La luminescence aide les scientifiques à étudier le fonctionnement de neurones individuels dans le cerveau des animaux

Source: Alexey Kashpersky (kashpersky.com)

Les espèces d'organismes vivants pouvant être luminescents ne sont pas si rares. Ce sont des lucioles, des bactéries et des méduses avec des vers, sans parler des poissons d'eau profonde et d'autres animaux. La luminescence aide ces organismes à attirer des proies, à communiquer ou simplement à éclairer l'espace à côté d'eux. Une équipe de scientifiques de l'Université Vanderbildt a réussi à mettre la luminescence à leur service. Les scientifiques ont obtenu une forme génétiquement modifiée d'une enzyme qui provoque la bioluminescence des cellules du corps et, avec son aide, ils ont "appris" à briller les cellules du cerveau.

L'objectif du projet est d'assurer la bioluminescence des neurones cérébraux pendant leur fonctionnement. Cela, selon les scientifiques, permet une meilleure compréhension du principe du cerveau des organismes simples, ce qui peut conduire à une compréhension des principes du cerveau des animaux plus complexes.

Les scientifiques modernes ont déjà à leur disposition une technologie pour suivre les neurones cérébraux individuels. Mais ces technologies ont un certain nombre de limites. Par exemple, avec leur aide, vous pouvez suivre le travail d'un certain nombre de neurones seulement. Et dans le cerveau humain il y en a plus de 86 milliards, donc les méthodes électrophysiologiques existantes ne permettent pas de surveiller simultanément le travail de tous les services de cet organe complexe. Peut-être que la luciférase modifiée aidera à résoudre ce problème dans un avenir proche.

Une équipe de chercheurs a publié les résultats de leurs travaux dans la publication Nature Communications . La base est les résultats antérieurs de recherches menées par des spécialistes dans le domaine de la luminescence (l'équipe a précédemment étudié les algues unicellulaires Chlamydomonas) et l'optogénétique.

L'optogénétique est une technique pour étudier le travail des cellules nerveuses, qui est basée sur l'introduction de canaux spéciaux dans leur membrane - les opsines qui répondent à l'excitation par la lumière. Les méthodes du génie génétique sont utilisées pour exprimer les canaux. Pour l'activation ou la suspension ultérieure de l'activité des neurones et de leurs réseaux, des lasers, des fibres optiques et d'autres équipements optiques complexes sont utilisés. L'optogénétique est apparue en 2005. Ensuite, les scientifiques ont d'abord utilisé une telle opsine comme channelrodopsin-2 ( channelrhodopsin-2, ChR2 ).

Optogénétiquepermet non seulement de couvrir un plus grand nombre de neurones en observation que dans le cas de travailler avec des méthodes électrophysiologiques pour étudier les réseaux de neurones. Elle ouvre également la possibilité d'une activation ou d'une suppression hautement sélective de certaines connexions neuronales. Les experts disent que cela aidera à fournir un traitement efficace contre la maladie de Parkinson, la dépression, l'anxiété et l'épilepsie. Lorsque des méthodes optogénétiques sont utilisées, les scientifiques travaillent généralement avec la fluorescence.

Selon Carl H. Johnson, professeur de biologie, qui dirige l'étude, la bioluminescence devrait être utilisée à la place de la fluorescence. «La lumière générée par les cellules fluorescentes est supprimée par l'éclairage nécessaire à l'observation. La luminescence fonctionne dans l'obscurité », a déclaré le scientifique. Le problème est aussice matériau fluorescent n'est pas si simple à introduire dans tous les départements du cerveau qui intéressent les scientifiques, étant donné la nécessité de l'introduire dans chaque neurone individuel.

Par conséquent, les scientifiques ont trouvé une approche différente. Ils ont pris la luciférase du corps des crevettes luminescentes et l'ont génétiquement modifiée de sorte que l'activité lumineuse de la luciférase a commencé à apparaître en présence de molécules de calcium. La concentration de calcium est assez élevée dans les neurones, mais en même temps, cet élément n'est pas suffisant en dehors des cellules cérébrales. Lorsqu'un neurone reçoit un signal, la concentration en calcium devient maximale, ce qui entraîne la luminescence de la cellule impliquée. L'enzyme modifiée a pu se fixer aux cellules du cerveau grâce au virus. Avec elle, les scientifiques ont introduit l'enzyme dans le capteur de calcium, l'introduisant dans le neurone.


La luminescence de neurones individuels est devenue possible grâce à l'utilisation d'une enzyme génétiquement modifiée (Source: Johnson Lab / Université Vanderbilt)

Jusqu'à présent, une nouvelle technologie a été développée sur des neurones cultivés en laboratoire, ainsi que sur des tranches de souris hippocampiques. Il faut trois semaines pour préparer un échantillon luminescent. Dans les deux cas, les neurones ont commencé à luminescence à la réception d'un signal électrique, entraînant une augmentation de la concentration en calcium. Le succès des scientifiques est également dû au fait qu'une nouvelle luciférase, appelée NanoLuc , a récemment été créée .

«Nous avons montré que notre technologie fonctionne», a déclaré Johnson. «Maintenant, nous devons déterminer à quel point il est sensible. Nous pensons que la nouvelle méthode est suffisamment précise pour déterminer l'activation de neurones individuels, mais pour le vérifier, nous devons effectuer des tests supplémentaires. "

Les chercheurs ont publié des informations sur l'enzyme génétiquement modifiée sur la ressource AddGene . L'accès à ces informations est gratuit.

Source: https://habr.com/ru/post/fr398725/