Le microscope à deux photons permet aux chercheurs de surveiller l’activité cérébrale en temps réel

La surveillance de l’activité cérébrale est un élément central des neurosciences depuis l’apparition de cette capacité. Le cerveau humain est moins compris que l’univers et les océans. Ainsi, un effort massif est déployé pour percer les mystères qui résident dans votre esprit. Aujourd’hui, les chercheurs peuvent explorer plus profondément l’activité mentale en temps réel grâce à une méthode révolutionnaire de microscope à fluorescence à deux photons. Voici ce que vous devez savoir.

Comprendre l’activité cérébrale est crucial pour de nombreuses industries, y compris le traitement des maladies neurologiques comme la maladie d’Alzheimer. Les scientifiques ont consacré d’importants efforts à démêler la façon dont les neurones communiquent et interagissent pendant la pensée. L’objectif de cette recherche est de comprendre pleinement les interactions neuronales complexes jusqu’à la résolution cellulaire.

Les chercheurs espèrent utiliser ces données pour éclairer les fonctions cérébrales fondamentales, ce qui pourrait un jour conduire à une amélioration de l’apprentissage, de la mémoire, de la prise de décision et des soins de santé. Pour accomplir cette tâche, ils ont créé un outil d’imagerie à deux photons avancé capable de suivre les processus neuronaux dynamiques en temps réel, offrant une compréhension plus approfondie du cerveau pendant l’apprentissage, les activités et les états pathologiques.

Méthodes actuelles d’enregistrement de l’activité cérébrale

Il existe plusieurs méthodes d’enregistrement de l’activité cérébrale utilisées aujourd’hui. Ces approches ont permis à l’industrie de se développer jusqu’à présent. Cependant, elles présentent des inconvénients importants, notamment le temps nécessaire pour surveiller l’activité, le risque de nuire au patient et le coût prohibitif. Les deux méthodes les plus courantes aujourd’hui sont l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et l’électroencéphalographie (EEG).

Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)

L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle est l’une des méthodes les plus avancées pour surveiller les ondes cérébrales aujourd’hui. Cette procédure non invasive combine champs magnétiques et ondes radio pour créer une image 3D des impulsions électromagnétiques de votre cerveau. Cette stratégie a représenté une amélioration majeure par rapport aux options précédentes, car elle a permis aux chercheurs de zoomer sur un ensemble particulier de neurones, améliorant ainsi considérablement leur compréhension globale de l’activité cérébrale.

Électroencéphalographie (EEG)

Une autre méthode que vous avez peut-être vue dans les films est l’électroencéphalographie. Cette approche mesure l’activité électrique de votre cerveau. Les patients doivent placer des capteurs spéciaux sur leur cuir chevelu, sensibles aux courants électriques. Cette méthode de suivi des ondes cérébrales est utilisée depuis 1975, lorsque Richard Caton l’a employée avec succès pour suivre les impulsions électriques présentes dans les cerveaux de lapins et de singes.

Depuis, cette méthode d’enregistrement de l’activité cérébrale s’est considérablement améliorée. Dans les années 1950, la première version moderne de l’EEG a été introduite. Elle a servi fidèlement comme méthode principale de suivi des ondes cérébrales jusqu’aux années 1980. En 1988, elle a été utilisée pour permettre à une personne de contrôler un robot et est encore employée par de nombreux chercheurs.

Étude

L’étude “Microscopie à deux photons à haute vitesse avec excitation linéaire adaptative” a été publiée dans Optica, révélant comment la microscopie à deux photons peut fournir des images à haute vitesse inégalées de l’activité neuronale. Ces photos ont été réalisées à une résolution cellulaire à l’aide d’un microscope à fluorescence à deux photons spécialement conçu.

Microscope à fluorescence à deux photons

Le microscope à fluorescence à deux photons est capable de fournir des images éclatantes en profondeur du tissu cérébral. Pour accomplir cette tâche, le dispositif introduit une structure d’échantillonnage adaptatif. Cette structure est répétée tout au long de l’expérience pour créer des images 3D dynamiques et des cartes de l’activité cérébrale.

Stratégie d’échantillonnage adaptatif

Au cœur de l’étude se trouve l’introduction de la stratégie d’échantillonnage adaptatif. Cette méthode remplace les techniques d’illumination ponctuelle traditionnelles. À la place, une stratégie d’illumination linéaire plus efficace est utilisée conjointement avec une méthode de balayage ponctuel mise à jour, offrant beaucoup plus de détails et de capacités de surveillance par rapport aux méthodes antérieures.

Balayage ponctuel

Le balayage ponctuel dans les anciennes méthodes laissait à désirer. D’une part, il était extrêmement spécifique, ce qui entraînait souvent l’impossibilité de suivre une séquence complète de neurones à travers le cerveau. La nouvelle méthode de balayage ponctuel utilise une stratégie d’illumination linéaire modifiée pour imiter les méthodes de balayage ponctuel à haute résolution. Cette stratégie est cruciale pour identifier les zones du cerveau qui doivent passer à l’étape suivante du processus, le balayage linéaire.

Illumination linéaire

L’illumination linéaire est une percée pour les ingénieurs en neurologie. La méthode projette une petite ligne de lumière sur une zone échantillonnée. Cette approche excite la fluorescence, ce qui facilite le suivi des signaux neurologiques à travers le cerveau du début à la fin. De plus, cette approche permet d’exciter, de scanner et de cartographier en temps réel une zone beaucoup plus vaste du cerveau.

Tests du microscope à deux photons

La phase de test du microscope à fluorescence à deux photons a impliqué deux souris de laboratoire, dans lesquelles les chercheurs ont pu suivre l’activité neuronale du cortex d’une souris en temps réel. Notamment, l’appareil peut actuellement capturer des signaux d’image jusqu’à 198 Hz. Dans ce test, les ingénieurs ont suivi les signaux calciques, indicateurs d’une activité neuronale récente.

Dispositif à micro-miroirs numériques (DMD)

Pour accomplir cette tâche, un motif de faisceau laser spécialement configuré est créé à l’aide d’un dispositif à micro-miroirs numériques (DMD). Cette unité contient des milliers de miroirs microscopiques. Chacun de ces miroirs possède des contrôles individuels qui permettent de façonner et de diriger la lumière vers des parties précises du cerveau. De plus, les miroirs peuvent être programmés pour s’activer ou se désactiver en fonction de l’activité neuronale, offrant ainsi une meilleure imagerie dans tous les états du cerveau.

source – Molly M Bechtel, University of California, Davis

Résultats des tests du microscope à fluorescence à deux photons

Les résultats des tests ont fourni des données inattendues susceptibles d’améliorer les méthodes actuelles et de bouleverser l’industrie. D’une part, l’étude a révélé comment le microscope à fluorescence à deux photons offre une compréhension inégalée du fonctionnement interne du cerveau. La capacité de créer des images à haute vitesse grâce à l’excitation à ligne courte et au schéma d’échantillonnage adaptatif ouvre la porte à de nombreuses utilisations futures potentielles.

Les chercheurs ont constaté que la nouvelle méthode leur permettait de surveiller des neurones individuels à un niveau jamais atteint auparavant. Ces nouvelles données serviront à créer des algorithmes computationnels avancés qui, un jour, aideront les neurologues à isoler et mieux comprendre l’utilisation des neurones individuels.

Avantages

Cette étude apporte une longue liste d’avantages sur le marché. D’une part, ce type d’imagerie cérébrale permet aux chercheurs de comprendre l’architecture fonctionnelle du cerveau de manière auparavant inimaginable. Ils peuvent désormais voir comment certaines cellules cérébrales interagissent et communiquent pendant des processus spécifiques.

Traitement des maladies neurologiques

Cette compréhension pourrait s’avérer primordiale pour lutter contre la montée des maladies neurologiques telles que la maladie d’Alzheimer et la maladie de Parkinson. Ces deux affections coûtent la vie à des centaines de milliers de personnes chaque année. Aux États‑Unis, environ 120 000 personnes meurent chaque année de la maladie d’Alzheimer seule. Malheureusement, ce chiffre devrait atteindre 13,8 million à l’échelle mondiale d’ici 2060.

Comprendre le fonctionnement du cerveau dans ces états comparé à un état sain peut permettre aux ingénieurs de combler cet écart et de restaurer le cerveau à son fonctionnement d’origine. Pour l’instant, ces données ont une valeur immense pour débloquer les nombreux secrets nécessaires à la réalisation de ce type de traitement.

Apprentissage

Une autre raison majeure pour laquelle la surveillance de l’activité cérébrale est cruciale pour l’avenir d’une nation est qu’elle pourrait être utilisée pour améliorer l’apprentissage. Comprendre ce qui rend une mémoire durable ou comment se rappeler des éléments plus rapidement ne sont que quelques domaines d’intérêt que ce type de surveillance cérébrale pourrait améliorer. À l’avenir, les programmes scolaires pourraient être basés sur la rétention neuronale plutôt que sur les nombreuses normes actuelles.

Images plus rapides

L’utilisation des anciennes méthodes pour mesurer l’activité neurologique était efficace mais chronophage. Elles ne fournissaient pas d’images suffisamment rapides pour donner aux chercheurs les détails nécessaires à une compréhension complexe des actions mentales. Cette nouvelle méthode est 10 fois plus rapide que la microscopie à deux photons traditionnelle, permettant aux chercheurs de surveiller et de suivre les phénomènes mentaux que les systèmes plus anciens ne pouvaient pas enregistrer.

Moins de dommages

Des performances plus rapides signifient moins d’exposition pour les patients. De plus, le système nécessite des lasers moins puissants. En réduisant la puissance du laser et en raccourcissant l’exposition, les patients subissent beaucoup moins de rayonnement énergétique sur leurs tissus cérébraux. Le nouveau système n’illumine que les neurones concernés, réduisant ainsi le risque de dommages aux tissus sensibles.

Moins de coûts

La réduction des coûts est un autre avantage de la nouvelle approche. Selon l’étude, le microscope à fluorescence à deux photons nécessite 10 fois moins de puissance laser comparé aux méthodes traditionnelles à deux photons. Cette réduction de puissance se traduit par une plus grande durabilité et un impact environnemental moindre.

Extensible

L’un des plus grands avantages de la nouvelle technique est qu’elle peut être combinée de manière fluide avec d’autres méthodes efficaces. Les chercheurs ont déjà annoncé des plans pour coupler l’appareil avec d’autres procédures telles que le multiplexage de faisceaux et la focalisation à distance. Ces techniques augmentent la vitesse d’imagerie et permettent la création d’images volumétriques 3D en temps réel.

Chercheurs

Cette étude a été menée à l’Université de Californie, Davis, avec Yunyang Li comme auteur principal. L’équipe de recherche comprenait Ben Mattison, Junjie Hu, Kwun Nok Mimi Man, Shu Guo et Weijian Yang. Le financement du projet provient de diverses sources, notamment le Burroughs Wellcome Fund, la National Science Foundation, le National Institute of Neurological Disorders and Stroke et le National Eye Institute.

Deux entreprises qui peuvent prospérer grâce à cette recherche

De nombreux fabricants pourraient intégrer cette technologie à leurs offres afin de fournir un niveau de service supérieur au marché. Des entreprises cherchant à atténuer la démence aux sociétés de robotique, les raisons d’exploiter l’activité cérébrale et sa compréhension sont innombrables. Voici deux entreprises qui sont prêtes à adopter cette technologie dans les mois à venir.

1. BrainChip Holdings Ltd

BrainChip Holdings Ltd (BRN.AX ) est un simulateur de réseau cérébral populaire. L’entreprise est entrée sur le marché en 2004 et est basée en Australie. Son fondateur, Peter Van Der Made, a joué un rôle essentiel en maintenant les efforts pionniers de la société axés sur l’intégration de l’intelligence artificielle (IA) avancée et de l’apprentissage automatique (ML) pour améliorer leurs résultats.

Aujourd’hui, l’entreprise propose une variété de produits, y compris une infrastructure IoT modélisée d’après le réseau neuronal du cerveau. Un autre produit populaire qui a aidé BrainChip à gagner en notoriété est l’Environnement de développement Akita, qui permet aux développeurs de créer, d’entraîner et de tester des réseaux neuronaux expérimentaux.

BrainChip Holdings a connu quelques inconvénients depuis 2023. Cependant, les derniers logiciels de l’entreprise et ses incursions dans les secteurs de l’IA et du ML ont ravivé l’intérêt des investisseurs. Ainsi, BrainChip Holdings Ltd est perçue comme ayant un fort potentiel de hausse.

2. Biogen

Biogen est une société de recherche pharmaceutique qui a récemment fait sensation sur le marché. Le fabricant basé dans le Massachusetts se spécialise dans le traitement et les soins des maladies neurologiques. Actuellement, il propose des produits qui aident à traiter les maladies neurologiques, neurodégénératives et auto-immunes.

Biogen a reçu certaines critiques pour avoir accéléré le lancement de certains de ses traitements, mais cela n’a pas ralenti la montée en puissance de l’entreprise sur le marché. Leur dernière sortie, Leqembi, a été approuvée par la FDA en procédure accélérée et est conçue pour traiter la maladie d’Alzheimer. L’utilisation de ce dernier médicament a presque triplé au cours de l’année écoulée, ce qui a permis à l’entreprise de consolider une position plus forte sur le marché. Ainsi, l’exposition précoce de Biogen au marché des traitements de l’Alzheimer et la combinaison de ses offres en font un achat potentiel intéressant pour les investisseurs.

Le microscope à deux photons offre un aperçu du futur

Le microscope à fluorescence à deux photons rapproche l’humanité d’un pas supplémentaire vers la capacité d’interagir avec son environnement uniquement par la pensée. Cette équipe de recherche innovante a repoussé les limites de la recherche neurologique et a fait émerger une compréhension jamais vue auparavant de l’activité cérébrale humaine. Cette recherche engendrera certainement d’autres études qui pourraient un jour conduire à une réduction des maladies neurologiques et à de nombreuses autres avancées.

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