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Inno techno
Un interrupteur pour le cerveau
Les scientifiques sont désormais capables de téléguider des vers et des poissons. Les humains? C’est pour bientôt.
par Noémi Mercier
Ed Boyden tentera bientôt de soigner des rongeurs dépressifs et épileptiques grâce à de simples éclairs de lumière. Ce jeune chercheur de 28 ans n’a rien d’un «illuminé», justement. La technologie qu’il a développée dans son laboratoire du Massachusetts Institute of Technology, pourrait, au contraire, révolutionner les neurosciences et le traitement des maladies mentales.
Déjà, des chercheurs états-uniens et allemands ont réussi à contrôler les tortillements d’un ver en l’exposant à des rayons lumineux: un éclair bleu pour qu’il se contracte, une lueur jaune pour qu’il se relâche. D’autres ont fait frétiller à distance les moustaches d’un rat.
Ces étranges résultats, on les doit à deux petites créatures unicellulaires. La première, une algue verte microscopique, contient dans sa membrane une protéine bien spéciale: «Channelrhodopsin-2», ou ChR2. Lorsqu’elle est exposée à de la lumière bleue, cette protéine génère un courant électrique dans la cellule pour permettre à l’algue de s’orienter vers le soleil. Or, les cellules du cerveau aussi communiquent par des signaux électriques. On les a donc modifiées génétiquement pour qu’elles fabriquent à leur tour cette protéine. Du coup, les neurones s’excitent aussitôt qu’ils reçoivent un éclairage bleuté. C’est ainsi qu’à l’université de Würzburg, en Allemagne, des chercheurs ont fait aimer et détester certaines odeurs à des larves de mouches en quelques flashs de lumière bleue. Ils avaient auparavant introduit la protéine ChR2 dans les neurones qui contrôlent l’appétit et l’aversion.
On a ensuite découvert la protéine «Halorhodopsin», ou NpHR, dans un microbe du désert du Sahara. Lorsqu’on les soumet à de la lumière jaune, les neurones dotés de NpHR se taisent, paralysés pendant quelques millisecondes. Si on bricole des neurones pour qu’ils expriment les deux protéines à la fois, on obtient un bouton «marche-arrêt» à deux couleurs! Un interrupteur pour le cerveau.
Pouvoir allumer et éteindre à volonté des cellules nerveuses spécifiques, c’est presque trop beau pour être vrai. En comparaison, l’outil traditionnel pour moduler l’activité électrique du cerveau, l’électrode, n’est pas très subtil. Même les plus fines stimulent sans distinction tous les types de neurones dans leur voisinage: autant les neurones excitateurs (qui activent le suivant dans la chaîne) que les inhibiteurs (qui font taire leurs voisins). D’où les effets secondaires parfois très graves qui accompagnent les traitements à base d’électrodes, comme on en utilise dans des cas de dépression ou de parkinson. Les médicaments comme les antidépresseurs, eux non plus, n’atteignent pas uniquement les cellules malades.
«Mais si nous envoyons un faisceau de lumière dans un paquet de neurones, seuls ceux qui contiennent la molécule photosensible seront affectés», explique Ed Boyden, dans son laboratoire de «neuro-ingénierie», au MIT où, à côté de ses microscopes hyper-puissants, on trouve des incubateurs à virus et des «trancheuses à cerveau». Avec des collègues de l’université Stanford, en Californie, et de l’Institut Max-Planck de biophysique, à Frankfurt en Allemagne, il a été parmi les premiers à expérimenter la technologie sur des cellules de rats cultivées in vitro. Bientôt, il tentera d’identifier chez des rongeurs «dépressifs», épileptiques ou atteints de la maladie de Parkinson, quels neurones doivent être actifs ou silencieux pour les soulager.
Avant d’installer cet interrupteur dans le cerveau d’êtres humains, il faudra cependant régler quelques détails techniques, à commencer par éliminer tout risque entraîné par l’insertion de gènes étrangers dans notre tête! On devra aussi trouver une façon d’illuminer les replis de notre cervelle. Car si les rayons traversent sans difficulté le corps des vers ou des larves, le crâne humain, lui, est entièrement opaque. On pourrait par exemple, comme on le fait chez les rats, y introduire une fibre optique par un minuscule trou. Ou encore implanter, à l’intérieur même du cerveau, une diode électroluminescente que l’on actionnerait sans fil. «Certains types de lumière, comme les rayons infrarouges, peuvent pénétrer la boîte crânienne, ajoute Ed Boyden. Il suffirait de trouver une protéine qui réagit à ces rayons pour pouvoir l’activer depuis l’extérieur du crâne.»
Malgré ces obstacles, les chercheurs voient grand. Ils imaginent déjà pouvoir traiter la douleur chronique, le trouble obsessionnel-compulsif et même l’obésité à l’aide de cette technique.
Une équipe de la Wayne State University, à Detroit, croit même pouvoir guérir des souris aveugles. Les chercheurs ont introduit la protéine ChR2 dans les neurones de leur rétine pour les rendre photosensibles et ça a marché! Les cellules se sont mises à réagir directement à la lumière et à envoyer des impulsions électriques au cortex visuel.
Des prothèses cérébrales pourraient ainsi être développées pour réparer toutes sortes de déficits sensoriels ou moteurs, et même stimuler nos capacités cognitives, améliorer notre mémoire ou – qui sait? – nous fournir sur commande une bonne dose de joie de vivre.
Les scientifiques sont désormais capables de téléguider des vers et des poissons. Les humains? C’est pour bientôt.
par Noémi Mercier
Ed Boyden tentera bientôt de soigner des rongeurs dépressifs et épileptiques grâce à de simples éclairs de lumière. Ce jeune chercheur de 28 ans n’a rien d’un «illuminé», justement. La technologie qu’il a développée dans son laboratoire du Massachusetts Institute of Technology, pourrait, au contraire, révolutionner les neurosciences et le traitement des maladies mentales.
Déjà, des chercheurs états-uniens et allemands ont réussi à contrôler les tortillements d’un ver en l’exposant à des rayons lumineux: un éclair bleu pour qu’il se contracte, une lueur jaune pour qu’il se relâche. D’autres ont fait frétiller à distance les moustaches d’un rat.
Ces étranges résultats, on les doit à deux petites créatures unicellulaires. La première, une algue verte microscopique, contient dans sa membrane une protéine bien spéciale: «Channelrhodopsin-2», ou ChR2. Lorsqu’elle est exposée à de la lumière bleue, cette protéine génère un courant électrique dans la cellule pour permettre à l’algue de s’orienter vers le soleil. Or, les cellules du cerveau aussi communiquent par des signaux électriques. On les a donc modifiées génétiquement pour qu’elles fabriquent à leur tour cette protéine. Du coup, les neurones s’excitent aussitôt qu’ils reçoivent un éclairage bleuté. C’est ainsi qu’à l’université de Würzburg, en Allemagne, des chercheurs ont fait aimer et détester certaines odeurs à des larves de mouches en quelques flashs de lumière bleue. Ils avaient auparavant introduit la protéine ChR2 dans les neurones qui contrôlent l’appétit et l’aversion.
On a ensuite découvert la protéine «Halorhodopsin», ou NpHR, dans un microbe du désert du Sahara. Lorsqu’on les soumet à de la lumière jaune, les neurones dotés de NpHR se taisent, paralysés pendant quelques millisecondes. Si on bricole des neurones pour qu’ils expriment les deux protéines à la fois, on obtient un bouton «marche-arrêt» à deux couleurs! Un interrupteur pour le cerveau.
Pouvoir allumer et éteindre à volonté des cellules nerveuses spécifiques, c’est presque trop beau pour être vrai. En comparaison, l’outil traditionnel pour moduler l’activité électrique du cerveau, l’électrode, n’est pas très subtil. Même les plus fines stimulent sans distinction tous les types de neurones dans leur voisinage: autant les neurones excitateurs (qui activent le suivant dans la chaîne) que les inhibiteurs (qui font taire leurs voisins). D’où les effets secondaires parfois très graves qui accompagnent les traitements à base d’électrodes, comme on en utilise dans des cas de dépression ou de parkinson. Les médicaments comme les antidépresseurs, eux non plus, n’atteignent pas uniquement les cellules malades.
«Mais si nous envoyons un faisceau de lumière dans un paquet de neurones, seuls ceux qui contiennent la molécule photosensible seront affectés», explique Ed Boyden, dans son laboratoire de «neuro-ingénierie», au MIT où, à côté de ses microscopes hyper-puissants, on trouve des incubateurs à virus et des «trancheuses à cerveau». Avec des collègues de l’université Stanford, en Californie, et de l’Institut Max-Planck de biophysique, à Frankfurt en Allemagne, il a été parmi les premiers à expérimenter la technologie sur des cellules de rats cultivées in vitro. Bientôt, il tentera d’identifier chez des rongeurs «dépressifs», épileptiques ou atteints de la maladie de Parkinson, quels neurones doivent être actifs ou silencieux pour les soulager.
Avant d’installer cet interrupteur dans le cerveau d’êtres humains, il faudra cependant régler quelques détails techniques, à commencer par éliminer tout risque entraîné par l’insertion de gènes étrangers dans notre tête! On devra aussi trouver une façon d’illuminer les replis de notre cervelle. Car si les rayons traversent sans difficulté le corps des vers ou des larves, le crâne humain, lui, est entièrement opaque. On pourrait par exemple, comme on le fait chez les rats, y introduire une fibre optique par un minuscule trou. Ou encore implanter, à l’intérieur même du cerveau, une diode électroluminescente que l’on actionnerait sans fil. «Certains types de lumière, comme les rayons infrarouges, peuvent pénétrer la boîte crânienne, ajoute Ed Boyden. Il suffirait de trouver une protéine qui réagit à ces rayons pour pouvoir l’activer depuis l’extérieur du crâne.»
Malgré ces obstacles, les chercheurs voient grand. Ils imaginent déjà pouvoir traiter la douleur chronique, le trouble obsessionnel-compulsif et même l’obésité à l’aide de cette technique.
Une équipe de la Wayne State University, à Detroit, croit même pouvoir guérir des souris aveugles. Les chercheurs ont introduit la protéine ChR2 dans les neurones de leur rétine pour les rendre photosensibles et ça a marché! Les cellules se sont mises à réagir directement à la lumière et à envoyer des impulsions électriques au cortex visuel.
Des prothèses cérébrales pourraient ainsi être développées pour réparer toutes sortes de déficits sensoriels ou moteurs, et même stimuler nos capacités cognitives, améliorer notre mémoire ou – qui sait? – nous fournir sur commande une bonne dose de joie de vivre.