Un microscope multiphotonique pour étudier les circuits cérébraux sains et pathologiques
Porteur du projet : Stéphane Dieudonné – Institut de Biologie de l’Ecole Normale Supérieure (IBENS), Paris
Titre du projet : « Stimulation et enregistrement optique des circuits cérébraux sains et pathologiques »
Equipement financé : équipement pour microscope multiphotonique : 1 laser TiSa, accessoires de microscopie et environnement d’électrophysiologie pour un poste d’imagerie. Cet équipement est financé grâce à l’opération Rotary-Espoir en Tête 2010 et l’expertise scientifique est assurée par le Conseil scientifique de la FRC.
Le projet
Les fonctions cérébrales dépendent de l’activité de microcircuits neuronaux fonctionnant au sein de l’environnement constitué par les cellules gliales et microgliales. Les modèles de cellules en culture ne rendent pas pleinement compte du raffinement, de la spécialisation et de la complexité des circuits cérébraux. Il est donc devenu essentiel d’étudier les processus moléculaires, cellulaires ainsi que les réseaux au sein du tissu cérébral préservé. Grâce à l’obtention d’un équipement d’imagerie multiphotonique, les chercheurs peuvent étudier ces mécanismes biologiques. Les équipes ayant accès à ce matériel travaillent sur différents axes de recherche telles que l’interaction entre la microglie et les neurones et l’analyse des synapses dans le cadre de maladies neurodégénératives.
Deux types d’expériences ont pu être réalisées grâce à cet équipement :
- L’étude du développement cérébral et en particulier de la migration et de la différenciation des cellules, qui sont suivies pendant plusieurs heures à des stades précis de la mise en place des circuits neuronaux.
- Le suivi de l’activité neuronale. Les chercheurs ont pu caractériser certains paramètres de l’activité synaptique dans le cervelet ainsi que certains processus synaptiques dans les cellules de Purkinje.
L’équipement
La microscopie multiphotonique (appelée également microscopie biphotonique) permet d’imager des échantillons en haute résolution en 3 dimensions, et cela même sur des échantillons épais. Elle s’est imposée comme la technique optique de choix pour l’étude des processus biologiques au sein de tissus. Cet équipement permet d’étudier des mécanismes dynamiques dans des tissus ou cellules vivantes tout en évitant de leur faire subir des traitements dommageables. La microscopie multiphotonique offre non seulement la perspective de réaliser de l’imagerie de façon non-invasive, mais elle permet également d’étudier l’activité neuronale avec une précision spatiale et temporelle pertinente. C’est technique prometteuse pour élucider les mécanismes du cerveau.
Grâce au financement du Rotary-Espoir en Tête, la section neuroscience de l’IBENS a fait l’acquisition d’un système multiphotonique de dernière génération équipé d’un environnement pour l’enregistrement électrophysiologique des neurones. Ce système a été implanté au sein de la plateforme d’imagerie de l’IBENS dont il constitue l’un des points forts, et est utilisé par de nombreuses équipes pour leurs projets.
Les résultats
Cet équipement a permis d’effectuer différents travaux. Tout d’abord, les chercheurs ont analysé les mécanismes de signalisation dans la cellule de Purkinje. Ces résultats vont ensuite permettre d’étudier l’influence de cette signalisation dans la mort des cellules de Purkinje lors de maladies neurodégénératives. En parallèle, l’équipement financé a permis d’étudier le rôle de la microglie dans le développement précoce du cortex. Les chercheurs ont pu mettre en évidence certains rôles de la microglie dans la mise en place précoce des circuits du cortex. Ces mécanismes pourraient avoir un rôle dans les interactions prénatales entre microbiote et développement cérébral.
Récemment, le microscope a permis d’enregistrer pour la première fois l’activité des neurones in vivo optiquement, grâce à des sondes fluorescentes sensibles au potentiel de membrane des neurones. Ces données ont permis aux chercheurs d’obtenir un financement prestigieux du NIH dans le cadre du BRAIN initiative parrainé par le président Obama.
Les équipes utilisatrices
Cet équipement est utilisé à plein temps et constitue l’un des points forts de la plateforme d’imagerie de l’IBENS. Les expériences menées impliquent généralement des préparations longues (plusieurs heures) et une utilisation de l’équipement sur la journée. Il est utilisé à la fois sur des préparations ex-vivo, telles que les tranches aigues de cerveau, et sur des préparations in vivo permettant l’imagerie cérébrale.
Par ailleurs, en dehors de l’équipe de Stéphane Dieudonné, différentes équipes utilisent cet équipement :
Au sein de l’IBENS :
- L’équipe de Frédéric Rosa (Marilka Kapsimali) étudie le développement du cerveau en y combinant des études du comportement.
- L’équipe de Sonia Garel dont l’axe de recherche concerne le développement du cerveau et la plasticité.
- L’équipe de Boris Barbour qui vise à comprendre le fonctionnement du cerveau au niveau cellulaire et au niveau des réseaux neuronaux.
- L’équipe de Nathalie Spassky a pour objectif de disséquer les mécanismes moléculaires et cellulaires qui sous-tendent la biologie du système nerveux.
Hors de l’institut :
- L’équipe de Cendra Agulhon (Paris V centre des St Pères) étudie les interactions entre cellules gliales et neurones.
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« L’instrument financé par le Rotary-Espoir en Tête et sélectionné par la FRC a permis aux équipes de neurophysiologistes de rester à la pointe pour ce qui concerne l’enregistrement de l’activité neuronale. Il a permis à l’ensemble des équipes de l’IBENS de bénéficier d’une technologie de pointe qui n’était pas disponible commercialement. Trois de ces équipes n’auraient pas pu s’acheter un microscope biphotonique en propre et n’auraient donc pu réaliser ces expériences. » Stéphane Dieudonné, Directeur de Recherche INSERM
Stéphane Dieudonné est Directeur de Recherche INSERM au sein de l’équipe « Transmission inhibitrice » de l’IBENS (Institut de Biologie De l’Ecole Normale Supérieure) à Paris. Son équipe s’intéresse au rôle central de la transmission synaptique inhibitrice dans le fonctionnement du cerveau. Pour cela, les chercheurs se consacrent à l’étude de la fonction des neurones inhibiteurs tant à l’échelle des synapses qu’à celle des réseaux.
Stéphane Dieudonné a également développé des technologies innovantes de microscopie pour l’imagerie de l’activité cérébrale. Ces développements ont conduit à la création en 2017 d’une startup, Karthala system.
Publications
Grâce à ce matériel, 7 publications ont été effectuées dans de prestigieuses revues scientifiques depuis 2014, dont 3 dans Neuron et 2 dans Science.
Dont :
Le centre de recherche
Depuis 2010, l’Institut de Biologie de l’Ecole Normale Supérieure (IBENS) de Paris rassemble des équipes de recherche et des plates formes technologiques autour de programmes de recherche qui concernent la génétique et la génomique, la biologie du développement, les neurosciences, l’évolution et la biologie des plantes.
L’objectif est de promouvoir au cœur même de Paris, une recherche et un enseignement transdisciplinaires bénéficiant d’un environnement exceptionnel constitué non seulement de l’IBENS, mais également des départements de Physique, de Chimie, de Mathématiques et des Etudes cognitives de l’Ecole Normale Supérieure.
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