Des chercheurs de la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) de Harvard et du MIT ont développé une nouvelle méthode pour cibler les neurones malades dans le cerveau et modifier leur comportement à long terme en utilisant la lumière, ouvrant la voie à de nouveaux traitements potentiels pour la neurologie. conditions telles que l’épilepsie et l’autisme.
La recherche est publiée dans Progrès de la science.
Nous prévoyons que cette technologie offrira de nouvelles opportunités pour le contrôle à haute résolution spatio-temporelle des neurones pour les neurosciences et les études comportementales et développera de nouveaux traitements pour les troubles neurologiques. »
Jia Liu, professeur adjoint de bioingénierie à SEAS et co-auteur principal de l’étude
L’optogénétique, l’utilisation de la lumière pour stimuler ou inhiber les neurones, promet depuis longtemps de révolutionner l’étude et le traitement des affections neurologiques causées par une excitabilité excessive ou insuffisante des neurones. Cependant, les techniques optogénétiques actuelles ne peuvent modifier l’excitabilité neuronale qu’à court terme. Une fois la lumière éteinte, les neurones retrouvent leur comportement d’origine.
Les progrès récents de la nanotechnologie, y compris la nanoélectronique implantable et flexible mise au point par Liu et son équipe, pourraient modifier le comportement neuronal à long terme, mais ces dispositifs doivent être implantés dans le cerveau et ne peuvent pas être programmés pour attaquer des neurones spécifiques impliqués dans la maladie.
L’excitabilité d’un neurone est régie par deux composantes principales – ; sa conductivité du canal ionique et la capacité de la membrane cellulaire à stocker une charge électrique, connue sous le nom de capacité.
La plupart des techniques optogénétiques ciblent la conductivité des canaux ioniques, modulant l’excitabilité des neurones en ouvrant ou en fermant un groupe spécifique de canaux. Cette approche peut régler efficacement l’excitabilité du neurone, mais seulement de manière transitoire.
« Vous pouvez imaginer un neurone comme un circuit résistance-condensateur et la membrane cellulaire comme un matériau diélectrique », a déclaré Liu. « Comme pour tout circuit, si vous modifiez la capacité du matériau, dans ce cas la membrane cellulaire, vous pouvez modifier l’excitabilité intrinsèque du circuit sur le long terme, d’une excitabilité élevée à une excitabilité faible ou vice versa. »
Pour modifier la capacitance de la membrane cellulaire, Liu, en collaboration avec Xiao Wang, Thomas D. et Virginia Cabot, professeur adjoint de chimie au MIT, a utilisé des enzymes photosensibles capables de déclencher la formation de polymères isolants ou conducteurs à la surface. . des membranes cellulaires.
Les enzymes peuvent être conçues pour cibler les membranes cellulaires de neurones spécifiques. Une fois les enzymes attachées à la membrane spécifiée, les chercheurs ont utilisé la lumière bleue pour illuminer les neurones, provoquant la génération de revêtements isolants ou conducteurs sur la membrane en quelques minutes. Ils ont montré que les neurones avec des revêtements polymères isolants devenaient plus excitables et que ceux avec des revêtements polymères conducteurs devenaient moins excitables.
Les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient ajuster l’excitabilité en ajustant l’exposition à la lumière ; plus les neurones étaient exposés longtemps à la lumière, plus les revêtements devenaient isolants ou conducteurs. L’équipe de recherche a également montré que les changements d’excitabilité duraient jusqu’à trois jours; tant qu’ils pouvaient maintenir les neurones en vie dans une boîte de Pétri.
Ensuite, l’équipe vise à tester l’approche en utilisant des tranches de tissu cérébral et chez des animaux.
« L’objectif global de ce travail est de permettre des approches de changement de paradigme pour l’intégration de matériaux, de structures et de dispositifs fonctionnels dans des systèmes nerveux vivants avec une spécificité subcellulaire et de type cellulaire, ce qui permettra une manipulation précise des propriétés électrochimiques subcellulaires, remodelant l’excitabilité de neurones dans les systèmes nerveux vivants », a déclaré Liu.
La recherche a été co-écrite par Chanan D. Sessler, Yiming Zhou, Wenbo Wang, Nolan D. Hartley, Zhanyan Fu, David Graykowski et Morgan Sheng.
Il a été soutenu en partie par l’Air Force Office of Scientific Research Young Investigator Program dans le cadre de la subvention FA9550-22-1-0228, la National Science Foundation par l’intermédiaire du Center for Materials Research Science and Engineering de l’Université de Harvard dans le cadre de la subvention DMR-2011754, et le Harvard Dean Competitive Fund for Promising Scholarships.
École d’ingénierie et de sciences appliquées Harvard John A. Paulson
Sessler, C.D. et coll. (2022) Polymérisation optogénétique et assemblage de polymères électriquement fonctionnels pour la modulation de l’excitabilité d’un seul neurone. Progrès de la science. doi.org/10.1126/sciadv.ade1136.