Comment des morceaux de cerveau humain vivant aident les scientifiques à cartographier les cellules nerveuses

Comment des morceaux de cerveau humain vivant aident les scientifiques à cartographier les cellules nerveuses
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Le morceau de cerveau de la taille d'une balle de golf ne coopère pas. C’est plus épais que d’habitude et plus sanglant. Un côté a une bande de tissu qui ressemble, à mon œil non averti, à celui de chardons.

Nick Dee, le neuroscientifique chargé de couper rapidement le morceau en morceaux, confère avec ses collègues. «Nous pouvons éliminer cette laideur sur le côté», dit-il. La «laideur» est le tissu conjonctif du cerveau appelé substance blanche.

Pour produire des tranches utiles pour des expériences, le tissu cérébral doit être coupé, collé sur une base de la taille d'un rouge à lèvres, puis introduit dans une version de laboratoire d'une charcuterie. Mais ce morceau difficile ne coupe pas bien. Dee et ses collègues la retirent de la base, la taille et la reglue.

Une demi-heure plus tôt, ce morceau de tissu neural était niché dans la tête d’une femme âgée de 41 ans, du côté gauche juste au-dessus de l’oreille. Les chirurgiens ont enlevé le tissu pour atteindre une partie plus profonde de son cerveau, ce qui pourrait causer de graves convulsions. Les règles de confidentialité m'empêchent d'en savoir beaucoup sur elle; Je ne connais pas son nom, encore moins son premier souvenir, son plat préféré ou son sens de l’humour. Mais au sein de ce morceau de tissu, que la patiente a généreusement offert, sont des indices sur la façon dont son cerveau – tout notre cerveau, crée réellement l'esprit.

L’équipe de Dee travaille vite car cette partie du cerveau est vivante. Certaines cellules peuvent toujours se comporter comme si elles faisaient partie du cerveau d’une personne, ce qui signifie qu’elles ont un potentiel énorme pour les scientifiques qui souhaitent comprendre comment nous nous souvenons, planifions, nous comportons et ressentons. Après que Dee et son équipe fassent leur part, des morceaux du cerveau de la femme seront emmenés dans les mains de scientifiques motivés, où les cellules seront photographiées, zappées avec de l'électricité, débarrassées de leur matériel génétique et même infectées par des virus qui les font luire en vert Et rouge.

Tout cela fait partie d’un projet de l’Institut Allen pour la science du cerveau basé à Seattle, financé en grande partie par des fonds privés et certaines subventions du gouvernement américain. Ce projet, qui en est à sa sixième année d'existence, s'appuie sur un réseau de scientifiques, de neurochirurgiens et de patients prêts à faire don de tissus cérébraux prélevés au cours d'une intervention chirurgicale. Le but ultime est de répondre à l’une des plus grandes questions en neuroscience: qu'est-ce qui fait de nous un humain?

La réponse ne sera pas simple. Mais déjà, le projet a donné des indices sur ce qui rend le cerveau humain si puissant. Des expériences sur des tissus vivants ont révélé des bizarreries cellulaires qui peuvent être spécifiques aux primates et ont révélé de nouveaux détails sur un type mystérieux de neurone, un type de cellule nerveuse. D'autres découvertes alléchantes montrent que les humains et les souris ont un nombre très similaire de types de neurones. Ce type de calcul cellulaire détaillé est une première étape indispensable sur la voie de la compréhension des pensées, des comportements et des capacités de l’homme.

«Nous voulons une description complète de tous les types de neurones», a déclaré Christof Koch, scientifique en chef et président de l'Institut Allen pour la science du cerveau. Les progrès constants réalisés au cours des six dernières années montrent que les réponses sont à portée de main. Une fois que l'ordre est donné à l'enchevêtrement de neurones qui peuplent notre cerveau, les scientifiques peuvent se tourner vers les plus grands mystères, comme par exemple la manière dont ces cellules créent nos souvenirs, nos émotions et même la conscience elle-même.

Heure de pointe

Le matin du 14 mai, j’attendais devant une salle d’opération située au sous-sol du centre médical Harborview de l’Université de Washington. À l’intérieur, un neurochirurgien s’immisce profondément dans le cerveau de la femme. À 10h15, les larges portes battantes s'ouvrent et un médecin réalise un pot en plastique transparent avec un bouchon orange.

À l'intérieur du liquide, il y avait un peu de cerveau qui glissait doucement avec le mouvement. Une membre de l’équipe d’approvisionnement en tissus, Tamara Casper, était prête avec un chariot portant un refroidisseur bleu (le même que celui que j’ai dans mon garage) et deux bidons d’essence ci-dessous. Le morceau de cerveau avait teinté la solution claire rose.

C’était un rappel coloré que ce tissu avait été, quelques minutes plus tôt, dans un crâne, où il contribuait à créer un esprit féminin.

Les scientifiques ont d’autres méthodes pour imiter le cerveau humain: petites boules de tissu neural cultivées à partir de cellules souches (SN: 3/3/18, p. 22), et les animaux élevés en laboratoire ont énormément aidé les neuroscientifiques. "Il ya une réelle valeur ici", déclare Ed Lein, neurobiologiste de l’Allen Institute. "Mais ils ne sont pas doués pour cela, étudie les spécificités du produit final dans le cerveau mature."

Cet échantillon, immergé dans le liquide rose, avait passé 41 ans à piloter la vie d’une femme. "Il est difficile de souligner à quel point cela est différent", déclare Lein à propos du projet. D'autres laboratoires ont étudié des tissus vivants prélevés dans le cerveau humain, mais aucun d'entre eux n'a intensifié et systématisé le processus autant que ce groupe de Seattle.

«Pour moi, il est presque hallucinant de pouvoir étudier le cerveau humain en dehors du cerveau humain», déclare Ryder Gwinn, neurochirurgien au Swedish Medical Center de Seattle, qui collabore avec des scientifiques de l’Allen Institute.

Gwinn traite les personnes atteintes d'épilepsie. Les médicaments n’arrêtent pas toujours les crises de ses patients. Dans les cas graves, la chirurgie peut être le meilleur choix du patient. Dans certaines de ces opérations, un chirurgien coupe des tissus cérébraux sains pour atteindre l'endroit le plus profond du cerveau où les premières crises apparaissent. Les chirurgiens pèlent la peau et retirent un morceau de crâne en forme de biscuit, exposant ainsi le lobe temporal du cerveau, une partie de la couche la plus externe appelée cortex. Souvent, une grande partie du lobe temporal sort, dit Gwinn. Une partie de ce tissu neural va aux pathologistes. Le reste est généralement jeté comme un déchet médical – à moins que les scientifiques de l'institut Allen ne puissent mettre la main dessus.

"Le tissu est terriblement rare", dit Koch. Au début, des collègues, y compris de nombreux chercheurs de l'institut Allen, étaient sceptiques quant à la possibilité de trouver suffisamment d'échantillons et de les apporter au laboratoire dans de bonnes conditions. Mais après environ 140 interventions chirurgicales, plus de 30 cette année seulement, il est clair que ces échantillons de cerveau survivent magnifiquement au voyage.

Dès que l'échantillon est sorti de la salle d'opération, Casper a raccordé l'oxygène et le dioxyde de carbone pour maintenir les tissus en vie dans le liquide, un liquide céphalo-rachidien artificiel. Puis elle est partie, poussant le chariot dans l’hôpital d’une main et envoyant un texto à l’équipe de l’Allen Institute de l’autre. Le chariot était chargé dans une fourgonnette blanche modifiée pour contenir en toute sécurité des bidons de gaz combustible. Et avec cela, le peu de cerveau bouillonnant était sur son chemin. La camionnette traversa le trafic lourd et pluvieux de Seattle jusqu'au laboratoire, où Dee était prête, scalpel à la main.

Conversation croisée

Après ce début frustrant avec le morceau de cerveau peu coopératif, Dee a finalement assez de parts pour de multiples expériences. Un repos d'une heure aide les cellules à se remettre du traumatisme provoqué par la séparation du cerveau. Les tranches vont dans un laboratoire situé au deuxième étage, où elles sont placées sous un microscope puissant et électrifiées pour étudier le comportement de ces cellules humaines vivantes. Les chercheurs espèrent que le comportement reproduit le comportement des cellules lorsqu'elles se trouvaient à l'intérieur du crâne de leur ancien propriétaire.

Six scientifiques sont assis à des «plates-formes», chacun un microscope monté à l'intérieur d'une boîte noire à trois côtés. À chaque plate-forme, un chercheur explore le tissu cérébral de la femme à la recherche de cellules saines – jolies et charnues – avec une visibilité suffisante sur le tissu de fond.

Une fois qu'ils en ont trouvé un bon, les chercheurs tentent de s'accrocher à un tube de verre incroyablement mince. Appelée patch-clamp, cette technique oblige une conversation cellulaire effectuée à l'aide de signaux électriques se déplaçant entre les cellules. Pour engager la conversation, il faut injecter un courant électrique dans une cellule, puis mesurer la réponse de la cellule au message artificiel.

La plupart de ces appareils mesurent les réactions d'un neurone à la fois. Dans la partie arrière du laboratoire, la chercheuse Lisa Kim pilote une installation futuriste en métal scintillant, des enchevêtrements de fils bleus et noirs et de huit supports pour aiguilles, qui pointent tous vers une partie différente d’une tranche de cerveau. Pendant que je suis là, cette méga-plate-forme est en train d’écouter sur une sorte de ligne de séparation entre sept neurones vivants. Kim envoie de l'électricité dans chacun d'eux à tour de rôle pour voir comment le signal est transmis à ses voisins neuronaux.

Les zings électriques de ces neurones offrent des indices sur leurs identités et leurs relations; L’une des sept cellules réagit lorsqu'une cellule voisine subit un zap électrique, ce qui indique que ces cellules ont communiqué tout en restant dans la tête de la femme. D’autres indices proviennent d’informations sur les formes complexes et nerveuses des neurones créées par les axones émetteurs du signal et les dendrites récepteurs. Chaque neurone me rappelle une carte incroyablement complexe des affluents des rivières.

Un sentiment encore plus fort de la fonction d’une cellule apparaît à la fin des expériences de patch-clamp. En travaillant à nouveau avec le mince tube de verre, un chercheur peut aspirer le noyau de chaque cellule vivante. Le vol tue la cellule mais obtient un enregistrement des gènes qui étaient actifs lorsque la cellule était en vie. Une fois que Kim a terminé le jeu du téléphone électrique, elle a soigneusement extrait le noyau de chacun des sept neurones.

Toutes les informations recueillies sur ces plates-formes peuvent aider les chercheurs à identifier les neurones susceptibles de jouer un rôle particulier dans la formation de l'esprit humain. Un tel examen, par exemple, a révélé ce que les chercheurs pensent être une cellule rare appelée neurone de von Economo, du nom du neurologue autrichien qui a décrit pour la première fois le type de cellule dans les années 1920.

Le neurone extra-long et extra-mince a été trouvé dans un tissu cérébral vivant donné par une femme de 68 ans qui a subi une intervention chirurgicale pour enlever une tumeur. Le neurone affiché, des scientifiques et des collègues de l'institut Allen, a publié un rapport en ligne le 7 mai sur bioRxiv.org. Le résultat était alléchant, car des problèmes liés aux neurones de von Economo sont soupçonnés d’avoir un rôle à jouer dans les maladies psychiatriques et la maladie d’Alzheimer.

Des études sur des cellules humaines vivantes ont également révélé une différence importante entre les humains et les souris: un certain type de neurone humain est recouvert d'une protéine appelée canal h; chez la souris, ces canaux sont rares. Les canaux H aident les cellules à répondre aux signaux électriques et peuvent être affectés par des médicaments, y compris un médicament contre l'épilepsie.

Cette différence fondamentale, décrite en 2018 dans Neurone, pourrait expliquer. Plus généralement, les propriétés nouvellement découvertes des neurones humains pourraient être les éléments qui permettent certaines des caractéristiques les plus sophistiquées de notre cerveau.

Faire le point sur les neurones humains vivants est «essentiel», et pas seulement pour satisfaire la curiosité humaine, dit Nenad Sestan, neuroscientifique à la Yale School of Medicine. La découverte des bizarreries du cerveau humain «pourrait nous amener à comprendre un jour pourquoi nous souffrons de certains troubles», dit Sestan. Des modèles animaux imprécis ont bloqué les recherches sur la schizophrénie, l’autisme et la maladie d’Alzheimer, dit-il. C’est pourquoi étudier en direct, le tissu humain est si crucial.

Du cerveau au laboratoire

Les scientifiques de l'institut Allen se lancent dans l'action lorsqu'un échantillon de cerveau provenant d'un hôpital voisin arrive et extrait le plus d'informations possible du précieux tissu. Ce que les chercheurs ont appris sur le comportement, la forme et l’activité génétique des cellules est partagé publiquement dans l’atlas Allen Brain. (Le texte en gras indique la durée de chaque étape).

1 à 3 minutes
Chirurgie: Les tissus cérébraux sont prélevés dans un hôpital de Seattle – généralement quelques minutes après l’ouverture du crâne du patient par un chirurgien – et placés dans un pot contenant du liquide céphalo-rachidien artificiel et refroidi, qui bouillonne avec de l’oxygène et du dioxyde de carbone.

15 à 30 minutes
Transport: Une fourgonnette spécialement équipée transporte les tissus de l'hôpital à l'Institut Allen.

30 à 60 minutes
Tranche: L’échantillon est placé sur un plat dans un seau de glace, coupé et découpé en tranches de six à plus de 30 flocons d’une épaisseur de 0,35 millimètres chacun.

Distribuer: De chaque échantillon, une tranche est placée dans le congélateur pour des analyses ultérieures. Chaque cinquième tranche est fixée dans un préservatif. Le reste est maintenu en vie pour d'autres expériences le même jour.

1 heure
Du repos: Les cellules vivantes récupèrent du traumatisme de la chirurgie.

Observez le comportement: Les cellules reposées sont transférées au laboratoire d'électrophysiologie, où des opérateurs de «plates-formes» étudient le comportement des cellules avec 30 minutes d'interrogation électrique.

Carte forme de la cellule: En remplissant certains neurones de colorant, les chercheurs peuvent voir les projections élaborées.

Etudiez les gènes: Des pipettes en verre minces extraient le noyau de certains neurones afin que les chercheurs puissent déterminer quels gènes étaient actifs juste avant la mort des cellules.

Semaines à mois
Manipulation: D'autres tests tentent d'insérer du matériel génétique dans des cellules qui restent en vie plus longtemps que prévu. Les cellules brillent pour une meilleure visibilité.

Un coup à l'ego

Mais les cerveaux humains ne sont pas toujours aussi uniques. Un nouveau résultat pourrait décevoir les gens qui pensent que notre cerveau regorge de neurones spécialisés qui nous permettent de parler et de penser de la même manière que d’autres animaux. Le nombre total de types de cellules dans le cortex humain et dans le cortex de souris est à peu près le même, indique une étude menée par des chercheurs de l'institut Allen, sous presse à l'adresse suivante: La nature. Koch appelle cette conclusion «le plus gros résultat, à mon avis».

«Les gens, y compris les scientifiques, ont ce besoin pressant d'exceptionnalisme humain», déclare Koch. Mais le fait que la population résidente globale du cerveau humain et du cerveau de souris soit remarquablement similaire – basée sur le tissu cérébral provenant de chirurgies ainsi que sur le tissu post mortem – ajoute à la liste des coups portés à l'ego humain.

Premièrement, Darwin a dégradé les êtres humains en un seul animal sur l'arbre de la vie. Ensuite, le projet du génome humain nous a choqués en nous informant que nous avons un nombre de gènes similaire à celui des souris (et inférieur à celui des puces d’eau). Maintenant, ajoutez des types de cellules cérébrales à la liste des choses qui rendent les gens plus semblables aux autres mammifères.

Le papier qui sort dans La nature est «historique», déclare le coauteur Rafael Yuste, neuroscientifique à la Columbia University. Pour ce qui est de comprendre comment les humains se comparent aux autres animaux, "ce sera un avant-ceci et après-cela."

Suzana Herculano-Houzel, neurobiologiste à l’Université Vanderbilt de Nashville, n’a pas été surprise de ces similitudes. «Nous ne sommes pas spéciaux», dit-elle. Il est tout à fait logique de constater que les cerveaux de types humains et de souris sont similaires, tout comme l’idée que certains types de cellules et certains gènes seront spécifiques à une espèce. La question est, dit-elle: "Lesquelles de ces différences sont réellement significatives?"

La raison pour laquelle nous sommes si intelligents n’est donc pas que notre cerveau regorge de neurones spécialisés, spécifiques à l’homme. La réponse doit être trouvée ailleurs. C’est peut-être vraiment dans un petit nombre de neurones rares tels que les neurones de von Economo, ou dans des neurones qui n’ont pas encore été découverts. D’autres scientifiques pensent encore que notre cerveau pourrait provenir, en partie, de cellules du cerveau qui ne sont pas des neurones, telles que les cellules gliales qui effectuent une gamme d’activités cérébrales de base qu’ont les scientifiques (SN: 22/08/15, p. 18).

Ou peut-être, comme le soupçonne Yuste, que la réponse est la taille de notre cerveau comparée à celle de nos corps relativement petits. Ou peut-être nos «intelligences» sont-elles le résultat de notre longue durée de vie et du fait que nous sommes immergés dans des cultures riches en langue, littérature et coutumes, comme le souligne Herculano-Houzel.

Mind correctif

Alors que Dee faisait ses tranches, le neurobiologiste Jonathan Ting attendait avec impatience son morceau de cerveau. Ting mène des expériences qui transmettent des gènes à des cellules vivantes – et il a gardé ses cellules en vie très longtemps.

Dans son laboratoire du quatrième étage, Ting n'est pas satisfait de l'article qu'il a reçu, l'appelant «une sorte de désordre sanglant». Mais il le découpe un peu plus et renvoie les tranches résultantes à la solution bouillonnante. Puis il sort ce qui ressemble à une plaque de cuisson dans un incubateur voisin, fait une blague de Martha Stewart et me montre des échantillons de cerveau vivants datant de plusieurs semaines. Certains ont survécu pendant plusieurs mois, une résistance qui a choqué les chercheurs au début de ces expériences.

Ce type de durabilité est très utile pour aider Ting à savoir comment infecter au mieux les cellules avec des virus. Son objectif est d'utiliser les virus pour transmettre des gènes qui font briller certains groupes de cellules humaines vivantes. La lueur facilite l'étude des cellules et, finalement, la façon de changer leur comportement. À la grande joie de Ting, il découvrit que le virus et son chargement luminescent pouvaient être transmis simplement en laissant tomber un liquide chargé de virus sur les tranches de cerveau.

Lorsque Ting et moi-même examinons les cellules rouges et vertes rougeoyantes sur l’écran de son microscope, il décrit le potentiel de ce travail contre les virus. Les chercheurs seront non seulement en mesure de trouver des cellules rares dans le cerveau humain, mais ils pourraient également être en mesure de contrôler ces cellules. Imaginez, par exemple, si une cellule de von Economo pouvait être activée et désactivée à l'aide de méthodes déjà en cours de développement sur des modèles animaux.

Si les cellules sont réellement impliquées dans un désordre, par exemple, la schizophrénie, ce type de contrôle précis pourrait conduire à un traitement ciblé qui permette d’activer ou de ralentir l’activité des cellules selon les besoins. Cela pourrait aussi révéler en fin de compte comment l’information circule dans ces cellules, de manière à éclairer l’esprit.

Tout ce bricolage a déjà abouti à de grandes découvertes. Mais il y a beaucoup plus de terres à explorer, dit Koch. "Le cerveau est de loin, et de loin, la pièce de matière active la plus complexe et la mieux organisée du monde."

A propos de cette histoire

D'où venait l'idée?

J'ai entendu parler de ce projet il y a environ cinq ans lors de la réunion de la Society for Neuroscience. Il n’était pas clair si l’effort porterait ses fruits. Mais avec plus de 100 interventions chirurgicales et une poignée d'articles de recherche publiés, il semblait que l'histoire était mûre.

Comment rapportons-nous cette histoire?

J'avais espéré parler aux patients et regarder les chirurgies. Mais cela impliquait d'obtenir la permission des médecins, des administrateurs d'hôpitaux et, plus important encore, du patient. Après plusieurs tentatives infructueuses, j'ai décidé de raconter l'histoire en se concentrant sur l'échantillon de cerveau.

Je vis à environ quatre heures au sud de Seattle. Lorsque j'ai reçu l'appel, que l'opération se produisait le lendemain matin, j'ai sauté dans la voiture et suis arrivé tard ce soir-là. J'étais au Harborview Medical Center juste après 9 heures du matin pour suivre un échantillon de tissu cérébral vivant d'une salle d'opération à des laboratoires de la ville de l'Institut Allen pour la science du cerveau.

Je m'attendais à voir la vitesse frénétique alors que les scientifiques couraient pour étudier des tissus encore vivants. Mais j'ai été frappé par le calme qui régnait dans le processus. Il était clair que ces chercheurs savaient exactement ce qu'ils devaient faire.

– Laura Sanders

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Cet article a été publié dans le numéro du 17 août 2019 de Actualités scientifiques avec le titre, "Une ménagerie de neurones: des études sur des cellules cérébrales vivantes visent à déterminer ce qui distingue les humains."



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