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

Nick Dee, un neurologue chargé de découper rapidement un morceau en morceaux, s’entretient avec ses collègues. « On peut couper la laideur de l’extérieur », dit-il. La laideur est le tissu conjonctif du cerveau, appelé substance blanche.

Pour obtenir des pièces utiles pour l’expérimentation, le tissu cérébral doit être découpé, collé à une base de la taille d’un rouge à lèvres, puis inséré dans une version de laboratoire d’une trancheuse. Mais cette pièce difficile n’est pas une bonne coupe. Dee et ses collègues l’ont pris de la base, l’ont découpé et l’ont collé ensemble.

Il y a une demi-heure, ce morceau de tissu nerveux se trouvait à l’intérieur du côté gauche de la tête d’une femme de 41 ans, juste au-dessus de son oreille. Les chirurgiens ont retiré le tissu pour atteindre une partie plus profonde du cerveau, ce qui provoquerait de graves convulsions. Les règles de confidentialité ne me permettent pas 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 dans ce morceau de tissu que la patiente a généreusement donné, il y a des indices sur la façon dont son cerveau – tous nos cerveaux – créent réellement l’esprit.

L’équipe de Dee travaille vite parce que ce morceau de cerveau est vivant. Certaines cellules peuvent encore agir comme si elles faisaient partie du cerveau humain, ce qui signifie qu’elles ont un grand potentiel pour les scientifiques qui veulent comprendre comment nous nous souvenons, planifions, nous comportons et ressentons. Une fois que Dee et son équipe auront fait leur travail, des morceaux du cerveau d’une femme seront remis à des scientifiques passionnés, où les cellules seront photographiées, percées d’électricité, libérées du matériel génétique et même infectées par des virus qui les font briller de vert et de rouge.

Tout cela fait partie d’un projet de l’Institut Allen pour la recherche sur le cerveau, basé à Seattle, qui est principalement financé par des fonds privés et des subventions du gouvernement américain. Pour la sixième année consécutive, le projet a inclus un réseau de scientifiques, de neurochirurgiens et de patients disposés à faire don de tissus cérébraux prélevés pendant la chirurgie. Le but ultime est de répondre à l’une des questions les plus importantes en neurosciences : qu’est-ce qui fait de nous des humains ?

La réponse ne sera pas facile. Mais il existe déjà des indices sur ce qui rend le cerveau humain si puissant. Des expériences avec des tissus vivants ont révélé des particularités cellulaires qui peuvent être spécifiques aux primates et ont permis de découvrir de nouveaux détails sur le type mystérieux de cellule nerveuse ou de neurone. D’autres découvertes alléchantes montrent que les humains et les souris ont un nombre très similaire de types de neurones. Ce décompte détaillé des cellules est une étape initiale nécessaire pour comprendre les pensées, le comportement et les capacités humaines.

« Nous avons besoin d’une description complète de tous les types de neurones », a déclaré Christophe Koch, scientifique en chef et président de l’Allen Institute for Brain Science. Les progrès constants réalisés au cours des six dernières années montrent que les réponses sont viables. Une fois qu’un enchevêtrement de neurones qui habitent notre cerveau sera trié, les scientifiques pourront examiner les grands mystères, tels que la façon dont ces cellules créent nos souvenirs, nos émotions et même notre propre conscience.

Heure de pointe

Le matin du 14 mai, j’ai attendu à l’extérieur de la salle d’opération au sous-sol du centre médical Harborview de l’Université de Washington. À l’intérieur, le neurochirurgien a pénétré profondément dans le cerveau de la femme. A 10h15, les portes battantes ont été ouvertes et le médecin a ouvert une bouteille en plastique transparent avec un bouchon orange.

Le siège au fond du fluide interne était un morceau de cerveau, doucement incliné avec le mouvement. Tamara Kasper, membre de l’équipe d’approvisionnement en tissus, était prête avec un chariot avec un réfrigérateur bleu (du même type que celui de mon garage) en haut et deux bouteilles de gaz en bas. Un morceau de cerveau a coloré la solution en rose transparent.

C’était un rappel coloré que le tissu avait été dans le crâne il y a quelques minutes, où il aidait à créer un esprit féminin.

Les scientifiques utilisent d’autres méthodes pour simuler le cerveau humain : les organoïdes cérébraux, les petites boules de tissu nerveux cultivées à partir de cellules souches (SN : 3/3/18, p. 22) et les animaux cultivés en laboratoire ont été extrêmement utiles aux neurologues. « Il y a une vraie valeur », déclare le neuroscientifique de l’Institut Allen Ed Lane. « Mais ce qu’ils ne sont pas adéquats, c’est d’étudier les détails du produit final dans un cerveau mature. »

« L’échantillon, plongé dans un liquide rose, a passé 41 ans à vivre la vie d’une femme. Il est difficile de souligner à quel point c’est différent », a déclaré Lane à propos du projet. D’autres laboratoires ont étudié des tissus vivants prélevés sur le cerveau humain, « mais aucun n’a développé ou systématisé le processus autant que ce groupe à Seattle.

« C’est presque ahurissant pour moi que nous puissions étudier le cerveau humain en dehors du cerveau humain », déclare Ryder Gwinn, neurochirurgien au Swedish Medical Center de Seattle qui travaille avec des scientifiques de l’Institut Allen.

Gwinn traite les personnes épileptiques. Les médicaments n’arrêtent pas toujours les crises chez vos patients. Dans les cas graves, la chirurgie peut être la meilleure option pour le patient. Dans certaines de ces opérations, le chirurgien coupe le tissu cérébral sain pour atteindre un point dans le cerveau où se produisent les étincelles des crises. Les chirurgiens exfolient la peau et retirent un morceau de crâne en forme de biscuit, exposant le lobe temporal du cerveau, une partie de la couche externe du cerveau appelée cortex. La majeure partie du lobe temporal sort fréquemment, dit Gwinn. Une partie du tissu nerveux va aux pathologistes. Le reste est jeté dans les déchets médicaux, à moins que les scientifiques de l’Institut Allen ne puissent le prendre.

« Les tissus sont terriblement pauvres », a déclaré Koch. Auparavant, des collègues, dont de nombreux chercheurs de l’Institut Allen, étaient sceptiques quant à la possibilité de trouver suffisamment de bons échantillons et de les livrer au laboratoire. Mais après 140 interventions chirurgicales – plus de 30 cette année seulement – il est clair que ces spécimens de cerveau tolèrent merveilleusement les voyages.

Une fois que l’échantillon a quitté la salle d’opération, Kasper a ajouté de l’oxygène et du dioxyde de carbone pour maintenir le tissu en vie dans le liquide, le liquide céphalo-rachidien artificiel. Il est ensuite parti, poussant le chariot à travers l’hôpital d’une main et envoyant un texto à l’équipe de l’Institut Allen de l’autre. La voiture a été chargée dans une camionnette blanche modifiée pour stocker en toute sécurité les bouteilles de gaz inflammables. Et avec ça, le cerveau bouillonnant était déjà en route. Le camion traversa la pluie humide de Seattle et retourna au laboratoire, où Dee était prêt, scalpel à la main.

Discussion croisée

Après ce début décevant avec la partie peu coopérative du cerveau, Dee obtient enfin suffisamment de tranches pour de nombreuses expériences. Une heure de repos aide les cellules à se remettre du traumatisme causé par la séparation du cerveau. Les pièces vont au laboratoire du deuxième étage, où elles sont placées sous un microscope puissant et stimulées pour étudier le comportement de ces cellules humaines vivantes à l’aide de l’électricité. Les chercheurs espèrent que le comportement imitera le comportement des cellules lorsqu’elles se trouvaient dans le crâne de leur ancien propriétaire.

Six scientifiques sont assis sur les ponts d’observation, chacun équipé d’un microscope à l’intérieur d’une boîte noire à trois voies. Dans chaque sonde, le chercheur recherche dans le tissu cérébral de la femme des cellules saines, belles et robustes, avec une visibilité adéquate au bas du tissu.

Dès qu’ils en trouvent un bon, les chercheurs tentent de le piéger dans un tube de verre incroyablement fin. Appelée patch-clamp , cette technique force une conversation cellulaire, qui s’effectue à l’aide de signaux électriques qui se déplacent entre les cellules. Pour continuer la conversation, il est nécessaire d’introduire un courant électrique dans la cellule puis de mesurer comment la cellule réagit au message artificiel.

La plupart de ces configurations mesurent les réactions d’un neurone à la fois. Mais au plus profond du laboratoire, la chercheuse Lisa Kim pilote une configuration futuriste de métal brillant, de fils bleus et noirs emmêlés et de huit aiguilles pointant vers une autre partie du cerveau coupé. Pendant qu’il est là-bas, ce méga groupe écoute quelque chose comme une fête entre sept neurones vivants. Kim insère de l’électricité dans chacun d’eux pour voir comment le signal est transmis aux voisins neuronaux.

Les vibrations électriques de ces neurones fournissent la clé de leur identité et de leurs relations ; l’une des sept cellules réagit lorsqu’une cellule voisine reçoit un choc électrique, signe que ces cellules communiquaient alors qu’elles se trouvaient dans la tête de la femme. D’autres indices proviennent d’informations sur les neurones complexes générés par le signal qui envoie les axones et reçoit les dendrites. Chaque neurone me rappelle une carte incroyablement complexe des affluents de la rivière.

Un sentiment encore plus fort de fonctionnement cellulaire apparaît après la fin des expériences de patch-clamp . Encore une fois, en travaillant avec un tube de verre mince, le chercheur peut aspirer le noyau de chaque cellule vivante. La soustraction tue la cellule, mais a un enregistrement des gènes qui étaient actifs lorsque la cellule était vivante. Une fois que Kim a terminé la stimulation électrique, il a doucement saisi les noyaux de chacun des sept neurones.

Toutes les informations recueillies dans ces installations peuvent aider les chercheurs à identifier les neurones qui peuvent jouer un rôle particulier dans la formation de l’esprit humain. Ainsi, par exemple, l’étude a montré que, selon les chercheurs, il s’agit d’une cellule rare appelée « Neuron Von Economo », du nom du neurologue autrichien, qui a décrit le premier le type cellulaire dans les années 1920.

Un neurone extra-long a été trouvé dans le tissu cérébral vivant d’une femme de 68 ans qui a subi une chirurgie d’ablation de tumeur. Le neurone a montré une réaction électrique inhabituelle au courant appliqué, ont déclaré des scientifiques et des collègues de l’Institut Allen en ligne le 7 mai sur bioRxiv.org . Le résultat était tentant car les problèmes de Neuron Von Economo sont soupçonnés de jouer un rôle dans les troubles psychiatriques et la maladie d’Alzheimer .

La recherche sur les cellules humaines vivantes a également révélé une différence importante entre l’homme et la souris : un certain type de neurone humain est recouvert d’une protéine appelée canal H , que l’on trouve rarement chez le rat. Les canaux H aident les cellules à répondre aux signaux électriques et peuvent être affectés par les médicaments, y compris ceux contre l’épilepsie.

Cette différence fondamentale, décrite en 2018 dans les travaux de Neuron, peut expliquer pourquoi certains médicaments affectent différemment le cerveau des souris et des humains. Plus généralement, ces propriétés nouvellement découvertes des neurones humains peuvent être des éléments qui fournissent certaines des caractéristiques les plus complexes de notre cerveau.

En savoir plus sur les neurones humains vivants est « nécessaire », pas seulement pour « satisfaire la curiosité humaine », a déclaré Nenad Sestan, neuroscientifique à la Yale School of Medicine. Découvrir les particularités du cerveau humain « pourrait nous conduire un jour à comprendre pourquoi nous souffrons de certains troubles », a déclaré Sestan. Des modèles animaux inexacts ont retardé la recherche sur la schizophrénie, l’autisme et la maladie d’Alzheimer, a-t-il déclaré. C’est pourquoi l’étude des tissus humains vivants est si importante.

Du cerveau au laboratoire

Les scientifiques de l’Institut Allen agissent lorsqu’un échantillon de cerveau provient d’un hôpital voisin, extrayant autant d’informations que possible du précieux tissu. Ce que les chercheurs apprennent sur le comportement, la forme et l’activité génétique des cellules est publié dans le Brain Atlas d’Allen. (Le texte en gras indique la longueur de chaque étape.)

1-3 minutes

Chirurgie : Le tissu cérébral est prélevé à l’hôpital de Seattle, généralement quelques minutes après que le chirurgien a ouvert le crâne du patient, et est placé dans une bouteille de liquide céphalo-rachidien artificiel refroidi, barboté d’oxygène et de dioxyde de carbone.

15-30 minutes

Transport : Une camionnette spécialement équipée accélère le transport des tissus de l’hôpital à l’Institut Allen.

30 à 60 minutes

Hachage : L’échantillon est placé sur une plaque dans un glaçon, coupé en morceaux de six à plus de 30 flocons de 0,35 mm d’épaisseur chacun.

Distribution : à partir de chaque échantillon, une pièce entre dans le congélateur pour une analyse plus approfondie. Une pièce sur cinq est fixée avec un conservateur. Le reste survivra pour plus d’expériences le même jour.

1 heure

Repos : Les cellules vivantes se remettent du traumatisme subi lors de la chirurgie.

Observation comportementale : Les cellules au repos sont transférées dans un laboratoire d’électrophysiologie, où les opérateurs étudient le comportement de la cellule avec une impulsion électrique de 30 minutes.

Carte de forme cellulaire : en remplissant certains neurones d’encre, les chercheurs peuvent voir des projections complexes.

Études génétiques : des pipettes en verre mince extraient les noyaux de certains neurones afin que les chercheurs puissent voir quels gènes étaient actifs juste avant la mort des cellules.

De 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 éléments lumineux offrent une meilleure visibilité.

Réparation du cerveau

Le neuroscientifique Jonathan Ting attendait avec impatience sa partie du cerveau. Ting mène des expériences pour transmettre des gènes à des cellules vivantes, et il a maintenu ses cellules en vie pendant une période incroyablement longue.

Dans son laboratoire du quatrième étage, Ting n’est pas satisfait de la pièce qu’il a reçue, la qualifiant de « foutu bordel ». Mais il le coupe un peu plus et remet les morceaux dans la solution pétillante. Ensuite, elle prend ce qui ressemble à un plat allant au four de l’incubateur voisin, fait des blagues sur Martha Stewart et me montre des échantillons de cerveau en direct que j’ai depuis des semaines. Certains d’entre eux ont survécu pendant des mois, et cette résistance a choqué les chercheurs lorsqu’ils ont commencé ces expériences.

Ce type de durabilité est utile car Ting cherche le meilleur moyen d’infecter les cellules avec des virus. Leur objectif est d’utiliser des virus pour délivrer des gènes qui font briller certains groupes de cellules humaines vivantes. La lueur facilite l’étude des cellules et, finalement, la façon de modifier leur comportement. Pour le plus grand plaisir de Ting, il a découvert que le virus et sa cargaison luminescente peuvent être délivrés simplement en laissant tomber un liquide chargé de virus sur des tranches de cerveau vivantes.

Lorsque Ting et moi avons regardé les globules rouges et verts brillants sur son moniteur de microscope, il a décrit le potentiel de ce virus. Non seulement les chercheurs pourront trouver des cellules cérébrales humaines rares, mais ils seront également en mesure de surveiller les cellules. Imaginez que la cellule Von Economo , par exemple, puisse être allumée et éteinte à volonté, en utilisant des méthodes qui sont déjà développées dans des modèles animaux.

Si les cellules sont réellement impliquées dans un trouble de, disons, la schizophrénie, un contrôle précis, cela peut conduire à une thérapie ciblée qui modifie l’activité cellulaire sur ou de , selon les besoins. En fin de compte, il peut également montrer comment l’information traverse ces cellules, afin qu’elle puisse être comprise.

Toutes ces recherches ont déjà conduit à de grandes découvertes. Mais il y a beaucoup plus de territoires inexplorés à explorer, dit Koch. « Le cerveau est la matière active la plus complexe et la plus organisée de l’univers. »

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