Un ultramicroscope pour cartographier en 3D le système nerveux

Publié le : 22 mai 2010

Porteur du projet : Alain Chédotal, Directeur de Recherche à l’Institut de la Vision à Paris

Equipement financé grâce à l’opération Rotary-Espoir en Tête 2010 et sélectionné par le Conseil Scientifique de la FRC : un ultramicroscope à hauteur de 172 771 euros

Titre du projet « Cartographie tridimensionnelle des projections axonales dans le système nerveux en condition normale et pathologique. »

 

Le projet

Les circuits neuronaux qui sous-tendent nos comportements peuvent être affectés par des maladies dévastatrices, qu’elles soient d’origine développementale ou qu’elles surviennent chez l’adulte suite à des phénomènes de neurodégénérescence. Accéder à l’organisation cellulaire des circuits neuronaux est essentiel pour comprendre comment ces circuits fonctionnent et se développent et comment ils peuvent être affectés lors de maladies neurologiques. L’objectif du projet est d’étudier l’organisation du cerveau et des connexions cérébrales au sein de rongeurs porteurs de mutations dans divers gènes impliqués dans le développement. Le microscope qui a été subventionné (ultramicroscope) permet l’observation 3D d’embryons et de cerveaux de souris en révélant des protéines présentes dans les neurones en développement. Ces travaux permettent d’apporter des données quantitatives utiles pour des travaux axés sur le développement du cerveau et les pathologies. Ainsi, grâce à l’obtention de cet ultramicroscope, plusieurs études ont pu être menées telles que l’analyse des projections axonales, l’étude de la structure et du développement des circuits sensoriels et le traçage génétique de certains neurones d’intérêt.

 

L’équipement

L’utilisation d’un ultramicroscope permet d’aller encore plus loin dans les capacités d’imagerie que les méthodes préexistantes. Ce type de microscope permet de représenter en 3D des tissus ou organes entiers (par exemple le cerveau) rendus transparents. Cela s’effectue sans couper les tissus, et donc en préservant les connexions entre les cellules qui pourront être observées dans leur globalité. Ainsi, il est possible de visualiser de longs prolongements neuronaux pour pouvoir les étudier en situation normale et pathologique. En effet, la visualisation de circuits neuronaux de grande taille nécessitait habituellement de couper le cerveau. L’ultramicroscopie a révolutionné l’imagerie en permettant l’observation d’échantillons de grande taille (cerveau entier, moelle épinière), d’axones individuels tout en étant compatible avec l’imagerie multicolore. De plus, la vitesse d’acquisition d’image de l’ultramicroscope permet de reconstruire rapidement le cerveau et de révéler l’organisation des connexions cérébrales.

Le microscope financé grâce à l’opération Rotary-Espoir en Tête a été le premier de ce type en France et la technique mise au point par l’équipe d’Alain Chédotal a ensuite été reprise par de nombreux groupes. 150 utilisateurs Français ou étrangers ont pu être formés au cours de stages.

Les résultats

L’utilisation de cet équipement a permis plusieurs résultats dont deux qui ont été retenus comme « faits marquants » par l’INSERM pour son rapport annuel 2017 :

• Le rôle de la protéine nétrine-1 remis en cause. Contrairement à ce qui était admis, la molécule nétrine-1 ne servirait pas attirer à distance les axones en croissance lors du développement cérébral. Les chercheurs ont modifié génétiquement des souris pour empêcher la production de nétrine-1 dans une zone spécifique. Ils ont ainsi pu montrer que les axones se développent correctement. Ces résultats suggèrent que la nétrine-1 serait en fait une molécule d’adhérence permettant l’ancrage des axones dans des zones cérébrales bien précises.
• Vers un atlas du développement embryonnaire. Afin de mieux comprendre le développement des organes chez l’humain, les chercheurs ont créé un nouvel outil de référence : une cartographie cellulaire et moléculaire de l’embryon humain. Ils ont mis en place une banque d’images en trois dimensions des différents systèmes de l’embryon (cardiopulmonaire, nerveux, vasculaire…) grâce à l’utilisation combinée de différentes techniques d’imagerie. Récemment, cette approche a permis d’établir le premier atlas 3D du développement embryonnaire humain et notamment réussi à décrire les premières phases du développement des nerfs périphériques humains. Ce travail a valu le prix INSERM 2017 à Alain Chédotal. Ces premières images sont d’ores et déjà à l’origine de plusieurs découvertes. Elles ont par exemple montré que l’innervation de la peau adopte, dès le premier trimestre du développement embryonnaire, le même schéma que chez l’adulte.

 

Images réalisées à partir de cet équipement

 

Les équipes utilisatrices

L’utilisation de cet équipement permet d’effectuer de l’imagerie tridimensionnelle d’organes rendus transparents puis marqués. Au cours du temps, les projets se diversifient et de nombreuses structures sont étudiées. L’appareil est situé au sein de l’Institut de la Vision et est librement accessible à toutes les équipes des réseaux d’imagerie de l‘Université Pierre et Marie Curie et de l’Ecole des Neurosciences de Paris. Il est utilisé quasiment 7J/7 par 4 équipes de l’institut et de nombreuses équipes externes (16 en 2017) dont celle de Patricia Gaspar qui étudie les mécanismes du développement cérébral au sein de l’Institut du Fer à Moulin.

 

Au sein de l’Institut de la Vision, l’équipement a été utilisé par les équipes de :

• Alain Chédotal dont les travaux portent sur le rôle des molécules de guidage axonal.
• Olivier Goureau qui vise à développer des approches de thérapie cellulaire à partir de cellules souches pluripotentes pour soigner les maladies dégénératives de la rétine.
• Michel Paques ayant pour objectif d’étudier l’inflammation dans la dégénérescence neuronale et le remodelage vasculaire
• Serge Picaud qui étudie la transmission de l’information visuelle en condition normale ou pathologique

 

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