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Organic Light-Emitting Diodes for Optogenetic Control of Neurons

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Utiliser les OLED pour un meilleur contrôle des neurones

Les OLED pourrait bientôt alimenter une optogénétique de pointe, ouvrant la voie à une meilleure compréhension des réseaux de neurones ainsi qu'à une nouvelle génération de prothèses.

Économie numérique

Peut-être ne le réalisons-nous pas, mais les neurones sont au centre de notre capacité à comprendre et à interagir avec notre environnement. Grâce à l'optogénétique, ces cellules peuvent maintenant être contrôlées avec une grande précision en utilisant la lumière, avec des applications potentielles pour le traitement de maladies neurologiques ou de déficiences visuelles. Cette technique repose néanmoins sur des sources lumineuses LED ou laser manquant de précision et de résolution spatiale, ce qui signifie qu'elles sont souvent incapables de contrôler des neurones individuels. «Pour fournir de la lumière à partir de ces sources vers la région appropriée du cerveau d'un animal vivant, il faut en général maintenir ce dernier sous un microscope ou introduire des composants encombrants et rigides qui ne se conforment pas aux tissus mous et risquent ainsi d'influencer son comportement», explique Caroline Murawski, boursière Marie Sklodowska Curie à l'Université de St Andrews. Avec un financement dans le cadre du projet NEUROLED (Organic Light-Emitting Diodes for Optogenetic Control of Neurons), Mme Murawski cherche à surmonter ces limitations en structurant les OLED à des échelles de longueur infracellulaires et avec une résolution extrêmement élevée, de façon à permettre une commutation rapide entre les cellules ciblées, et ce sur des zones étendues. La possibilité de produire ces OLED sur des substrats souples signifie également qu'elles pourraient éventuellement être adaptées in vivo à la forme de l'organe ciblé. «J'imagine que les OLED seront capables de cibler en même temps des milliers de cellules individuelles, et que leur souplesse mécanique constituera un avantage majeur pour une bio-implantation», s'enthousiasme Mme Murawski. Le projet utilise la photolithographie pour obtenir des pixels d'OLED d'une taille comprise entre 10 et 100 µm, en fonction de la résolution spatiale nécessaire. Les OLED émettent des couleurs correspondant au spectre d'activation de protéines photosensibles introduites génétiquement, et comprennent des couches de transport de charge dopées électriquement avec une forte conductivité afin d'obtenir une forte luminosité à de faibles tensions d'utilisation, générant ainsi un chauffage résistif minimum, qui risquerait sinon de s'étendre aux cellules adjacentes. Comme l'efficacité des OLED décroît en général fortement lorsque la luminosité est élevée, le Dr Murawski a dû équilibrer les deux aspects en utilisant des émetteurs fluorescents au lieu des composés phosphorescents que l'on retrouve couramment dans les OLED du commerce. «Une autre difficulté est la dégradation rapide des OLED lorsqu'elles entrent en contact avec l'eau», ajoute le Dr Murawski. «Pour cibler avec une haute résolution spatiale les cellules dans l'environnement aqueux qui est naturellement nécessaire à leur croissance, les matériaux organiques doivent être protégés par un film d'encapsulation extrêmement mince. Pour cela, nous avons suivi deux voies: l'utilisation d'oxydes et de polymères qui sont développés par dépôt chimique en phase vapeur, et l'emploi de feuilles d'encapsulation extrêmement minces en verre souple.» Pour le Dr Murawski et ses collègues du groupe du Pr Malte Gather, l'étape suivante a consisté à utiliser leurs OLED à forte luminosité pour des expériences de validation concept en optogénétique. Leur plan consiste à faire pousser des cellules directement sur les OLED ou d'implanter dans des animaux vivants des versions miniatures des dispositifs. Comme l'explique le Dr Murawski, les OLED sont ensuite pilotés avec des pulsations électriques de l'ordre de la milliseconde, ce qui produit des pulsations lumineuses de forte puissance provoquant un potentiel d'action dans les neurones adjacents. «Pour valider le concept, nous avons utilisé la larve de Drosophila melanogaster (mouches des fruits), qui est un organisme modèle en génétique. Nous avons démontré que les OLED atteignent les niveaux de luminosité nécessaires pour stimuler les neurones de la larve et nous avons pu contrôler le comportement larvaire avec nos appareils. Nous nous efforçons maintenant de démontrer que les OLED peuvent provoquer des ondes de potentiels d'action dans des cultures de neurones primaires, et de combiner cela avec une lecture optique de l'activité neuronale.» Grâce à cette recherche, les neuroscientifiques bénéficieront d'un outil permettant de réaliser des expériences totalement nouvelles, comme l'étude du modèle d'activité du réseau lorsque des neurones inhibiteurs sont systématiquement ajoutés ou supprimés. On disposerait ainsi d'un modèle puissant mais simple pour étudier des états pathologiques comme la maladie d'Alzheimer. «Les OLED souples peuvent également être utilisées comme sources lumineuses bio-implantables pour stimuler de façon précise certaines zones du cerveau dans le cadre d'études sur l'animal, et peut-être plus tard chez des patients. Nous travaillons déjà avec un important consortium dirigé par les États-Unis pour développer des prothèses et nous espérons obtenir un financement d'une organisation caritative britannique afin de développer et utiliser des OLED pour une étude en neuroscience fondamentale, axée sur la recherche», conclut le Dr Murawski.

Mots‑clés

NeurOLED, OLED, LED, optogénétique, neurones, réseaux neuronaux, prothèse, Alzheimer, drosophile, neuroscience

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