Vue d’artiste de nanotubes de carbone individuels fluorescents explorant les espaces extracellulaires du cerveau © Godin/Cognet, IOGS-CNRS-Univ. Bordeaux

L’exploration du cerveau et la compréhension de la communication cellulaire sont parmi les plus grandes aventures scientifiques du siècle à venir. Autant la connaissance sur le fonctionnement des cellules neuronales (neurones et cellules gliales) a explosé au cours des dernières décennies, grâce notamment à l’avènement d’approches de microscopies de pointe et d’optogénétique, autant la compréhension du monde extracellulaire du cerveau en est encore à ses balbutiements. Par exemple, les dimensions et la fluidité de l’espace entre les cellules du cerveau restent très mal connues. Pourtant, ces espaces sont le lieu de transit de toutes les molécules (nutriments, hormones, neurotransmetteurs, etc.) nécessaires à la communication entre cellules et donc au fonctionnement cérébral. Métaphoriquement, les connaissances scientifiques permettent aujourd’hui de comprendre la structure et le fonctionnement général des voitures mais les chercheurs n’ont pas la moindre idée de l’état et du plan des routes dans lesquelles elles circulent !

Des physiciens et neurobiologistes du Laboratoire Photonique, numérique et nanosciences (LP2N, unité CNRS, université de Bordeaux et Institut d’Optique Graduate School) et de l’Institut interdisciplinaire de neurosciences (IINS, unité CNRS et université de Bordeaux) ont développé une nouvelle approche de pointe basée sur le suivi de nanotubes de carbone dans le cerveau. Leur prouesse est d’avoir réussi à suivre ces nanotubes de carbone, rendus biocompatibles et bioluminescents, un par un et in vivo. C’est une première en la matière dans ce domaine publiée dans Nature nanotechnology.

La morphologie du nanotube de carbone est adéquate, suffisamment fine pour serpenter dans les espaces, et suffisamment grande pour freiner ses mouvements et laisser le temps de le détecter en imagerie (contrairement aux molécules trop rapides par exemple).  

Mieux comprendre le fonctionnement du cerveau

Les chercheurs ont pu ainsi cartographier l’espace extracellulaire dans du tissu cérébral vivant intact avec des résolutions inégalées. En adaptant des méthodes de microscopie de super-résolution, ils ont pu aussi observer la diversité des espaces neuronaux à l’échelle nanométrique et la fluidité du milieu dans lesquels les molécules du cerveau évoluent.  

Les chercheurs ont poussé plus loin leur recherche. Grâce à cette technique, ils ont suivi l’évolution d’un tissu neuronal avant et après action d’une enzyme dégradant ce milieu. En effet, des découvertes récentes ont mis en avant le rôle probable du milieu extracellulaire dans la genèse de troubles psychiatriques comme la schizophrénie et neurologiques comme les maladies neurodégénératives (maladie de Parkinson, d’Alzheimer par exemple). Son exploration fine permettra donc de mieux décrypter son fonctionnement et son rôle physiologique et pathologique.

Cette avancée est le fruit d’un travail interdisciplinaire intense, nécessitant des avancées majeures dans les domaines de la microscopie de super-résolution, des nanosciences et de la neurobiologie, développé dans le cadre d'un projet interlabex de l'Idex Bordeaux entre Brain et Laphia appelé Extrabrain. Elle ouvre la voie à l’exploration et la compréhension du milieu dans lequel toutes les cellules du cerveau grandissent, communiquent et s’adaptent.