sensible à la lumière et possède la propriété d'être activée par la lumière bleue. L’idée est de l’introduire dans les neurones, apportée par une fibre optique, pour qu’elle crée un courant électrique au travers de la membrane cellulaire. Ainsi, il serait possible de contrôler son activité en excitant ou en inhibant les cellules via un faisceau lumineux.

La caractéristique de l'optogénétique est l'introduction de canaux rapidement activés par la lumière et d'enzymes qui permettent une manipulation des évènements électriques et biochimiques très précise dans le temps.

Là réside la vraie révolution de l'optogénétique. Les méthodes d'imagerie dévoilent le fonctionnement du cerveau à l'échelle macroscopique, celle des grandes régions cérébrales. L'optogénétique le fait à une échelle intermédiaire, mésoscopique, correspondant à des assemblées de quelques centaines, voire quelques dizaines de neurones seulement.

En insérant un ou plusieurs gènes d’opsine dans certains neurones chez les souris, les biologistes sont maintenant en mesure d’utiliser la lumière visible pour activer ou désactiver des neurones spécifiques à leur volonté. Au fil des années, les scientifiques ont adapté les versions de ces protéines qui répondent aux différentes couleurs, allant du rouge foncé, au vert, au jaune, au bleu. En mettant différents gènes dans des cellules différentes, ils utilisent des impulsions de lumière multicolores pour activer un neurone, puis plusieurs de leurs voisins dans une séquence de temps précis.


Un cerveau génétiquement modifié


A terme, les spécialistes de l'optogénétique espèrent que cette technique, en plus d'affiner notre connaissance du cerveau sain, permettra de mieux guérir le cerveau malade.

Parmi les neurones, certains, dits dopaminergiques  ils libèrent de la dopamine  sont ceux qui dégénèrent dans la maladie de Parkinson ; d'autres, dits cholinergiques  ils libèrent de l'acétylcholine  sont importants pour l'attention et la mémoire et sont les premiers à s'étioler dans la maladie d'Alzheimer ; d'autres dits sérotoninergiques  ils libèrent de la sérotonine  jouent un rôle clef dans le sommeil et ses troubles.

Avec les méthodes du génie génétique utilisées dans l'optogénétique, il est tout à fait possible de cibler, parmi les 100 milliards de neurones, l'une ou l'autre de ces populations spécifiques. Par exemple, les seuls neurones dopaminergiques, relativement peu nombreux. Et de les sur-activer artificiellement au moyen de flashs lumineux, pour augmenter leur production de dopamine et réduire ainsi les symptômes de la maladie Parkinson.


La channelrhodopsine-2 (ChR2) : l’ingrédient clé de l’optogénétique


La ChR2 est une protéine découverte, par des chercheurs allemands en 2003, dans une algue unicellulaire répondant au nom de Chlamydomonas reinhardtii. Elle ressemble beaucoup au canal sodium, puisqu’elle s’insère dans la membrane des cellules et peut laisser passer des ions. Mais sa particularité, c’est que son ouverture est commandée par la lumière.

Quand la protéine ChR2 reçoit la lumière bleue, elle change de forme et donne naissance à un petit trou d’environ 6 Angström, suffisant pour laisser passer les ions à l’intérieur de la membrane. Ceci "active" le neurone produisant de nombreux potentiels d'action.

Les biologistes Ed Boyden et Karl Deisseroth ont eu l’idée qui est à la base de l’optogénétique : si la ChR2 se comporte comme un canal répondant à la lumière, on peut l’utiliser pour faire décharger des neurones à la demande. L’expérience fondatrice a ensuite eu lieu en 2005 à l’université de Stanford.

De nombreux progrès ont été faits, notamment pour créer artificiellement d’autres protéines similaires à la ChR2, mais agissant de manière différente, par exemple en jouant le rôle d’inhibiteur au lieu d’activateur, en réagissant à des couleurs différentes ou avec des temps de réponse modifiés.

L’avancée la plus importante a été son application dans les sous-groupes de neurones. L’optogénétique peut être utilisée pour activer ou désactiver une zone du cerveau et identifier son rôle dans le comportement, mais aussi cibler des types spécifiques de neurones dans une même région du cerveau.

Au fil des années, la modification par génie génétique des protéines existantes, ainsi que la découverte d’autres protéines sensibles à la lumière, ont permis aux chercheurs d’avoir accès à toute une panoplie d’outils pour contrôler l’activation des neurones.


Fonctionnement



Étapes pour l'application de l'optogénétique sur l'étude du cerveau

Le fonctionnement de l’optogénétique repose principalement sur l’insertion, au niveau cérébral, des gènes codant pour une protéine photo-active habituellement d'origine bactérienne appelée opsine.

Le gène d'une micro-algue servant à synthétiser de l'opsine, une protéine photosensible, est isolé et modifié en laboratoire.

Ce gène est couplé avec un promoteur, petit fragment d'ADN qui permet d'en limiter l'activation à un certain type de neurone; en fonction du promoteur choisi, on cible une population spécifique de neurones.

L'ensemble est inséré dans un virus désactivé qui, une fois injecté dans le cerveau du cobaye, servira de vecteur à l'intérieur de celui-ci.

L'optogénétique permet de contrôler une souris à distance, grâce à une fibre optique émettant de la lumière directement dans son cerveau


Une fibre optique introduite dans le cerveau envoie un flash lumineux qui fait réagir les neurones ciblés ayant fabriqué l'opsine à l'aide du gène.

Il existe différentes opsines réagissant à des lumières de différentes couleurs; certaines d'entre elles activent le neurone, d'autres l'inhibent.

Cette technique a des implications réelles d’une grande importance pour le traitement de certaines maladies incurables aujourd'hui encore incluent :


* Elle a servi pour contrôler les crises d’épilepsie chez des modèles animaux expérimentaux.

* En manipulant des neurones dopaminergiques qui font partie du circuit de la récompense du cerveau, cela a été en mesure d’améliorer ou de prévenir la dépendance à la cocaïne ou de traiter les animaux de la maladie de Parkinson.

* Le contrôle neuronal du sommeil et de l’éveil a pu être manipulé à volonté. L’activation optogénétique de certains neurones appelés hypocretins interrompt le sommeil d’un animal profondément endormi, tandis que l’inhibition optogénétique de ces neurones entraîne un état immédiat de sommeil profond chez les animaux qui étaient éveillés au moment d’appliquer le stimulus lumineux. Ces constatations ont jeté les bases pour développer des médicaments qui modulent le sommeil et pour le traitement des troubles tels que la narcolepsie.

* Avec l’aide des méthodes optogénétiques, un groupe de neurones dans l’hypothalamus a été activé sélectivement. L’activation seule de ces neurones a été suffisante pour induire l’appétit, même chez des animaux rassasiés et sans entrainement préalable, démontrant qu’un comportement compliqué tel que l’alimentation peut être contrôlé optogénétiquement. En revanche, l’activation d’un autre groupe de neurones, situé dans la même région du cerveau, réduit l’appétit et entraîne une perte de poids en moins de 24 heures, ce qui pourrait être utilisé comme un traitement futur pour les patients souffrant d’obésité.

* Si il y a une arythmie cardiaque, le cœur pompe à nouveau le sang au rythme de la lumière. En fait, le premier stimulateur cardiaque axé sur l’optogénétique a été développé.

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L’optogénétique permet récupérer la mémoire perdue


Des chercheurs du Centre de recherche sur l'apprentissage et la mémoire du Massachusetts Institute of Technology (MIT), selon une étude publiée dans la revue Science en mai 2015, sont parvenus à réactiver la mémoire perdue de rongeurs grâce à la lumière bleue.

 Les chercheurs supputaient l'existence dans le cerveau d'un réseau de neurones qui, activés pendant la formation d'un souvenir, entraînent des changements physiques ou chimiques appelés engrammes. Si ces groupes de neurones  appelés engrammes par extension  sont ensuite réactivés par une image, une odeur ou une saveur, toute la mémoire enregistrée devrait revenir. Pour démontrer l'existence de ces groupes de neurones engrammes, les scientifiques ont utilisé l'optogénétique chez des souris : technique consistant à ajouter des protéines aux neurones pour leur permettre d'être activés par la lumière.

Expérience optogénétique
réalisée avec des souris
Les spécialistes supposent que ces neurones subissent des modifications chimiques selon un processus appelé "la consolidation de la mémoire". Un des changements clé consiste au renforcement des synapses, ces structures qui permettent à des groupes de neurones de se transmettre des messages. Pour éprouver ce fonctionnement théorique, les chercheurs du MIT ont tenté de voir ce qui se passerait si cette consolidation des synapses ne se produisait pas. Ainsi, ils ont administré à des souris une substance chimique, l'anisomycine, qui bloque la synthèse de protéines dans les neurones immédiatement après la formation d'un nouveau souvenir, empêchant cette consolidation.

Concrètement, un premier groupe de rongeurs avait été placé dans une cage dite "A" où il avait reçu une décharge électrique dans les pattes. Placées ultérieurement dans cette même cage, les souris non traitées ont aussitôt montré leur frayeur indiquant qu'elles se souvenaient de cette expérience traumatisante. En revanche, les autres, auxquelles on avait administré de l'anisomycine, empêchant la consolidation de la mémoire, étaient de toute évidence sans souvenir et sont restées sans réaction. Par la suite, les chercheurs ont réactivé le processus de consolidation des synapses par des impulsions lumineuses chez ces souris amnésiques, lesquelles ont alors recouvré totalement la mémoire de la décharge électrique. Et même placées dans une autre cage, elles étaient paralysées de peur.

Cette recherche a permis de dissocier les mécanismes de stockage de la mémoire de ceux permettant de la former et de la récupérer. Cela montre que dans certaines formes d'amnésie la mémoire du passé n'a peut-être pas été effacée, mais est simplement "inaccessible". Ces travaux fournissent un éclairage surprenant sur la nature de la mémoire et vont stimuler de futures recherches sur la biologie de la mémoire et de sa restauration clinique.

Une expérience qui apporte un nouvel éclairage sur le mécanisme biologique de l'amnésie et ouvre potentiellement la voie à des traitements. Cette recherche fait avancer la compréhension sur la nature de l'amnésie.


Le calcium révèle les connexions entre les neurones


Des chercheurs de l'University College of London (UCL) ont mis au point une étude publiée dans Nature Methods en décembre 2016, sur le stockage et la manipulation de l'activité cérébrale qui détermine quels neurones contribuent à une fonction particulière.

Leur expérience, combinant l’optogénétique avec une autre méthode de pointe neurotechnologique : le calcium imaging, qui détecte l'activation neuronale en augmentant la concentration de calcium lorsque l'influx nerveux commence. L'équipe a utilisé un modulateur spatial qui divise la lumière en un hologramme composé de petits faisceaux, par exemple, pour activer simultanément six neurones impliqués dans la formation d'un visage souriant.


Applications cliniques de l’optogénétique

Outil de laboratoire pour étudier les circuits cérébraux, son application s’est aujourd’hui étendue à nombre de domaines.

Bien que l’optogénétique soit fondamentalement utilisée sur des souris, on peut faire un transfert à un niveau de basique : les souris ont beaucoup des structures cérébrales semblable aux humaines, bien que chez l’homme le cerveau soit agrandi et soit plus complexe.


Les expériences optogénétiques se sont multipliées à l’aide de protéines microbiennes pour contrôler les mouvements des petits organismes tels que les mouches des fruits ou des nématodes. Le degré d’amélioration a été insolite depuis lors. En bref, l’optogénétique peut être utilisé contre la cécité, pour essayer de récupérer une partie de la perte de la vision due à des lésions de la rétine. Son application pourrait également se substituer à des stimulateurs cérébraux pour la maladie de Parkinson, perfectionner de nouvelles prothèses à une perte auditive, révéler, avec plus de précision, le mécanisme responsable de sommeil paradoxal et atténuer la dépendance à la cocaïne.

L’optogénétique ouvre une formidable fenêtre sur les circuits de neurones qui gouvernent des fonctions-clés. Elle permet de comprendre les relations entre les émotions primaires et leurs sub­strats anatomiques et cellulaires. Les émotions positives et négatives apparaissent gérées et stockées dans des circuits très chevauchants.

L’optogénétique est utilisée dans le domaine de la robotique. Des chercheurs de l’université Harvard ont mis au point en juillet 2015 un raybot, mi-robot mi-organisme vivant, dont la trajectoire et la mise en mouvement sont contrôlées par l’optogénétique. Constitué d’un corps en élastomère, d’un squelette en or capable de stocker l’énergie élastique, l’organisme est recouvert de cellules vivantes de cœur de rats génétiquement modifiées pour être photosensibles. Exposés à la lumière, les cardiomyocytes se contractent et les nageoires s’actionnent. Chaque nageoire est réglée par rapport à un modèle lumineux spécifique, ce qui permet au robot de tourner. Cette nouvelle technologie laisse présager plusieurs retombées positives, notamment dans l’ingénierie des tissus. Apprendre à structurer et contrôler les cellules du cœur pourrait amener à la création de cœurs artificiels pour la transplantation.

Il serait possible de rendre des neurones humains photosensibles notamment en utilisant un vecteur viral inoffensif conçu pour leur transmettre temporairement les opsines.

Les premiers essais cliniques ont été lancés


L’optogénétique pour les thérapies humaines est dans les premiers stades de son développement. Depuis la publication de premiers travaux sur l’optogénétique au milieu de la dernière décennie, certains chercheurs ont émis l’hypothèse de l’aide de l’optogénétique chez les patients, en imaginant par exemple la possibilité d’un interrupteur pour contrôler la dépression.

Actuellement l’optogénétique n’est pas suffisamment développée pour être utilisée dans le cerveau des gens, car la technique nécessite l’insertion d’un câble à fibre optique pour apporter la lumière dans le cerveau, une méthode qui avant d’être appliquée à l’être humain doit garantir sa sécurité.

Cellules du cœur
contrôlées par la lumière
La technique impliquerait de soumettre les patients à des procédures médicales très envahissantes, telles que l’ingénierie génétique pour insérer les commutateurs moléculaires dans les neurones et visser une fibre optique dans le cerveau pour activer ces commutateurs.

Maintenant, les essais cliniques pourraient être possibles pour la première fois en raison des progrès technologiques significatifs. L'implant électroluminescent peut être remplacé par un patch, ce qui élimine le besoin de chirurgie invasive. Et bien que les virus aient facilité la manipulation génétique chez les humains, ce n'est pas encore parfait. Bientôt, de nouveaux outils de modification génétique comme CRISPR (des familles de séquences répétées dans l'ADN) pourraient constituer la solution la plus convenable à ce jour, mais seulement si les fonctionnaires relâchent les réglementations entourant l'utilisation du CRISPR sur les humains.

En novembre 2015, Circuit Therapeutics a annoncé qu'il avait reçu un contrat de DARPA pour utiliser l'optogénétique pour traiter la douleur chronique. Les traitements pour cette condition seront probablement les premiers à être testés dans les essais cliniques. Si les expériences vont bien, le traitement pourrait être disponible dans une décennie, ouvrant la porte à l'optogénèse pour être utilisée dans des traitements cliniques pour un certain nombre d'autres conditions.

Le but est, explique le biochimiste et médecin Karl Diesseroth, commencer les autres essais pour certaines formes de douleur superficielle causée par le système périphérique, tels que la douleur causée par le diabète ou des douleurs post chirurgicales, ou des douleurs causées par des troubles intestinaux ou du mouvement.

On peut commencer des essais cliniques avec l’optogénétique pour traiter la douleur chronique, car la thérapie serait moins invasive que celles nécessitant l’implantation d’électrodes dans le cerveau. Les neurones touchés par une douleur chronique sont relativement accessibles, car ils résident au sein et à l’extérieur de la moelle épinière et sont plus faciles à manipuler que le cerveau. On peut même agir sur les terminaisons nerveuses de la peau, qui sont encore plus faciles à atteindre.

Le principal défi de thérapies optogénétiques est comment insérer des gènes qui produisent les canaux d’opsine dans les neurones humains adultes.

Le deuxième obstacle est  comment éclairer les neurones qui transportent les canaux opsine, d’une manière à allumer ou éteindre le circuit cérébral désiré. Apporter la lumière directement au cerveau chez l’être humain nécessiterait une intervention chirurgicale majeure, mais traiter les neurones périphériques qui transmettent la douleur serait beaucoup moins invasif. Bien que les neurones à l’extérieur du cerveau, soient plus accessibles, ils sont également difficiles à activer avec la lumière, car un dispositif émetteur rigide pourrait endommager le délicat tissu nerveux.

Première thérapie optogénétique pour traiter la cécité


Des neurochirurgiens du centre RetroSense Therapeutics au Michigan, utilisent pour la première fois chez l’homme, en février 2016, une nouvelle technique optogénétique pour traiter la maladie génétique de l’œil  la rétinite pigmentaire  entraînant la mort des cellules de l’œil.

Pour l’essai clinique 15 patients atteints de rétinite pigmentaire ont été recrutés. Dans cette maladie, les cellules sensibles à la lumière de la rétine meurent progressivement.

La thérapie va permettre de créer certaines cellules nerveuses dans l’œil. Ces cellules, appelées ganglions, sont sensibles à la lumière. L’œil reçoit des injections de virus qui transportent de l’ADN sensible à la lumière qui provient d’algues. Si le processus fonctionne, alors les cellules vont faire exactement la même chose que des cones et des bâtonnets d’une rétine en bonne santé, à savoir, déclencher un signal électrique réagissant à la lumière ce qui permet de restaurer une partie de la vue.

Mais la vision, basée sur des ganglions sensibles à la lumière, est différente d’une rétine saine. À l’extérieur, la lumière pourrait être 10.000 fois plus brillante qu’à l’intérieur. Des rétines saines s’adaptent automatiquement, mais les cellules issues de la thérapie génique ne sont pas capables de le faire. Pour cette raison, la thérapie devra s’accompagner d’une sorte de lunettes à vidéo projection qui vont ajuster cette différence de luminosité.


Prix de la Fondation BBVA Frontiers of Knowledge : aux promoteurs de l’optogénétique


Le prix de La Fondation BBVA Frontières de la connaissance en Biomédecine a été attribuée pour sa huitième édition aux neuroscientifiques Edward Boyden, Karl Deisseroth et Gero Miesenböck, qui ont développé et perfectionné la technique qui utilise la lumière pour activer ou désactiver les protéines dans les neurones et ainsi contrôler son fonctionnement avec une précision sans précédent.

Edward Boyden-Karl Deisseroth et Gero Miesenbök
Les lauréats ont mis en évidence comment la meilleure compréhension des circuits neuronaux impliqués dans la maladie permettra développer des médicaments beaucoup plus spécifiques que les actuels  des composés agissant directement et spécifiquement sur ces circuits , puisque le degré de précision dans le traitement des maladies mentales ou neurologiques est très supérieur à celui d’aujourd'hui.

Depuis le développement de cette technique des milliers de chercheurs ont commencé à utiliser l’optogénétique pour la recherche sur des fonctions comme le sommeil, l'appétit, la prise de décision, la perception du temps ou la formation de souvenirs et de comprendre les mécanismes des maladies telles que l'épilepsie, la maladie de Parkinson, la dépression et même certaines formes de cécité.

Il a été aussi reconnu aux trois primés leur capacité à faire connaître et déployer cette technique pou que les scientifiques du monde entier puisent y accéder et l’utiliser dans leurs recherches.

Ils ont publié leurs travaux en 2005. Depuis, la technologie a continué de se perfectionner, par exemple avec des protéines qui réagissent à des rythmes différents et à différents types de lumière, ce qui élargit l'éventail des fonctions cérébrales qui peuvent être étudiés.

En 2013, le prestigieux Brain Prize a été attribué aux six inventeurs de l’optogénétique, Ernst Bamberg, Edward Boyden, Karl Deisseroth, Peter Hegemann, Gero Miesenböck et Georg Nagel, pour l’invention et le développement de l’optogénétique.


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Le cerveau humain est notre organe le plus complexe : 100 milliards de neurones, formant entre eux un milliard de connexions, le tout se concentrant dans un volume moyen de 1.400 cm3. Trouver un mécanisme par lequel nous pouvons accéder et “contrôler” son fonctionnement ouvre des possibilités infinies, non seulement pour le traitement des maladies, mais aussi pour des champs infinis liés à notre mémoire individuelle et collective, notre psyché en général.

Les appareils d'imagerie ne permettent pas de descendre en deçà d'un certain niveau de détails. Spatialement, leur résolution est de l'ordre du millimètre cube, volume suffisamment grand pour que s'y agglutinent des dizaines de milliers de cellules nerveuses de tous types. Il n'en va pas de même avec l'optogénétique. Celle-ci a pour grand avantage de permettre aux neuroscientifiques de ne marquer que certains neurones et pas les autres, ce ciblage se faisant grâce à ce que les généticiens appellent un promoteur.


Bien qu'elle n'ait émergé qu'au milieu des années 2000, l'optogénétique a déjà profondément renouvelé le paysage des neurosciences. Mouches à vinaigre, souris et poissons-zèbres ont été désignés volontaires, avec des résultats étonnants.

C’est une technique qui reste pour l’instant très invasive. En effet, son application nécessite des approches de thérapie génique qui consistent à modifier des neurones en injectant un virus codant pour la channelrhodopsine dans l’aire cérébrale ciblée.

Par ailleurs, cette technique nécessite l’implantation d’une fibre optique dans le cerveau pour illuminer et activer les neurones modifiés dans l’aire cérébrale ciblée, ce qui reste à ce jour difficile, notamment pour les aires cérébrales profondes.

Outre les perspectives de retombées positives dans le traitement de maladies neurologiques et de création d’organes artificiels, l’optogénétique, comme les autres modificateurs neuronaux, ouvre tout une série de questions éthiques liées au contrôle et à la modification de la mémoire, des souvenirs.

Le potentiel de cette technique est tel que permet non seulement de comprendre la personnalité et les émotions, mais aussi de trouver l’origine de l’agressivité et à promouvoir des traitements spécifiques pour différentes maladies mentales.


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