Les circuits neuronaux de la rétine scrutés par les physiciens

A l’aide de techniques utilisées en physique des particules, des physiciens viennent d’ouvrir de nouveaux horizons sur les circuits neuronaux de la rétine. Après avoir découvert un nouveau type de cellule rétinienne et élaboré un modèle de perception des couleurs dans la rétine, une équipe de chercheurs de Santa Cruz (États-Unis), de Cracovie et de Glasgow se penche maintenant sur des questions plus complexes telles que le fonctionnement nerveux de la rétine et le traitement par le cerveau des signaux transmis par la rétine. Tout cela en utilisant la technologie des détecteurs multirubans en silicium haute densité.



Du point de vue d’un physicien des particules, les yeux sont des détecteurs d’images capables d’enregistrer différents types de
données: la lumière et l’obscurité, les différentes couleurs, le mouvement, etc. Plus particulièrement, la rétine, une fine membrane qui tapisse le fond de l’œil, est un détecteur à pixel biologique qui capte la lumière et la transforme en un signal électrique ; celui-ci est envoyé au moyen du nerf optique, jusqu’au cerveau. Les neurobiologistes ont identifié plusieurs types de cellules responsables de ces différents processus, mais n’ont pas encore pu déterminer leur nombre exact, les fonctions de chacune des cellules et la manière dont elles interagissent.

Alan Litke, physicien (physique expérimentale) de la collaboration ATLAS au LHC (CERN), dirige une équipe de physiciens et d’ingénieurs spécialistes de la physique des hautes énergies avec pour objectif d’apporter des réponses à ces questions. Avec la collaboration de neuroscientifiques, cette équipe interdisciplinaire s’est servie de la technologie des détecteurs de particules utilisée pour la physique des hautes énergies et l’a adaptée à l’étude du fonctionnement de la rétine. Le nœud du problème est de comprendre comment la rétine traite et encode les informations visuelles provenant du
monde extérieur qu’elle transmet au cerveau.

La méthode expérimentale employée par l’équipe consiste à placer un morceau de tissu rétinien à l’intérieur d’une enceinte remplie d’un
liquide spécial ayant la propriété de garder le tissu vivant pendant plusieurs heures. Les cellules photoréceptrices de la rétine, exposée à des images générées par ordinateur, détectent les stimuli visuels et transforment ceux-ci en signaux électriques qui sont ensuite transmis via un réseau de neurones interconnectés, pour un traitement ultérieur. Les signaux électriques provenant de ce réseau neuronal sont alors captés par une matrice de microélectrodes disposée sur une lamelle de verre. "Les techniques d’instrumentation que nous utilisons sont directement inspirées de celles qui ont servi à la construction du détecteur microrubans en silicium dans le trajectographe d’ATLAS, explique Alan Litke. Dans nos premières études, nous avons utilisé une matrice de 61 électrodes espacées de 60 µm ; cependant, les cellules que nous cherchions à ce moment-là constituaient une partie si infime de notre échantillon que nous n’avons pas pu les identifier de façon significative d’un point de vue statistique. Sachant cela, nous avons décidé de concevoir une nouvelle matrice de 512 électrodes, qui nous a permis de découvrir un nouveau type de cellules en 2007".

Pour l’étude actuelle (dont les résultats ont été publiés dans l’édition du 7 octobre 2010 de la revue
Nature), l’équipe de chercheurs a dû améliorer la matrice ; une matrice de haute densité constituée de 519 électrodes, avec un espacement de 30 µm, a permis d’obtenir une résolution spatiale bien plus précise et pour une meilleure efficacité. "En collaboration avec les neurobiologistes du Salk Institute, nous avons réussi à décrire les circuits neuronaux à l’échelle du neurone et à déterminer le code employé par la rétine pour transmettre au cerveau les informations relatives à la couleur, ajoute Alan Litke. Grâce à la granularité très fine de cette matrice, et à la possibilité d’enregistrer simultanément des signaux provenant de centaines de cellules ganglionnaires de la rétine, nous avons pu identifier correctement toute une population locale de cellules ganglionnaires responsables de la perception de la couleur." D’un point de vue technique, le processus de miniaturisation que demandait cette expérience était bien connu au CERN. Les circuits intégrés multicanaux servant à la lecture des signaux électriques ont été conçus par Wladyslaw Dabrowski, membre de la collaboration ATLAS, et son groupe de l’Université des sciences et des technologies AGH de Cracovie, tandis que les matrices d’électrodes haute densité ont été développées par Keith Mathieson et Deborah Gunning, du groupe Expériences en physique des particules de l’Université de Glasgow. Alexander Sher, de l’Université de Californie à Santa Cruz, ancien physicien des hautes énergies, est l’un des principaux auteurs de l’article publié dans Nature.

Compte tenu de l’aspect innovant et interdisciplinaire de cette étude, il a été difficile pour Alan Litke d’obtenir des financements pour mener à bien ces travaux. "Quand nous avons entamé nos recherches, l’un des défis majeurs a été d’avoir des crédits, car les pratiques en matière de physique des hautes énergies d’un côté et de biologie de l’autre sont différentes. Venant du monde de la physique des hautes énergies, nous n’avions pas de données neurobiologiques qui puissent justifier et valider notre méthode, explique Alan Litke. Les personnes à qui nous présentions notre projet ne nous croyaient pas à même de développer une telle technologie, ou alors ne voyaient pas l’intérêt d’enregistrer des signaux venant de centaines de neurones simultanément." Heureusement, la situation s’est améliorée maintenant que l’équipe commence à fournir les preuves du succès de son approche.

Cette nouvelle technologie ouvre la voie à une large gamme d’applications biomédicales possibles, telles que le développement de nouvelles méthodes pour les prothèses rétiniennes et le traitement des maladies de la rétine chez les diabétiques, qui permettrait de réduire le risque de cécité. Dans certains cas, le diabète peut provoquer des lésions de petits vaisseaux sanguins dans l’œil, ce qui se traite par chirurgie au laser. La technique de la matrice multiélectrodes peut servir à évaluer et à améliorer l’efficacité des différents traitements au laser.


Jusqu’à présent, Alan Litke et ses collègues se sont concentrés sur les processus rétiniens, mais, pour eux, ce n’est qu’un début et il reste encore beaucoup à découvrir dans ce domaine. "Ce premier pas dans la compréhension du fonctionnement du traitement de l’information visuelle dans la rétine n’est qu’un aspect des applications possibles de notre technologie, confirme Alan Litke. À l’avenir, nous prévoyons d’utiliser cette technologie dans d’autres domaines tout aussi prometteurs: le développement du circuit neuronal de la rétine, complexe mais très précis, et la gestion des données par le cerveau lorsque celui-ci reçoit les informations envoyées par la rétine."

Source: CERN

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