Percer les mystères du cerveau grâce à la lumière et à l’IA
La manière dont les neurones individuels collaborent pour générer des pensées, des émotions et des actions déconcerte les chercheurs. Les neurosciences étudient l’activité cérébrale en examinant les cellules neuronales, à la fois individuellement et collectivement, à l’aide de diverses méthodologies, dont la mesure de l’activité électrique, l’étude des réactions chimiques et le contrôle des cellules à l’aide de la lumière.
Une plateforme expérimentale innovante pour l’étude du comportement neuronal
Le projet ISLAND a été entrepris avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie (MSCA) dans le but de créer un dispositif expérimental qui exploite la puissance du contrôle de la lumière associé à des manipulations génétiques, ou optogénétique, afin d’étudier les cellules cérébrales dans un environnement de laboratoire. «Nous souhaitions comprendre les réseaux neuronaux en 2D et en 3D, ouvrant la voie à de nouvelles connaissances sur les fonctions cérébrales», explique Lorenzo Pavesi, chercheur principal. En collaboration avec Ilya Auslender, chercheur au MSCA, les scientifiques ont mis au point un système expérimental composé de trois unités distinctes. L’unité «d’écriture» consiste en un système optique qui émet des motifs de lumière précis servant de déclencheurs à la stimulation de neurones génétiquement modifiés. L’unité de «lecture», a été en mesure de capter, par l’intermédiaire d’un réseau de microélectrodes (MEA), les signaux électriques émanant des neurones cultivés et de les traduire en données. Enfin, ces enregistrements MEA ont été interprétés par l’unité de «traitement et contrôle».
Cartographier les réseaux neuronaux
Les scientifiques ont réussi à cultiver des cellules corticales du cerveau sur des puces MEA en verre et à les modifier afin qu’elles expriment une protéine sensible à la lumière. Cela a permis de jeter les bases d’expériences optogénétiques contrôlées. La stimulation par la lumière a été réalisée à l’aide d’un processeur de lumière numérique qui a éclairé les neurones génétiquement modifiés avec des motifs lumineux adaptés. Le développement d’outils analytiques avancés s’est révélé essentiel pour interpréter ces réponses. Grâce à l’IA, les chercheurs ont pu construire un système capable de lire les signaux électriques des cellules neuronales et de générer une carte macroscopique de la façon dont ces cellules communiquent et se connectent en réseau. Le modèle qui en résulte fournit un graphique macroscopique représentant la structure de la culture étudiée. Chaque nœud de ce graphique symbolise un circuit neuronal ou une population de neurones, et les connexions entre les nœuds représentent les interactions pondérées entre ces populations. Dans l’ensemble, le modèle généré par l’IA a fait preuve d’une précision remarquable concernant la connectivité fonctionnelle du réseau neuronal.
Possibilités et applications futures
Le projet ISLAND a multiplié les possibilités d’extension des applications in vitro et des initiatives de recherche. La configuration optogénétique soigneusement conçue, combinant de manière harmonieuses des méthodes optiques et génétiques, a déjà permis de faire avancer des études en cours concernant l’utilisation d’interventions innovantes basées sur la lumière destinées à réprimer les crises d’épilepsie. Le modèle d’IA peut être appliqué à un large éventail d’études qui impliquent une analyse détaillée de signaux électrophysiologiques multisites. Il pourrait notamment améliorer la recherche pharmacologique grâce à une meilleure compréhension de la réaction du système nerveux face à diverses substances. Il peut être également utilisé pour cartographier le cerveau, son analyse détaillée pouvant contribuer à appréhender la dynamique complexe des réseaux neuronaux, et d’en savoir plus sur le fonctionnement du cerveau et sur les connexions de ses composants. «Nos résultats ne soutiennent pas seulement la recherche créative dans des laboratoires contrôlés, ils ont également le potentiel de faire progresser divers domaines complexes exigeant une compréhension approfondie de la dynamique et des connexions neuronales», souligne Ilya Auslender.
Mots‑clés
ISLAND, cerveau, neurones, optogénétique, IA, réseau de microélectrodes, modèle, crises d’épilepsie
