Regard dans les profondeurs du cerveau

Le fonctionnement de notre cerveau continue de nous laisser perplexes. L'une des raisons en est que les processus neuronaux au niveau des cellules individuelles et des capillaires dans l'ensemble du cerveau ne peuvent être observés jusqu'à présent qu'à l'aide de méthodes chirurgicales hautement invasives. Cela devrait maintenant changer.

Des chercheurs dirigés par Daniel Razansky, professeur d'imagerie biomédicale à l'Université de Zurich et à l'ETH Zurich, ont mis au point une technique de microscopie à fluorescence qui permet d'obtenir des images haute résolution de la circulation sanguine dans les plus petits vaisseaux sanguins du cerveau, sans avoir à ouvrir la bo?te cr?nienne ou le cuir chevelu. Le nom de la technique : Diffuse Optical Localization Imaging, ou DOLI en abrégé.

Selon Razansky, nous faisons ainsi un grand pas vers un objectif de longue date en neurosciences : "La visualisation des processus biologiques en profondeur dans le cerveau vivant et intact est essentielle à la fois pour la compréhension des fonctions cognitives et des maladies neurodégénératives telles que les maladies d'Alzheimer et de Parkinson", dit-il.

Amélioration de la microscopie à fluorescence

Lorsque des agents de contraste fluorescents présents dans la circulation sanguine sont exposés à une lumière d'une certaine longueur d'onde, ils se mettent à briller. Cet effet est exploité par la microscopie de fluorescence pour rendre visibles les processus biologiques au niveau cellulaire et moléculaire. Jusqu'à présent, les chercheurs qui utilisaient cette méthode sur des humains ou des animaux se heurtaient au problème que les tissus vivants eux-mêmes absorbent et diffusent fortement la lumière. Cela rendait les images obtenues non seulement floues, mais empêchait également de localiser l'agent de contraste dans le cerveau.

Gr?ce à l'introduction de nouvelles techniques, Razansky et son équipe sont maintenant parvenus à améliorer considérablement cette méthode. "Nous avons décidé d'utiliser une plage spectrale spécifique pour l'imagerie, appelée deuxième fenêtre proche infrarouge. Cela nous a permis de réduire fortement à la fois la diffusion de l'arrière-plan, l'absorption et la fluorescence intrinsèque des tissus", explique le professeur. En outre, l'équipe de recherche a utilisé une caméra infrarouge très efficace récemment mise au point, ainsi qu'un nouvel agent de contraste composé de points quantiques qui émettent une forte fluorescence dans la zone infrarouge sélectionnée.

Images haute résolution du cerveau

Les chercheurs ont d'abord testé la nouvelle technique à l'aide de modèles de tissus synthétiques qui simulent les propriétés du tissu cérébral. Résultat : la profondeur de pénétration des images était quatre fois plus élevée qu'avec les approches conventionnelles de microscopie à fluorescence. Razansky et son équipe ont ensuite injecté à des souris vivantes des microgouttelettes contenant des points quantiques fluorescents. Ces gouttelettes ont ensuite pu être localisées individuellement au microscope.

"Nous avons ainsi été en mesure, pour la première fois, de visualiser avec précision et de manière non invasive les plus petites structures vasculaires et la circulation sanguine au plus profond du cerveau de la souris", explique Razansky. Les chercheurs de l'ETH et de l'Université de Zurich ont en outre observé que la taille des microgouttelettes représentées dépendait de la profondeur à laquelle elles se trouvaient dans le cerveau. C'est cet effet qui produit les images tridimensionnelles de la technique DOLI.

Comparée à d'autres méthodes d'imagerie biologique, comme par exemple l'optoacoustique également développée par Razansky, la technique DOLI tire parti de la polyvalence et de la simplicité de l'imagerie par microscopie à fluorescence. "Tout ce dont nous avons besoin, c'est d'une configuration de caméra relativement peu co?teuse, sans laser ni optique sophistiquée. Cela facilite considérablement l'application à grande échelle dans les laboratoires", explique le professeur Razansky.

Une base pour de nouvelles connaissances

Les troubles neurologiques, qui vont de l'épilepsie aux attaques cérébrales en passant par différents types de démence, touchent jusqu'à un milliard de personnes dans le monde. En conséquence, il existe un grand besoin de mieux comprendre les causes biologiques des maladies neurodégénératives et d'autres maladies du cerveau et de les détecter à un stade précoce.

Selon Razansky, la microscopie à fluorescence améliorée sur la base de la méthode DOLI constitue une bonne base pour cela : "Nous partons du principe que cette technique conduira également à de nouveaux aper?us du fonctionnement du cerveau et, à plus long terme, à de nouvelles possibilités de traitement". Mais avant d'en arriver là, lui et son équipe devront probablement encore regarder des souris penser pendant un certain temps.