De nouvelles technologies permettent de cartographier l’activité neuronale humaine à l’échelle de réseaux entiers

Une équipe dirigée par des scientifiques de Northwestern University et de Shirley Ryan AbilityLab a mis au point une nouvelle technologie capable d’écouter les dialogues électriques cachés qui se déroulent au sein de tissus miniatures, cultivés en laboratoire, ressemblant à un cerveau humain. La structure électronique souple et tridimensionnelle enveloppe un organoïde comme un maillage respirant de haute technologie, offrant une couverture quasi complète, épouseant la forme, grâce à des centaines d’électrodes miniaturisées. L’étude a été publiée le 18 février dans la revue Nature Biomedical Engineering.

Les scientifiques qui étudient des organoïdes neuraux humains ne pouvaient enregistrer et stimuler l’activité que dans des régions limitées, car l’électronique plate conventionnelle s’adapte mal à la structure tridimensionnelle et sphérique des tissus. Plutôt que d’échantillonner quelques régions, la nouvelle technologie fournit une interface dense et tridimensionnelle, permettant aux scientifiques de cartographier et de moduler l’activité neuronale sur presque tout l’organoïde.

« Les organoïdes dérivés de cellules souches humaines sont devenus un axe majeur de la recherche biomédicale, car ils permettent des études spécifiques aux patients sur la façon dont les tissus répondent aux médicaments et aux thérapies émergentes », a déclaré un pionnier de la bioélectronique qui a dirigé le développement du dispositif. « Des laboratoires universitaires et industriels ont développé ces constructions tissulaires au fil des années, et les National Institutes of Health (NIH) ont lancé des mécanismes de financement pour accélérer les travaux dans cette direction. Un élément essentiel manquait : une technologie matérielle capable d’interroger, de stimuler et de manipuler ces minuscules analogues d’organes du corps humain. »

« Les organoïdes neuraux humains sont des tissus vivants 3D contenant des circuits neuronaux actifs qui communiquent par des signaux électriques. Pourtant, les instruments de pointe que nous utilisons pour les étudier ont été conçus à l’origine pour des couches plates de cellules et s’interfacent mal avec des organoïdes sphériques et tridimensionnels », a déclaré un chercheur qui a dirigé le développement des organoïdes. « En créant une électronique souple, adaptée à la forme, qui épouse la géométrie de l’organoïde, nous pouvons désormais enregistrer et stimuler simultanément des centaines de sites à sa surface. Cela nous permet d’étudier l’activité neuronale au niveau de réseaux entiers plutôt que de signaux isolés. »

Dans une approche complémentaire publiée dans Neurobiology of Disease, des chercheurs du Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute, avec des collaborateurs de University of California San Diego et de BioMarin Pharmaceutical, ont développé un modèle cellulaire humain simplifié et extensible pour étudier la manière dont des rythmes coordonnés émergent et comment ils réagissent lorsque les neurones sont perturbés par des composés chimiques.

L’approche de l’équipe a consisté à cultiver des réseaux bidimensionnels de neurones humains dérivés de cellules souches pluripotentes induites (induced pluripotent stem cells, iPSCs). Les scientifiques ont enregistré l’activité des neurones au fil du temps à l’aide de réseaux multiélectrodes (multi-electrode arrays), des plaques dotées de minuscules capteurs capables de surveiller en parallèle de nombreux réseaux indépendants. Comme les iPSCs peuvent être générées en laboratoire à partir de cellules de donneurs facilement accessibles, par exemple issues d’échantillons de peau ou de sang, elles permettent de produire un grand nombre de neurones humains provenant à la fois d’individus sains et de patients.

À mesure que ces réseaux 2D mûrissaient, les chercheurs ont observé l’émergence d’« oscillations imbriquées », des ondes lentes au sein desquelles se superposent des structures rythmiques plus rapides. Ces oscillations ont été observées dans des plages de fréquences couramment retrouvées dans les enregistrements cérébraux (delta, thêta et alpha).

« Les résultats de ces expériences et d’autres montrent que ce modèle simplifié de réseau neuronal 2D capture des caractéristiques clés de la maturation des réseaux et nous offre l’échelle et le contrôle nécessaires à des tests systématiques », a déclaré l’auteur principal et co-auteur correspondant de l’étude, professeur associé au Center for Therapeutics Discovery de Sanford Burnham Prebys et directeur de la biologie cellulaire au Conrad Prebys Center for Chemical Genomics.

Ces nouveaux travaux positionnent les réseaux 2D comme complémentaires des organoïdes cérébraux tridimensionnels. Les organoïdes, également produits à partir d’iPSCs, peuvent reproduire certains aspects de l’architecture tissulaire, de la diversité cellulaire et de l’activité des réseaux, difficiles à recréer dans des formats 2D. Dans le même temps, la complexité des organoïdes peut rendre certaines expériences plus difficiles à mener à grande échelle, notamment celles qui nécessitent un grand nombre de réplicats ou des tests approfondis de dose–réponse dans de nombreuses conditions.

« Les organoïdes sont inestimables pour modéliser certains aspects de l’organisation du cerveau », a déclaré l’auteur principal. « Ce que nous apportons ici, c’est une plateforme 2D complémentaire qui met l’accent sur le contrôle expérimental et le débit, des capacités particulièrement utiles pour l’étalonnage et les tests systématiques dans la modélisation des maladies et l’évaluation thérapeutique aux premiers stades. »

Un axe majeur de l’étude portait sur la signalisation inhibitrice médiée par le GABA, un neurotransmetteur produit par les neurones GABAergiques qui contribue à stabiliser et à apaiser l’activité des réseaux. Par exemple, ce système inhibiteur favorise le sommeil et prévient les crises.

L’équipe a constaté que les rythmes imbriqués diminuaient lorsque la signalisation GABA était bloquée par un médicament antagoniste du récepteur GABA-A, et qu’une augmentation de la proportion de neurones GABAergiques dans le réseau faisait apparaître ces rythmes plus tôt. Ces résultats concordent avec des données antérieures dans le domaine et soutiennent des études de suivi sur la manière dont l’inhibition médiée par le GABA façonne l’émergence et la maturation des oscillations dans des modèles à base d’iPSCs de maladies neurodéveloppementales et psychiatriques.

Les chercheurs ont également testé des médicaments qui affectent les potassium channels. Ces protéines aident à déterminer la capacité d’un neurone à générer et à transmettre des signaux électriques, ce que l’on appelle l’excitabilité neuronale. Leurs résultats suggèrent que différentes perturbations des canaux potassiques peuvent influencer l’organisation rythmique de façons distinctes, soulignant que l’excitabilité n’est pas un simple curseur que l’on peut facilement augmenter ou diminuer, et que des mécanismes spécifiques peuvent présenter des signatures spécifiques au niveau des réseaux.

En capturant l’activité de type cérébral et les réponses aux médicaments à l’échelle de réseaux entiers dans des modèles de tissus humains vivants, cette technologie pourrait accélérer la recherche sur les maladies, les tests thérapeutiques et le développement de traitements neuro-régénératifs de nouvelle génération. À mesure que les organoïdes deviennent une priorité croissante des initiatives des NIH et du développement de médicaments dans l’industrie, ces avancées en matière de technologies d’enregistrement et de stimulation fournissent des outils essentiels pour mettre au point des thérapies efficaces contre les troubles cérébraux.