Un scanner de lames pour étudier le développement et les fonctions du cortex cérébral

Publié le : 13 juin 2018

Colette DEHAY– Institut Cellule Souche et Cerveau (SBRI) – Bron (Lyon)

Titre du projet : « Approche intégrative du développement et de la fonction du cortex cérébral : de la cellule souche au connectome »

Equipement financé grâce à l’opération Rotary-Espoir en Tête 2018 et sélectionné par le Conseil scientifique de la FRC : un scanner de lames pour un montant de 115 000 €

Description du projet

L’exploitation des observations en microscopie nécessite la mise en oeuvre de techniques quantitatives permettant une approche statistique, une reproductibilité élevée, le traitement de bases de données très volumineuses et l’archivage à long terme de données expérimentales sensibles à la détérioration. Toutes ces exigences ne peuvent être satisfaites que par la numérisation de sections microscopiques grâce aux scanners de lames récemment développés.

L’acquisition d’un scanner de ce type permettra à 7 équipes de l’Institut Cellule Souche et Cerveau d’accroître leurs moyens d’investigations et de maintenir leur compétitivité au niveau international. De fait, leurs travaux de recherche seront facilités par une plus grande vitesse d’acquisition des données, des capacités d’archivage considérablement accrues et davantage d’opportunités de partage et d’échange via des plateformes internationales.

Les domaines de recherche qui bénéficieront du nouveau potentiel apporté par le scanner de lames sont en particulier ceux de :

L’équipe de Pierre Savatier, qui étudie les caractéristiques spécifiques des cellules souches embryonnaires (ES) de primates non humains
L’équipe de Bertrand Pain, qui analyse les propriétés des cellules souches aviaires, dans l’objectif de développer des applications biotechnologiques des cellules souches pour la production de vaccins et la médecine régénérative.
L’équipe d’Olivier Raineteau, qui étudie les spécifications de lignage dans une zone précise du cerveau en postnatal
L’équipe de Christophe Heinrich, qui se concentre sur la reprogrammation des cellules somatiques résidant dans le cerveau lésé en interneurones fonctionnels. L’un de ses objectifs particulièrement ambitieux vise à reprogrammer la glie réactive résidant dans le cerveau épileptique en un autre type de cellules (les interneurones GABAergiques) cliniquement pertinents
L’équipe de Colette Dehay, qui étudie la prolifération, la différenciation et la migration des cellules dans le cortex en développement chez la souris et le primate non humain, afin de comprendre l’origine des pathologies neurodéveloppementales comme l’épilepsie et la schizophrénie.
L’équipe Haddjeri-Cooper, qui explore les troubles affectifs en lien avec la chronobiologie dans le but de développer des approches thérapeutiques innovantes pour la dépression.
Enfin, l’équipe Kennedy-Knoblauch, qui développe une base de données unique sur la connectivité du cortex cérébral en vue de construire des modèles de réseaux à grande échelle pour mieux comprendre l’organisation des connexions dans le cerveau normal et pathologique (autisme, schizophrénie).

Pour tous ces projets pré-cliniques d’excellence, largement ouverts sur le développement de nouvelles approches thérapeutiques concernant les pathologies neurologiques et psychiatriques, un très grand nombre de coupes cérébrales doivent être analysées à chaque étape du programme expérimental. Le scanner de lames augmentera considérablement le potentiel des équipes pour l’acquisition d’images, leur stockage, leur interprétation, et la diffusion de données au niveau international.

Acquisitions obtenues avec l’équipement

L’équipement a pu être mis en service en mars 2019. Au cours de la première année de mise en service, puis avec l’arrêt des acquisitions pendant le confinement lié à la COVID-19, l’appareil a été utilisé plus de 1500 heures. Il faut par exemple 375 heures pour l’acquisition en fluorescence de la totalité des coupes d’un cerveau de macaque pour la base de données sur la connectivité du cortex de primate. De plus, son utilisation est optimisée grâce à l’automatisation de l’appareil qui permet de réaliser des acquisitions la nuit et les week-ends.

Photographie: équipement scanner de lame.

Depuis mars 2019, les chercheurs ont pu faire l’acquisition en fluorescence de 2 cerveaux entiers de primates non humains et de 7 cerveaux en lumière transmise avec des acquisitions plus rapides. L’archivage de l’image permet la réalisation ultérieure d’analyses longues et complexes, qui sont ainsi affranchies de la limite de temps imposée par la dégradation des échantillons biologiques. Ainsi, des comptages cellulaires, une analyse quantitative de la morphologie des neurones, ainsi que la cartographie de l’expression de marqueurs moléculaires ont été réalisés sur ces images. Des acquisitions d’images de cerveaux de souris et de primates embryonnaires ainsi que d’organoïdes cérébraux de primates non humains et humains ont été aussi effectuées. L’acquisition d’images d’un grand nombre de coupes de cerveaux est une étape indispensable pour permettre d’établir un atlas du développement prénatal du cortex. Cet atlas représente un travail de longue haleine et est en cours de constitution.

Coupe coronale de cerveau de macaque. Acquisition scanner de lames Axioscan Z1 en fluorescence à l’objectif x20. En bleu, site d’injection DY dans l’aire V1 (hemisphère droit)

Partie occipitale d’une coupe parasagittale de cerveau embryonnaire de macaque, colorée en crésyl violet. Acquisition en lumière transmise.

Des marquages de différents types cellulaires (neurones, oligodendrocytes…) ont également été effectués chez des souris témoins ou exposées à une hypoxie néonatale (un modèle de grands prématurés). Une fois marquées, les coupes sont montées sur lames pour être imagées en fluorescence au scanner. Les images sont ensuite utilisées afin de quantifier de façon automatique les cellules marquées dans différentes régions du cerveau.

Publications

3 articles ont déjà été publiés dans des journaux scientifiques grâce aux images acquises par cet équipement installé en 2019, et 2 articles sont en cours de soumission/révision :

Refinement of the primate corticospinal pathway during prenatal development. Ribeiro et al., Cerebral Cortex, 2020.
Determinants of primate neurogenesis and the deployment of top-down generative networks in the cortical hierarchy. Kennedy et al., Current Opinion in Neurobiology, 2020.
Radial migration dynamics is modulated in a laminar and area-specific manner during primate corticogenesis. Cortay et al., Frontiers in Neuroscience, 2020.
Cortical Hierarchy and the dual counterstream architecture. Neuroimage, Vezoli et al., en révision.
Using CAV-2-mediated DREADD expression to manipulate prefrontal cortex functions in monkeys: validation and pilot experiments. Wilson et al., Frontiers in Molecular Neuroscience,

Colette DEHAY est Directrice de Recherche au CNRS. Elle dirige depuis Janvier 2011 l’Institut Cellule Souche et Cerveau de Lyon. Elle anime une équipe intitulée « Cellules souches et développement cortical ». Elle est de plus coordinatrice de la plateforme d’ingénierie cellulaire de l’IHU Cesame. Les recherches de Colette Dehay concernent l’étude des mécanismes qui gouvernent le développement du cortex cérébral, à l’aide d’approches cellulaires, moléculaires et de modélisation/simulation des paramètres du développement cortical.

Témoignage de la chercheuse : « Sans la FRC et le Rotary Espoir en Tête, nous ne pouvions pas acheter cet équipement. Cet outil va permettre à toutes les équipes de l’Institut de progresser et va donc donner une impulsion nouvelle à nos recherches pluridisciplinaires, dans l’objectif de progresser dans la compréhension des pathologies neuropsychiatriques et d’ouvrir vers de nouvelles pistes thérapeutiques. »