La neuroactivité d’un million de neurones dans le cerveau de souris, à une résolution sans précédent. Crédit : Alipasha Vaziri
Une nouvelle technique de microscopie révèle l’activité d’un million de neurones dans le cerveau de la souris.
Capturer les subtilités de l’activité cérébrale nécessite une résolution, une échelle et une vitesse – la capacité de visualiser des millions de neurones avec une résolution cristalline lorsqu’ils appellent activement des coins éloignés du cortex, en une fraction de seconde les uns des autres.
Maintenant, les chercheurs ont développé une technique de microscopie qui permettra aux scientifiques d’accomplir cet exploit, en capturant des images détaillées de l’activité d’un grand nombre de cellules à différentes profondeurs du cerveau à grande vitesse et avec une clarté sans précédent. Publiée dans Nature Methods, la recherche démontre la puissance de cette innovation, appelée microscopie à billes lumineuses, en présentant les premiers films fonctionnels vivants de l’activité quasi simultanée d’un million de neurones dans le cerveau de souris.
« Comprendre la nature du réseau densément interconnecté du cerveau nécessite le développement de nouvelles techniques d’imagerie capables de capturer l’activité des neurones dans des régions cérébrales très séparées à grande vitesse et à une résolution unicellulaire », explique Alipasha Vaziri de Rockefeller. “La microscopie à billes lumineuses nous permettra d’étudier les questions biologiques d’une manière qui n’était pas possible auparavant.”
Focus sur la microscopie
Qu’il s’agisse de moustaches qui recherchent les dangers en faisant des va-et-vient, ou de la coordination œil-main qui aide un humain à frapper une balle de baseball, les animaux dépendent de l’appel et de la réponse des régions sensorielles, motrices et visuelles du cerveau. Des cellules des régions éloignées du cortex coordonnent cet exploit grâce à un réseau de neuroactivité qui tisse des régions éloignées du cerveau en symphonies interconnectées.
Les scientifiques commencent seulement maintenant à démêler cette toile, à l’aide d’une technologie microscopique de pointe. La combinaison de la microscopie à balayage à deux photons et des étiquettes fluorescentes est la référence en matière d’imagerie de l’activité des neurones dans les tissus cérébraux moins transparents, qui sont sujets à la diffusion de la lumière. Il consiste à tirer une impulsion laser focalisée sur une cible marquée. Quelques nanosecondes après que l’impulsion ait atteint sa cible, la balise émet une lumière fluorescente qui peut être interprétée pour donner aux scientifiques une idée du niveau de neuroactivité détecté.
Mais la microscopie à deux photons souffre d’une limitation fondamentale. Les neurobiologistes doivent enregistrer les interactions simultanées entre les régions sensorielles, motrices et visuelles du cerveau, mais il est difficile de capturer l’activité dans une aussi large bande du cerveau sans sacrifier la résolution ou la vitesse.
Concevoir un microscope idéal pour visualiser les interactions entre des régions cérébrales éloignées peut donner l’impression de boucher des trous dans un navire en train de couler. Dans l’intérêt de la haute résolution, les scientifiques doivent souvent sacrifier l’échelle ou effectuer un zoom arrière pour prendre en compte la plus grande structure, au détriment de la résolution. Cela peut être surmonté en prenant séparément une série d’images haute résolution provenant de coins éloignés du cerveau, puis en les assemblant plus tard. Mais alors la vitesse devient un problème.
“Nous devons capturer de nombreux neurones dans des parties éloignées du cerveau en même temps à haute résolution”, explique Vaziri. “Ces paramètres s’excluent presque mutuellement.”
Une résolution innovante
La microscopie à billes lumineuses offre une solution créative et repousse les limites de la vitesse d’imagerie à ce qu’il est possible d’obtenir au maximum – uniquement limitée par la nature physique de la fluorescence elle-même. Cela se fait en éliminant le « temps mort » entre les impulsions laser séquentielles lorsqu’aucune neuroactivité n’est enregistrée et en même temps le besoin de balayage.
La technique consiste à diviser une impulsion forte en 30 sous-impulsions plus petites – chacune à une force différente – qui plongent dans 30 profondeurs différentes de cerveau de souris de diffusion mais induisent la même quantité de fluorescence à chaque profondeur. Ceci est accompli avec une cavité de miroirs qui échelonne le déclenchement de chaque impulsion dans le temps et garantit qu’ils peuvent tous atteindre leurs profondeurs cibles via une seule lentille de focalisation du microscope. Avec cette approche, la seule limite à la vitesse à laquelle les échantillons peuvent être enregistrés est le temps qu’il faut aux balises fluorescentes pour s’évaser. Cela signifie que de larges pans du cerveau peuvent être enregistrés dans le même temps qu’il faudrait un microscope conventionnel à deux photons pour capturer une simple poignée de cellules cérébrales.
Vaziri et ses collègues ont ensuite mis la microscopie à billes lumineuses à l’épreuve en l’intégrant dans une plate-forme de microscopie qui permet un accès optique à un grand volume cérébral permettant l’enregistrement de l’activité de plus d’un million de neurones à travers l’ensemble du cortex du cerveau de la souris pour le première fois.
Parce que la méthode de Vaziri est une innovation qui s’appuie sur la microscopie à deux photons, de nombreux laboratoires ont déjà ou peuvent obtenir commercialement les technologies nécessaires pour effectuer la microscopie à billes lumineuses, comme décrit dans l’article. Les laboratoires moins familiarisés avec ces techniques pourraient bénéficier d’un module simplifié et autonome que Vaziri développe actuellement pour une utilisation plus large. « Il n’y a aucune bonne raison pour que nous ne l’ayons pas fait il y a cinq ans », dit-il. « Cela aurait été possible, le microscope et la technologie laser existaient. Personne n’y a pensé. »
À terme, l’objectif est de compléter plutôt que de remplacer les techniques actuelles. “Il y a des questions neurobiologiques pour lesquelles le microscope à deux photons standard est suffisant”, explique Vaziri. “Mais la microscopie à billes lumineuses nous permet de répondre à des questions que les méthodes existantes ne peuvent pas.”
Référence : « Enregistrement volumétrique à grande vitesse et à l’échelle du cortex de la neuroactivité à la résolution cellulaire en utilisant la microscopie à billes lumineuses » par Jeffrey Demas, Jason Manley, Frank Tejera, Kevin Barber, Hyewon Kim, Francisca Martínez Traub, Brandon Chen et Alipasha Vaziri, 30 août 2021, Méthodes naturelles.
DOI : 10.1038 / s41592-021-01239-8
