Un système d’imagerie pour étudier l’architecture cérébrale au niveau moléculaire
Mise à jour de la page : le 30/10/2020
Lydia DANGLOT– Centre de psychiatrie et neurosciences (CPN) – INSERM U894, Paris
Titre du projet : « L’architecture cérébrale révélée à l’échelle du nanomètre par imagerie multi-couleur super-résolutive 3D STORM »
Équipement financé grâce à l’opération Rotary-Espoir en Tête 2018 et sélectionné par le Conseil Scientifique de la FRC : un module de super résolution pour la microscopie STORM pour un montant de 162 350 €.
Description du projet
La mauvaise localisation de certains constituants cellulaires est souvent associée à diverses pathologiques neurologiques et psychiatriques. Identifier et localiser avec précision les constituants des neurones et analyser leur implication dans les processus physiopathologiques est crucial dans la recherche en neurosciences. Dans ce cadre, l’acquisition d’un système d’imagerie de haute résolution permet de franchir un cap pour des recherches au plus haut niveau.
Le module de super résolution pour la microscopie STORM (microscopie de reconstruction stochastique) complètera la plateforme d’imagerie déjà en place à l’Institut de Psychiatrie et Neurosciences de Paris (IPNP). Ce nouveau système, très performant, permettra l’imagerie multicolore à l’échelle nanométrique de différents composants cellulaires (i.e. des neurones, cellules endothéliales, péricytes, macrophages, astrocytes…) et au sein de la cellule, au niveau des synapses permettant la connexion entre neurones. En particulier, l’imagerie multicolore et en 3D donnera aux chercheurs la capacité de visualiser avec une extrême précision ces divers composants dans des modèles experimentaux validés, en lien avec les pathologies neurologiques et psychiatriques.
Ce nouveau système très performant sera utilisé par 9 équipes de l’IPNP, et mis à disposition à d’autres laboratoires (Institut Cochin, Institut Curie, Université de Strasbourg) dans le cadre de collaborations au plus haut niveau en biologie cellulaire et en chimie. Son acquisition constitue donc une étape décisive pour affiner les connaissances sur l’architecture cérébrale à l’échelle moléculaire et ses anomalies en liaison avec les pathologies neuro-psychiatriques.
Module optera
Quelques résultats obtenus grâce à l’équipement
Les chercheurs ont pu résoudre pour la première fois l’anatomie des épines dendritiques (qui sont de petites protrusions membranaires à la surface des neurones impliqués dans la mémoire) en 3D et à l’échelle moléculaire (Article publié dans Cell Chemical Biology, voir encadré).
Les microscopes conventionnels donnent le signal rouge qui correspond à la membrane des cellules nerveuses. Grâce au système financé, les chercheurs ont accès à une plus forte résolution permettant de distinguer des centaines de molécules indépendantes (ici en dégradé de bleu).
Ils ont également pu établir à partir d’images de neurones de l’hippocampe (région cérébrale connue notamment pour son rôle dans la mémoire et l’apprentissage) la distribution spatiale de molécules synaptiques afin d’estimer la distance les séparant (Article publié dans Nature Communications, voir encadré). Ils ont par exemple ainsi pu montrer que 2 protéines, la Synapsin et VGLUT, impliquées dans la régulation de la libération des neurotransmetteurs au niveau des synapses, sont séparées de seulement 52 nm (soit inférieur à un dix millième de millimètre).
Ces informations inédites sont très précieuses pour mieux comprendre l’organisation moléculaire et la fonction des différents processus cellulaires, dont le dysfonctionnement peut engendrer le développement de pathologies neurologiques et psychiatriques.
Ici on peut voir un neurone en rouge, avec des synapses le contactant en vert. Un grossissement réalisé avec le système permet de distinguer les différents composants de cette synapse à l’échelle moléculaire.
Un article en cours de soumission dans le Journal of Cell Science prouve aussi la présence d’une protéine encore inconnue dans un compartiment cellulaire (l’appareil de Golgi), identifiée grâce à des doubles marquages moléculaires et rendue possible grâce à la technologie 3D-STORM.
Les équipes utilisatrices
L’équipement est très utilisé à la fois par des équipes internes à l’Institut qui ont dejà publié des articles scientifiques grâce à ce système (voir encadré) mais aussi par des équipes externes provenant de Paris (Institut Curie, Institut Cochin), de la région Ile de France (INRA), deux équipes de Strasbourg (INCI et Faculté de Pharmacie), une équipe de Rennes, deux équipes de Lyon et même un collaborateur Européen belge. Le système étant unique en France, il est assez demandé malgré le niveau de technicité très élevé qu’il requiert. Des demandes de collaborations avec l’étranger sont également régulières puisqu’il n’en existe que 2 autres en Europe (un en Angleterre et un à Berlin).
Témoignage de Lydia DANGLOT – porteuse du projet
« L’équipement n’étant pas disponible en France il était impossible de réaliser ce genre d’analyse auparavant. Nous pouvions faire de l’imagerie moléculaire mais seulement dans un seul plan, en allant dans d’autres instituts. Maintenant nous pouvons réaliser des expériences directement dans l’institut et en 3 dimensions, ce qui augmente beaucoup le champ des informations recueillis. Nous pouvons ainsi avoir accès à des nuages de millions de molécules au lieu d’avoir accès a seulement quelques molécules dans un seul plan. Ces données nous permettent alors de passer de la microscopie illustrative à la microscopie quantitative avec des analyses statistiques robustes sur des grands nombres. »
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Crédit photo : © Inserm/Delapierre, Patrick
Lydia DANGLOT
Lydia Danglot est chercheur INSERM (avec Habilitation à Diriger des Recherches) formée à l’Université Pierre et Marie Curie. Elle travaille actuellement au nouvel Institut de Psychiatrie et Neurosciences de Paris sur le trafic vésiculaire dans les cellules nerveuses et gliales durant la synaptogenèse et la plasticité.
« Je tiens à remercier sincèrement les rotariens et la FRC pour avoir mis en place cet appel d’offre spécifique. Sans ce financement, nos recherches seraient grandement retardées voire impossibles. Je sais que cela repose sur le temps des bénévoles rotariens en ce qui concerne la projection des films, et de toute l’organisation qui en découle en amont au niveau des différents districts et de la FRC. C’est un des rares appels d’offres, où les chercheurs peuvent demander le financement d’un équipement sans avoir déjà une partie du financement demandé. Ceci rend beaucoup plus accessible la finalisation du dossier et permet d’accélérer nos projets de recherche en économisant notre temps qui est souvent accaparé par des tâches administratives. Merci beaucoup pour tout cela. »
Le centre de recherche
L’Institut de Psychiatrie et Neurosciences de Paris, d’envergure internationale, regroupe des équipes multi-disciplinaires qui utilisent les approches de la recherche fondamentale (pré-clinique), translationnelle et clinique en lien avec le Centre Hospitalier Sainte-Anne. Les travaux de recherche qui y sont menés portent notamment sur le neurodéveloppement et ses désordres en cause dans diverses pathologies psychiatriques (autisme, schizophrénie, troubles bipolaires, dépressions), les comportements et les émotions qui les sous-tendent (stress, addictions), les atteintes neurovasculaires (AVC), le vieillissement cérébral et les pathologies neurodégénératives.
Publications
Depuis l’installation de cet équipement en 2018, 2 articles dans deux grands journaux à haut facteur d’impact ont été publiés :
- Mapping molecular assemblies with fluorescence microscopy and object-based spatial statistics. Lagache et al., Nature Communications 2018. Cet article a fait l’objet d’une revue de presse de l’Inserm et de l’Institut Pasteur.
- MemBright: a family of fluorescent membrane probes for advanced cellular imaging and neuroscience. Collot et al., Cell Chemical Biology 2019. La qualité de la microscopie STORM 3D rendue possible grâce au système financé a été félicitée par l’éditeur qui a demandé à Lydia Danglot de réaliser la couverture du journal (ci-jointe).
- Un troisième article est en cours d’évaluation à Journal of Cell Science.
De plus, Lydia Danglot a déjà présenté les résultats obtenus grâce à cette nouvelle technologie à 5 conférences scientifiques nationales et internationales.
