La protéine « Magneto » génétiquement modifiée contrôle à distance le cerveau et le comportement
La protéine « Magneto » génétiquement modifiée contrôle à distance le cerveau et le comportement
La nouvelle méthode « Badass » use une protéine magnétisée pour activer les cellules du cerveau de manière rapide, réversible et non invasive
Des chercheurs aux États-Unis ont développé une nouvelle méthode pour contrôler les circuits cérébraux associés à des complexes animaux, en utilisant le génie génétique pour créer une protéine magnétisée qui active des groupes spécifiques de cellules nerveuses à distance.
Comprendre comment le cerveau attend le comportement est l'ultime objectif des neurosciences – et l'une de ses questions les plus difficiles. Ces dernières années, les chercheurs ont développé un certain nombre de méthodes qui permettent de contrôler à distance des groupes spécifiques de neurones et de sonder le fonctionnement des circuits neuronaux.
La plus puissante d'entre elles est une méthode appelée optogénétique , qui permet aux chercheurs d'activer ou de désactiver les populations de neurones apparents sur une échelle de temps milliseconde par milliseconde avec des impulsions de lumière laser. Une autre méthode récemment développée, appelée chimiogénétique , utilise des protéines modifiées qui sont activées par des médicaments de synthèse et peuvent cibler sur des types cellulaires spécifiques.
Bien que puissantes, ces deux méthodes présentent des inconvénients. L'optogénétique est invasive, nécessitant l'insertion de fibres optiques qui délivrent les impulsions lumineuses dans le cerveau et, en outre, la mesure dans laquelle la lumière pénètre dans le tissu cérébral dense est sévèrement limitée. Les approches chimiogénétiques surmontent ces deux limitations, mais induisent généralement des réactions biochimiques qui prennent plusieurs secondes pour activer les cellules nerveuses.
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La nouvelle technique, développée rapidement dans le laboratoire d' Ali Güler à l'Université de Virginie à Charlottesville, et décrite dans une publication en ligne avancée dans la revue Nature Neuroscience , est non seulement non invasive, mais peut également activer les neurones et de manière réversible.
Plusieurs études antérieures ont montré que les protéines des cellules nerveuses qui sont activées par la chaleur et la pression mécaniques peuvent être génétiquement modifiées pour qu'elles deviennent sensibles aux ondes radio et aux champs magnétiques , en les attachant à une protéine stockant le fer appelé ferritine , ou à des particules paramagnétiques inorganiques. . Ces méthodes représentent une avancée importante – elles ont par exemple déjà été utilisées pour réguler la glycémie chez la souris – mais impliquent de multiples composants qui doivent être introduits séparément.
La nouvelle technique s'appuie sur ces travaux antérieurs et est basée sur une protéine appelée TRPV4, qui est sensible à la fois à la température et aux forces d'étirement . Ces stimuli ouvrent son pore central, permettant au courant électrique de traverser la membrane cellulaire ; cela évoque des impulsions nerveuses qui voyagent dans la moelle épinière puis jusqu'au cerveau.
Güler et ses collègues ont estimé que les forces de couple magnétique (ou de rotation) pourraient activer TRPV4 en ouvrant son pore central, et ils ont donc utilisé le génie génétique pour fusionner la protéine à la région paramagnétique de la ferritine, ainsi que de courtoisie séquences d'ADN qui signalent aux cellules de transporteur protéine à la membrane des cellules nerveuses et les insérer dans celle-ci.
Ils ont introduit cette construction génétique dans des cellules rénales embryonnaires humaines poussant dans des boîtes de Pétri, les cellules ont synthétisé la protéine « Magneto » et l'ont insérée dans leur membrane. L'application d'un champ magnétique activé par la protéine TRPV1 modifiée, comme en témoignent les augmentations transitoires de la concentration en ions calcium dans les cellules, qui ont été détectées avec un microscope à fluorescence.
Ensuite, les chercheurs ont inséré la séquence d'ADN Magneto dans le génome d'un virus, ainsi que le gène codant pour la protéine fluorescente verte, et des séquences d'ADN régulatrices qui provoquent l'expression de la construction uniquement dans des types de neurones spécifiés. Ils ont ensuite étudié le virus dans le cerveau de souris, en ciblant le cortex entorhinal, et ont disséqué le cerveau des animaux pour identifier les cellules qui émettaient une fluorescence verte. À l'aide de microélectrodes, ils ont ensuite montré que l'application d'un champ magnétique sur les tranches de cerveau activait Magneto pour que les cellules produisent des impulsions nerveuses.
Pour déterminer Magneto peut être utilisé pour manipuler l'activité neuronale chez les animaux vivants, ils ont détecté Magneto dans des larves de poisson zèbre, ciblant les neurones du tronc et de la queue qui contrôlent normalement une réponse d'évasion. Ils ont ensuite placé les larves de poisson zèbre dans un aquarium magnétique spécialement construit et ont découvert que l'exposition à un champ magnétique induisait des manœuvres d'enroulement similaires à celles qui se produisaient lors de la réponse d'évasion. (Cette expérience impliquait un total de neuf larves de poisson zèbre, et des analyses ultérieures ont révélé que chaque larve contenait environ 5 neurones exprimant Magneto.)
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Une structure cérébrale profonde contenant des producteurs de dopamine doit être détectée dans la récompense et la motivation, puis ont placé les animaux dans un appareil divisé en sections magnétiques et ont placé les animaux dans un appareil divisé en sections magnétiques non magnétisées. . Les souris exprimant Magneto ont passé beaucoup plus de temps dans les zones magnétisées que les souris qui ne l'ont pas fait, car l'activation de la protéine a amené les neurones striataux qui l'exprimaient à libérer la dopamine, de sorte que les souris se trouvent dans ces zones gratifiantes. Cela montre que Magneto peut contrôler à distance le déclenchement des neurones profondément dans le cerveau, et également contrôler des complexes.
Le neuroscientifique Steve Ramirez de l'Université Harvard, qui use l'optogénétique pour manipuler les souvenirs dans le cerveau des souris, déclare que l'étude est « dur à cuire ».
« Les tentatives précédentes [en utilisant des aimants pour contrôler l'activité neuronale] nécessitaient plusieurs composants pour que le système fonctionne – l'injection de particules magnétiques, l'injection d'un virus qui exprime un canal sensible à la chaleur, [ou ] la fixation de la tête de l'animal afin qu'une bobine puisse induire des changements dans le magnétisme », explique-t-il. « Le problème avec un système à plusieurs composants est qu'il y a tellement de place pour que chaque pièce se décompose. »
"Ce système est un virus unique et élégant qui peut être important où dans le cerveau, ce qui le rend techniquement plus facile et moins susceptible de briser les cloches et les sifflets en mouvement", ajoute-t-il, "et leur équipement comportemental a été intelligemment conçu pour contenir des aimants le cas échéant, afin que les animaux puissent se déplacer librement.
La « magnétogénétique » est donc un ajout important à la boîte à outils des neuroscientifiques, qui sera sans aucun doute développé et offrira aux chercheurs de nouvelles façons d'étudier le développement et le fonctionnement du cerveau.
Référence
Wheeler, MA, et al . (2016). Contrôle magnétique génétiquement ciblé du système nerveux. Nat. Neurosci ., DOI : 10.1038/nn.4265 [ Résumé ]