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Un nouvel outil active les neurones profonds du cerveau en combinant ultrasons et génétique

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Il s'agit du premier travail à montrer que la sonothermogénétique peut contrôler le comportement en stimulant une cible spécifique au plus profond du cerveau

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Les troubles neurologiques tels que la maladie de Parkinson et l'épilepsie ont été traités avec un certain succès par la stimulation cérébrale profonde, mais ils nécessitent l'implantation d'un dispositif chirurgical. Une équipe pluridisciplinaire de l'université de Washington à Saint-Louis a mis au point une nouvelle technique de stimulation cérébrale utilisant des ultrasons focalisés, capable d'activer et de désactiver des types spécifiques de neurones dans le cerveau et de contrôler précisément l'activité motrice sans implantation de dispositif chirurgical.

L'équipe de recherche principale comprenait des experts renommés dans leur domaine, issus de la McKelvey School of Engineering et de la School of Medicine, notamment Jianmin Cui, professeur d'ingénierie biomédicale ; Joseph P. Culver, professeur de radiologie, de physique et d'ingénierie biomédicale ; Mark J. Miller, professeur associé de médecine dans la division des maladies infectieuses du département de médecine ; et Michael Bruchas, anciennement de la Washington University, désormais professeur d'anesthésiologie et de pharmacologie à la University of Washington.

"Nos travaux ont apporté la preuve que la sonothermogénétique évoque des réponses comportementales chez des souris se déplaçant librement tout en ciblant un site cérébral profond", a déclaré Chen. "La sonothermogénétique a le potentiel de transformer nos approches pour la recherche en neurosciences et de découvrir de nouvelles méthodes pour comprendre et traiter les troubles du cerveau humain."

À l'aide d'un modèle de souris, Chen et son équipe ont délivré une construction virale contenant les canaux ioniques TRPV1 à des neurones sélectionnés génétiquement. Ensuite, ils ont délivré de petites bouffées de chaleur par des ultrasons focalisés de faible intensité aux neurones sélectionnés dans le cerveau, au moyen d'un dispositif portable. La chaleur, qui n'est que de quelques degrés supérieure à la température du corps, a activé le canal ionique TRPV1, qui a agi comme un interrupteur pour activer ou désactiver les neurones.

"Nous pouvons déplacer le dispositif à ultrasons porté sur la tête de souris libres de leurs mouvements pour cibler différents endroits dans l'ensemble du cerveau", a déclaré Yaoheng Yang, premier auteur de l'article et étudiant diplômé en génie biomédical. "Parce qu'elle est non invasive, cette technique a le potentiel d'être étendue à de grands animaux et potentiellement à l'homme à l'avenir."

Les travaux s'appuient sur des recherches menées dans le laboratoire de Cui qui ont été publiées dans Scientific Reports en 2016. Cui et son équipe ont découvert pour la première fois que les ultrasons seuls peuvent influencer l'activité des canaux ioniques et pourraient conduire à de nouveaux moyens non invasifs de contrôler l'activité de cellules spécifiques. Dans leurs travaux, ils ont constaté que les ultrasons focalisés modulaient en moyenne jusqu'à 23 % les courants circulant dans les canaux ioniques, en fonction du canal et de l'intensité du stimulus. À la suite de ces travaux, les chercheurs ont trouvé près de 10 canaux ioniques ayant cette capacité, mais tous sont mécanosensibles, et non thermosensibles.

Ces travaux s'appuient également sur le concept de l'optogénétique, la combinaison de l'expression ciblée de canaux ioniques sensibles à la lumière et de l'administration précise de lumière pour stimuler les neurones au plus profond du cerveau. Si l'optogénétique a permis de découvrir de nouveaux circuits neuronaux, sa profondeur de pénétration est limitée par la diffusion de la lumière et nécessite l'implantation chirurgicale de fibres optiques.

La sonothermogénétique permet de cibler n'importe quel endroit du cerveau de la souris avec une résolution de l'ordre du millimètre sans causer de dommages au cerveau, a déclaré Mme Chen. Elle et son équipe continuent d'optimiser la technique et de valider davantage leurs résultats.