Le nouveau domaine de la sonogénétique utilise des ondes sonores pour contrôler le comportement des cellules du cerveau

Le nouveau domaine de la sonogénétique utilise des ondes sonores pour contrôler le comportement des cellules du cerveau
Les ondes sonores sont affichées sous forme de lumière scintillante oscillante. natrot / Shutterstock.com

Et si vous n'aviez pas besoin de chirurgie pour implanter un stimulateur cardiaque sur un cœur défectueux? Et si vous pouviez contrôler votre glycémie sans injection d’insuline ou atténuer l’apparition d’une crise sans même appuyer sur un bouton?

Moi et une équipe de scientifiques mon laboratoire au Institut Salk Nous nous attaquons à ces problèmes en développant une nouvelle technologie appelée sonogénétique, à savoir la capacité de contrôler de manière non invasive l’activité des cellules utilisant le son.

De la lumière au son

Je suis neuroscientifique intéressé à comprendre comment le cerveau détecte les changements environnementaux et réagit. Les neuroscientifiques sont toujours à la recherche de moyens d'influencer les neurones dans les cerveaux vivants afin d'analyser les résultats et de comprendre à la fois le fonctionnement de ce cerveau et la manière de mieux traiter les troubles cérébraux.

La création de ces changements spécifiques nécessite le développement de nouveaux outils. Au cours des deux dernières décennies, l’outil de prédilection des chercheurs de mon domaine a été l’optogénétique, technique dans laquelle les cellules cérébrales modifiées chez l'animal sont contrôlées par la lumière. Ce processus implique l'insertion d'une fibre optique profondément dans le cerveau de l'animal afin de fournir de la lumière à la région cible.


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Lorsque ces cellules nerveuses sont exposées à la lumière bleue, la protéine photosensible est activée, ce qui permet à ces cellules du cerveau de communiquer entre elles et de modifier le comportement de l'animal. Par exemple, les animaux atteints de la maladie de Parkinson peuvent être guéri de leurs tremblements involontaires par une lumière brillante sur les cellules du cerveau spécialement conçues pour les rendre sensibles à la lumière. Mais l'inconvénient évident est que cette procédure nécessite l'implantation chirurgicale d'un câble dans le cerveau - une stratégie qui ne peut pas être facilement traduite en personnes.

Mon objectif était de comprendre comment manipuler le cerveau sans utiliser de lumière.

Contrôle du son

J'ai découvert que les ultrasons - des ondes sonores dépassant le cadre de l'audition humaine, qui sont non invasives et sans danger - sont un excellent moyen de contrôler les cellules. Comme le son est une forme d'énergie mécanique, j'ai pensé que si les cellules cérébrales pouvaient être rendues sensibles mécaniquement, nous pourrions les modifier avec des ultrasons. Cette recherche nous a conduit à la découverte du premier détecteur mécanique naturel de protéines cela rendait les cellules cérébrales sensibles aux ultrasons.

Notre technologie fonctionne en deux étapes. Premièrement, nous introduisons du nouveau matériel génétique dans les cellules cérébrales défectueuses en utilisant un virus comme instrument de libération. Ceci fournit les instructions pour que ces cellules fabriquent les protéines sensibles aux ultrasons.

L'étape suivante consiste à émettre des impulsions ultrasonores à partir d'un appareil situé à l'extérieur du corps de l'animal et à cibler les cellules contenant les protéines sensibles au son. L'impulsion ultrasonore active les cellules à distance.

Le nouveau domaine de la sonogénétique utilise des ondes sonores pour contrôler le comportement des cellules du cerveau
Les plages de fréquences sonores pour les infrasons, les ondes sonores et ultrasonores et les animaux qui peuvent les entendre. Les gens ne peuvent entendre qu'entre 20 Hz et 20,000 Hz. Designua / Shutterstock.com

Preuve dans les vers

Nous avons été les premiers à montrer comment la sonogénétique peut être utilisée pour activer les neurones dans un ver microscopique appelé Caenorhabditis elegans.

En utilisant des techniques génétiques, nous avons identifié une protéine naturelle appelée TRP-4 - présente dans certains neurones du ver - qui était sensible aux changements de pression ultrasonores. Les ondes de pression acoustique qui se produisent dans la plage des ultrasons sont supérieures au seuil normal d’audience humaine. Certains animaux, y compris les chauves-souris, les baleines et même les papillons de nuit, peuvent communiquer à ces fréquences ultrasoniques, mais les fréquences utilisées dans nos expériences vont au-delà de ce que même ces animaux peuvent détecter.

Mon équipe et moi avons démontré que les neurones porteurs de la protéine TRP-4 sont sensibles aux fréquences ultrasonores. Les ondes sonores à ces fréquences ont modifié le comportement du ver. Nous avons modifié génétiquement deux des neurones 302 du ver et ajouté le gène TRP-4 qui nous savions des études précédentes a été impliqué avec mécanosensation.

Nous avons montré comment les impulsions ultrasonores pouvaient amener les vers à changer de direction, comme si nous utilisions une télécommande à vis sans fin. Ces observations ont prouvé que nous pouvions utiliser les ultrasons pour étudier le fonctionnement du cerveau chez des animaux vivants sans rien insérer dans le cerveau.

L'envoi d'une impulsion ultrasonore à un ver transportant des protéines sensibles au son entraîne un changement de direction:

Les avantages de la sonogénétique

Cette première découverte a marqué la naissance d'une nouvelle technique offrant des informations sur la manière dont les cellules peuvent être excitées par le son. De plus, je pense que nos résultats suggèrent que la sonogénétique peut être appliquée pour manipuler une grande variété de types de cellules et de fonctions cellulaires.

C. elegans était un bon point de départ pour développer cette technologie car l’animal est relativement simple, avec seulement des neurones 302. Parmi ceux-ci, TRP-4 ne se trouve que dans huit neurones. Nous pouvons donc contrôler d'autres neurones en leur ajoutant d'abord TRP-4, puis en dirigeant les ultrasons précisément sur ces neurones spécifiques.

Mais les humains, contrairement aux vers, ne possèdent pas le gène TRP-4. Mon plan consiste donc à introduire la protéine sensible au son dans les cellules humaines spécifiques que nous voulons contrôler. L'avantage de cette approche est que l'échographie n'interférera pas avec les autres cellules du corps humain.

On ignore actuellement si d'autres protéines que TRP-4 sont sensibles aux ultrasons. L’identification de telles protéines, s’il en existe, est un domaine d’étude intense dans mon laboratoire et sur le terrain.

La meilleure partie de la sonogénétique est qu’elle ne nécessite pas d’implant cérébral. Pour la sonogénétique, nous utilisons des virus artificiels - incapables de se répliquer - permettant de transmettre du matériel génétique aux cellules du cerveau. Cela permet aux cellules de fabriquer des protéines sensibles au son. Cette méthode a été utilisée pour livrer du matériel génétique au sang humain et cellules du muscle cardiaque chez les porcs.

La sonogénétique, même si elle n’en est qu’à ses débuts, offre une nouvelle stratégie thérapeutique pour divers troubles liés au mouvement, notamment la maladie de Parkinson, l’épilepsie et la dyskinésie. Dans toutes ces maladies, certaines cellules cérébrales cessent de fonctionner et empêchent les mouvements normaux. La sonogénétique pourrait permettre aux médecins d'allumer ou d'éteindre les cellules du cerveau à un endroit ou à une heure spécifique et de traiter ces troubles du mouvement sans chirurgie du cerveau.

Pour que cela fonctionne, la région cible du cerveau doit être infectée par le virus portant les gènes de la protéine sensible au son. Cela a été fait chez la souris mais pas encore chez l'homme. La thérapie génique est en train de devenir meilleure et plus précise, et j'espère que d'autres chercheurs auront compris comment le faire avant que notre technologie sonogénétique soit prête.

Extension de la sonogénétique

Nous avons reçu soutien substantiel faire progresser cette technologie, alimenter l’étude initiale et constituer une équipe interdisciplinaire.

Avec un financement supplémentaire de l'Agence de projets de recherche avancée de la défense Programme ElectRx, nous pouvons nous concentrer sur la recherche de protéines qui peuvent nous aider à «désactiver» les neurones. Nous avons récemment découvert des protéines pouvant être manipulées pour activer des neurones (travail non publié). Ceci est crucial pour développer une stratégie thérapeutique pouvant être utilisée pour traiter des maladies du système nerveux central telles que la maladie de Parkinson.

Toucher la feuille de la plante Mimosa pudica déclenche une réaction de plissement qui ferme les feuilles. La plante est également sensible aux ultrasons qui peuvent déclencher la même réaction:

Notre équipe travaille également à l'expansion de la technologie sonogénétique. Nous avons maintenant observé que certaines plantes, comme le «ne me touche pas» (Mimosa Pudica), sont sensibles aux ultrasons. Tout comme les feuilles de cette plante sont connues pour s’effondrer et se replier vers l’intérieur lorsqu’elles sont touchées ou secouées, l’application d’impulsions ultrasonores à une branche isolée produit la même réponse. Enfin, nous développons une méthode différente pour tester si les ultrasons peuvent influencer les processus métaboliques tels que la sécrétion d’insuline par les cellules pancréatiques.

La sonogénétique pourrait un jour contourner les médicaments, supprimer le besoin de chirurgies cérébrales invasives et être utile dans des conditions allant du trouble de stress post-traumatique aux troubles du mouvement en passant par la douleur chronique. L’énorme potentiel de la sonogénétique réside dans le fait que cette technologie pourrait être appliquée pour contrôler presque tous les types de cellules: d’une cellule produisant de l’insuline dans le pancréas à la stimulation cardiaque.

Nous espérons que la sonogénétique révolutionnera les domaines des neurosciences et de la médecine.

À propos de l’auteur

Sreekanth Chalasani, Professeur associé de neurobiologie moléculaire (Institut Salk) et professeur auxiliaire adjoint de neurobiologie, Université de Californie à San Diego

Cet article est republié de La Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

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