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Les minuscules cristaux de carbonate de calcium dans vos conduits auditifs ont un rôle important à jouer: ils se déplacent au fur et à mesure que votre corps change de position, laissant le cerveau connaître la position de votre corps et son accélération linéaire dans l’espace. Clé de la survie, ces cristaux (appelés otolithes ou «pierres d’oreille») font partie du système vestibulaire du corps, ce qui a échappé à la compréhension en grande partie parce que le mouvement nécessaire pour le stimuler constituait une barrière. «C’est difficile d’étudier une activité dans un cerveau en mouvement», déclare Ethan Scott, professeur badocié à la School of Biomedical Sciences de l’Université australienne du Queensland.
Mais dans une innovation majeure pour surmonter cette barrière, Scott et ses collègues ont ciblé les minuscules cristaux avec piégeage optique.1,2 Observer les effets avec microscopie à fluorescenceIls ont non seulement clarifié la façon dont le cerveau détecte la gravité et le mouvement, mais ils ont également remporté le prix 2018 du Musée australien Eureka pour l’excellence dans la recherche scientifique interdisciplinaire (voir la figure).
Ils ont utilisé la lumière laser infrarouge (IR) pour déplacer les otolithes dans le poisson-zèbre immobile, générant ainsi une sensation de mouvement dans le cerveau et suscitant les comportements observés à l'aide de leur système d'imagerie personnalisé. «En incitant un animal à penser qu'il bouge alors que le cerveau reste immobile, nous pouvons maintenant utiliser la microscopie avancée pour étudier pour la première fois les cellules et les circuits cérébraux responsables du traitement du mouvement», explique Scott.
Lors du piégeage optique des cicatrices dans le saccule (sac) et l’uticule (ut), deux organes de l’oreille interne impliqués dans la détection de la gravité et du mouvement, dans une larve de poisson zèbre, les chercheurs ont effectué une microscopie d’illumination planaire sélective volumétrique (SPIM) de une zone de 300 µm de profondeur dans le cerveau. À l'aide de miroirs galvo 2D et d'un contrôle de coordination de lentille réglable électriquement, la technique d'imagerie numérise deux feuilles de lumière de 488 nm à travers le z-axis, l'un de l'avant du poisson zèbre et l'autre du côté (a); Les professeurs Ithan A Favre-Bulle, professeur badocié, et Halina Rubinsztein-Dunlop, professeure badociée, font partie de l'équipe de physique optique en neurosciences de l'Université du Queensland, qui a remporté le prix 2018 du Musée australien Eureka pour son excellence en interdisciplinaire. Recherche scientifique.
La mise en place
L’approche de l’équipe en matière de microscopie a été rendue possible par les progrès de l’ingénierie des protéines et de l’imagerie par fluorescence, à savoir des indicateurs de calcium génétiquement codés (GECI) et la microscopie sélective à illumination planaire (SPIM). Leur système fournissait deux feuilles de lumière de balayage et un cbad d'émission de fluorescence, ainsi qu'une caméra pour imager les réponses de l'animal. Pour réaliser le piégeage optique, une paire de faisceaux de 1064 nm, dirigés individuellement à l'aide de miroirs montés sur cardan, appliquent des forces médiales et latérales à deux otolithes de 55 µm chez chaque poisson vivant. Les chercheurs ont utilisé des miroirs galvanométriques pour générer des feuilles de lumière de balayage et ont détecté les émissions de fluorescence en utilisant le même objectif que celui utilisé pour délivrer les faisceaux de piégeage.
En ajustant le plan focal de l’imagerie au moyen d’une lentille réglable électriquement qui, lorsqu’elle est synchronisée avec les miroirs galvo, leur permet de réaliser une imagerie volumétrique sans déplacer ni le poisson zèbre ni l’objectif d’imagerie. Une stabilité supérieure leur a permis d'appliquer de manière cohérente les forces de piégeage, qui nécessitent une précision submicrométrique. Sachant que des signes de perception du mouvement apparaissaient dans la queue et les yeux du poisson, les chercheurs ont imagé la queue en utilisant un objectif de faible puissance situé sous les spécimens et les yeux à l'aide d'une caméra d'imagerie à fluorescence. Les résultats concordaient avec les travaux antérieurs qui montraient que le piégeage optique dans cette configuration entraînait des mouvements compensatoires et proportionnels à la fois dans la queue et les yeux.
Une carte du cerveau entier à résolution cellulaire
Les chercheurs ont ensuite procédé à une imagerie calcique à l’échelle du cerveau pendant le piégeage optique, afin d’identifier les régions du cerveau participant à la perception et au traitement vestibulaires. Leurs résultats décrivent les réponses de neurones individuels à différentes forces de stimulus et identifient deux clbades de neurones fonctionnels qui se sont avérés excitables et stimulés par les stimuli vestibulaires. Ils ont pu identifier 10 régions cérébrales distinctes qui ont généré des réponses vestibulaires cohérentes. Pour chacun d'eux, ils ont généré un profil fonctionnel indiquant les localisations anatomiques enregistrées et leurs types de réponse, ainsi que la latéralité des neurones vestibulaires qu'ils contiennent. Ils ont également rapporté les réponses cellulaires induites par les stimuli induits orientés dans différentes directions.
Le travail de l’équipe est apparemment le premier à réaliser l’imagerie du calcium sur le traitement vestibulaire et le premier à cartographier ce traitement à l’échelle du cerveau et à la résolution cellulaire. Cependant, la recherche montre clairement qu'il y a encore beaucoup à apprendre et ouvre ainsi la porte à des investigations plus poussées. «Parmi toutes ces observations, écrivent-elles, l'ampleur et la richesse des réponses suggèrent un système plus étendu de traitement vestibulaire du cerveau du poisson zèbre larvaire plus étendu que ce qui avait été estimé auparavant.» –Barbara Gefvert
RÉFÉRENCES
1. I. A. Favre-Bulle, G. Vanwalleghem, M.A. Taylor, H. Rubinsztein-Dunlop et E. K. Scott., Biorxiv. (2018); https://doi.org/10.1101/302752.
2. A. A. Favre-Bulle, A. B. Stingoe, H. Rubinsztein-Dunlop et E. K. Scott., Nat. Commun.8, 630 (2017).
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