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All-optical brain-to-brain behaviour and information transfer

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Un nouvel éclairage sur le potentiel de l’optogénétique

Un groupe de chercheurs démontre le potentiel de l’utilisation de la lumière comme intervention neuromodulatrice pour améliorer la récupération des fonctions altérées après un accident vasculaire cérébral.

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La compréhension du fonctionnement du cerveau commence par l’imagerie. Toutefois, l’étude de fonctions cérébrales plus complexes a besoin d’une technologie avancée, bien au-delà de l’état actuel de la technique. Des initiatives telles que le projet BrainBIT, financé par l’UE, contribuent à combler cette lacune. Avec l’objectif ambitieux d’utiliser la lumière pour transférer d’un sujet à l’autre des schémas d’activité neuronale pertinents sur le plan comportemental, le projet vise à développer des technologies optiques capables de lire et de contrôler simultanément l’activité neuronale chez des animaux comme les larves de poisson zèbre et des souris.

Excitation à deux photons pour une meilleure séparation spectrale

Sans surprise, cela s’est avéré encore plus difficile que prévu. «Comme les longueurs d’onde du cerveau utilisées pour l’excitation par fluorescence et la stimulation optogénétique étaient trop proches, nous risquions d’empêcher une bonne séparation des deux fonctions», explique Francesco Pavone, physicien à l’université de Florence et coordinateur du projet BrainBIT. Pour relever ce défi, les chercheurs sont passés d’une excitation à un photon à une version à deux photons pour l’excitation de la fluorescence et la stimulation optogénétique. «Comme l’excitation à deux photons a besoin d’une longueur d’onde presque double de celle de la version à un photon, nous avons pu assurer une meilleure séparation spectrale», explique Francesco Pavone. Le projet a reçu le soutien du Conseil européen de la recherche.

L’utilisation de la lumière comme intervention neuromodulatrice pour les accidents vasculaires cérébraux

Grâce à l’excitation à deux photons, le projet a construit un système optique de pointe capable de fournir une imagerie fonctionnelle rapide de l’ensemble du cerveau des larves de poisson zèbre. Il est également capable de fournir une optostimulation simultanée des modèles neuronaux arbitraires. «Nous sommes parvenus à utiliser ce système pour enregistrer des crises d’épilepsie et pour décrire, pour la première fois, un modèle de propagation particulière ressemblant à une onde se déplaçant dans le cerveau larvaire», fait remarquer Francesco Pavone. À l’aide d’une deuxième installation optique, l’équipe de recherche a employé la stimulation optogénétique comme intervention thérapeutique préclinique chez des souris victimes d’un accident vasculaire cérébral. «Ceci démontre la possibilité d’utiliser efficacement la lumière comme intervention neuromodulatrice pour améliorer la récupération des fonctions altérées à la suite d’un accident vasculaire cérébral», ajoute Francesco Pavone.

Transformer les résultats en science ouverte

Bien que le projet BrainBIT soit maintenant terminé, Francesco Pavone a de grands projets quant à l’utilisation de ses résultats. «Nous pensons que les technologies développées dans le cadre de ce projet seront d’une grande utilité pour d’autres neuroscientifiques et nous voulons encourager leur adoption à grande échelle», explique-t-il. «C’est pourquoi nous prévoyons de réorganiser les systèmes optiques en modules optiques de source libre que chacun pourra construire lui-même, ce qui réduira les coûts d’accès à ces technologies de pointe.» Francesco Pavone s’emploie également à faire avancer le système d’imagerie rapide du projet et prévoit de tester l’utilisation de l’optogénétique comme intervention préclinique pour bloquer l’apparition d’une activité neuronale aberrante chez le poisson zèbre avant l’apparition d’une crise manifeste. En outre, il souhaite étudier si le système d’imagerie peut être utilisé pour enregistrer simultanément l’activité du cerveau et du cœur.

Mots‑clés

BrainBIT, neuroscientifiques, optogénétique, accident vasculaire cérébral, cerveau, imagerie, activité neuronale, technologies optiques, longueurs d’ondes du cerveau, excitation par fluorescence, stimulation optogénétique, crises d’épilepsie

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