Les scientifiques de l’Institut Francis Crick ont mis au point une technique d’imagerie permettant de recueillir des informations sur la structure et le fonctionnement du tissu cérébral au niveau subcellulaire – quelques milliardièmes de mètre – tout en recueillant également des informations sur le milieu environnant.
L’approche unique détaillée dans le journal Nature Communications aujourd’hui (25 mai 2022), surmonte les défis de l’imagerie des tissus à différentes échelles, permettant aux chercheurs de voir les cellules environnantes et leur fonctionnement, afin qu’ils puissent construire une image complète des réseaux neuronaux dans le cerveau.
Diverses méthodes d’imagerie sont utilisées pour capturer des informations sur les tissus, les cellules et les structures subcellulaires. Cependant, une seule méthode ne peut capturer que des informations sur la structure ou la fonction du tissu et l’observation détaillée à l’échelle nanométrique (un nanomètre est un milliardième de mètre) signifie que les scientifiques perdent des informations sur l’environnement plus large. Cela signifie que pour obtenir une compréhension globale du tissu, les techniques d’imagerie doivent être combinées.
Dans leur étude, les scientifiques ont mis au point une approche qui combine sept méthodes d’imagerie, notamment in vivo, l’imagerie, les rayons X synchrotron et la microscopie électronique en volume. Ils ont fait la démonstration de leur approche en imagerie de deux zones différentes du cerveau de souris – le bulbe olfactif et l’hippocampe.
Il est important de noter que la technique pourrait être appliquée à d’autres zones du cerveau ou à d’autres parties du corps, ce qui permettrait aux scientifiques d’avoir une compréhension plus détaillée de nombreux tissus et structures biologiques différents.
Chaque étape du processus d’imagerie fournit des informations différentes. Tout d’abord, les chercheurs ont utilisé in vivo l’imagerie calcique pour visualiser les neurones dans des régions spécifiques du cerveau et voir quels neurones étaient actifs lorsque les souris étaient exposées à des odeurs.
Quatre images de la même zone de la couche glomérulaire du bulbe olfactif de souris, obtenues par différentes méthodes d’imagerie. Crédit : Carles Bosch
Après l’euthanasie des souris, des échantillons de tissu cérébral ont été imagés à l’aide de différentes méthodes, dont la tomographie à rayons X synchrotron, qui permet de capturer des échantillons de plusieurs millimètres de long. Cette échelle est suffisante pour que les scientifiques puissent voir des réseaux neuronaux entiers, ainsi que la position de certaines cellules ou d’autres structures dans le contexte plus large de l’échantillon. Il est important de noter que cette méthode n’endommage pas l’échantillon, de sorte qu’il peut être imagé à nouveau à l’aide d’une autre technique.
Les chercheurs ont ensuite sélectionné des zones d’intérêt particulier à imager par microscopie électronique, capturant des détails complexes à haute résolution. Dans certaines zones cibles, cette technique permet de cartographier des détails aussi petits que 10 nanomètres, ce qui permet aux chercheurs de voir de minuscules structures comme les synapses individuelles qui relient les neurones.
En utilisant des algorithmes informatiques, ils ont combiné les résultats pour créer une carte complète de la structure et de la fonction de la section du cerveau qu’ils étudiaient, jusqu’à quelques millimètres cubes.
Carles Bosch, premier auteur et chercheur principal au laboratoire des circuits sensoriels et de la neurotechnologie du Crick, déclare : “Notre approche offre un moyen fiable de surmonter le défi de l’imagerie des structures à des échelles très différentes. Nous pensons qu’elle sera un outil puissant pour étudier les circuits neuronaux dans le cerveau des mammifères ainsi que la structure et la fonction d’autres tissus.”
Andreas Schaefer, auteur principal et chef du laboratoire des circuits sensoriels et de la neurotechnologie au Crick, déclare : “Nous sommes intéressés par l’application de cette approche au cerveau, où il est important de recueillir des informations sur des réseaux neuronaux entiers de plusieurs millimètres de long, parallèlement à des informations sur des neurones et des synapses spécifiques”.
“Mais elle a également un grand potentiel pour être utile dans d’autres contextes, comme la biologie du cancer où les chercheurs cherchent à comprendre l’activité de cellules particulières dans le contexte de la tumeur plus large.”
Les chercheurs se sont associés à l’équipe de microscopie électronique du Crick, et ont également travaillé avec les équipes de radiographie synchrotron du Diamond Light Source in Oxfordshire, The European Synchrotron in France and the Paul Scherrer Institut in Switzerland.
The team will continue this research, using this imaging approach to uncover more detail about the olfactory bulb as well as working to further improve the technique.
Reference: “Functional and multiscale 3D structural investigation of brain tissue through correlative in vivo physiology, synchrotron micro-tomography and volume electron microscopy” by Bosch, C. et al., 25 May 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-30199-6
