«Avance, tourne, arrête-toi. Ponds un oeuf. » Ces étranges commandes de chercheurs à un ver sont une réalité. Deux équipes publient en effet simultanément leurs études sur le contrôle du ver Caenorhabditis elegans avec de la lumière. Une nouvelle démonstration des promesses de l’optogénétique, une technique qui consiste, par modification génétique, à sensibiliser des cellules à la lumière pour les activer ou les inhiber (voir la vidéo).
Vidéo : le nématode est scanné par un rayon lumineux bleu. Lorsque ce rayon passe devant deux neurones responsables de la ponte situés au milieu de son corps (à partir de l'image 8828), le ver pond immédiatement plusieurs oeufs.
Dans les deux cas, les neurobiologistes ont modifié les neurones de leurs vers à l’aide de fragments d’ADN d’algue, pour qu’ils expriment deux protéines sensibles à la lumière. « L’une, la channelrhodopsine-2, active le neurone en présence de lumière bleue. L’autre, l’halorhodopsine l’inhibe en présence de lumière jaune-orange »,explique Andrew Leifer, de l’université Harvard, cosignataire de l’une des deux études [1] .
Comme le ver Caenorhabditis elegans est transparent et doté de seulement 302 neurones, les biologistes ont pu mettre au point un système leur permettant d’activer (et d’inhiber) à la demande l’un ou l’autre des neurones. Ils contrôlent ainsi son comportement : le mouvement, la ponte des oeufs, et le système sensoriel. Andrew Leifer et ses collègues ont utilisé la lumière d’un laser qui permet d’éclairer une zone de taille voisine de celle d’un neurone, avec une seule couleur. L’équipe d’Alexander Gottschalk, de l’université de Francfort, a procédé différemment : « Nous avons modifié un projecteur vidéo à cristaux liquides : il projette des images qui permettent de contrôler simultanément jusqu’à trois régions du ver et avec les deux couleurs[2].»
Neurones organisés
« Ces outils vont nous aider à comprendre comment les neurones s’organisent pour former un comportement », explique Claire Wyart, de l’Institut du cerveau et de la moelle épinière, à Paris. Elle travaille depuis cinq ans sur le contrôle optogénétique du poisson-zèbre [3] . « L’optogénétique est née de travaux de Peter Hegemann et de Georg Nagel à la fin des années 1990 à l’université de Francfort. Ils ont montré que le déplacement d’une algue unicellulaire avec de la lumière bleue est dû à l’expression d’une protéine qui forme, dans la paroi de la cellule, un canal activé par la lumière. Ed Boyden, du MIT, et Karl Deisseroth, de l’université Stanford, ont ensuite eu l’idée de modifier des neurones animaux par transgenèse pour qu’ils expriment ces protéines et deviennent eux aussi photosensibles. » Au départ avec des animaux transparents (ver, poisson-zèbre), puis avec des souris, et bientôt des singes.
Chez les mammifères, la lumière est apportée dans une région du cerveau à l’aide de fibres optiques implantées dans le crâne. « Les neurones des mammifères sont en général redondants, donc on ne peut pas cibler un neurone. Mais on peut étudier la dynamique des circuits neuronaux », explique Claire Wyart. Et si certains imaginent utiliser l’optogénétique chez l’homme pour lutter contre certaines affections du cerveau, comme la maladie de Parkinson, Claire Wyart reste sceptique.« Dans les zones profondes du cerveau, ce sont pour l’instant des outils de recherche fondamentale. Mais nous avons l’espoir que l’optogénétique puisse soigner des maladies de l’oeil, qui est facilement accessible à la lumière. »
Retrouvez d'autres vidéos mises en ligne par le laboratoire.
Denis Delbecq
http://www.larecherche.fr/content/actualite-technologie/article?id=29471
[1] A. Leifer et al., Nature Methods, 8, 147, 2011.
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