Les neuropeptides jouent un rôle fondamental dans la modulation des fonctions cellulaires et des circuits dans le cerveau. L’une de ces molécules de signalisation – l’orexine – régule l’éveil et l’éveil, et son échec peut entraîner une somnolence diurne constante (narcolepsie). Des chercheurs de l’Université de Zurich viennent de mettre au point un biocapteur d’orexine fluorescente pour observer cette molécule « en direct » dans le cerveau de souris vivantes.
Image confocale de neurones en culture exprimant OxLight1. Crédit image : UZH
Dans le cerveau, des milliards de cellules neurales agissent de concert pour coordonner les fonctions de base et supérieures de l’organisme. Ils utilisent un langage particulier pour communiquer entre eux : des molécules appelées neuropeptides ou neurotransmetteurs. Un exemple d’un tel système de molécules de signalisation est l’orexine. Normalement, il régule l’éveil, l’éveil, la motivation et l’appétit.
Les défauts de libération ou de détection des neuropeptides d’orexine provoquent, tant chez l’homme que chez l’animal, une maladie appelée narcolepsie. Les personnes atteintes souffrent d’une somnolence diurne écrasante et présentent souvent des états cataplexiques, dans lesquels elles restent conscientes mais sont incapables de contrôler les mouvements du corps, ce qui entraîne une sorte de paralysie.
Faire la lumière sur le fonctionnement interne du cerveau de la souris
Tommaso Patriarchi de l’Institut de pharmacologie et de toxicologie de l’Université de Zurich (UZH) et son équipe ont mis au point un biocapteur codé génétiquement dont les propriétés fluorescentes leur permettent d’étudier l’action et les mécanismes de libération de l’orexine « en direct » et à haute résolution dans le cerveau de souris vivantes. « Le lien direct entre ce système de neuropeptide particulier et son altération dramatique des fonctions cérébrales humaines dans la narcolepsie, nous a amenés à étudier l’orexine plus en détail », explique Patriarchi.
Le nouveau biocapteur d’orexine nommé « OxLight1 » est basé sur une protéine fluorescente verte spécialement conçue intégrée dans le récepteur humain de l’orexine. « Le marquage du récepteur avec une protéine fluorescente le rend visible au microscope. Lorsque le neuropeptide se lie au récepteur, il le fait s’allumer », ajoute Patriarchi. OxLight1 offre ainsi une vision pratiquement en temps réel de la libération d’orexine chez les animaux vivants comme la souris.
Éclairer des aspects auparavant invisibles d’un fonctionnement cérébral sain
« Pour comprendre comment les systèmes de neuropeptides comme l’orexine agissent pour maintenir une fonction cérébrale saine, nous devons d’abord être capables d’observer les messages portés par ces neuropeptides et ensuite apprendre à les interpréter », explique Patriarchi. Jusqu’à présent, cela était pratiquement impossible en raison du manque d’outils capables de fournir une lecture à haute résolution spatiale et temporelle. Les chercheurs ont donc utilisé leur nouveau biocapteur pour étudier la relation entre l’activité neuronale et la libération de neuropeptides chez les animaux vivants, l’une des questions les plus pressantes et les plus recherchées en neurophysiologie qui est restée insaisissable jusqu’à présent.
Ils ont montré que le niveau de libération d’orexine est corrélé à la fois à la fréquence et à la durée de l’activation neuronale. « La sensibilité et la vitesse exquises d’OxLight1 nous ont permis de suivre la libération d’orexine endogène associée à des comportements naturels tels que la course spontanée ou le stress aigu », déclare Patriarchi. En conséquence, ils ont pu démontrer dans le cerveau vivant que les signaux d’orexine peuvent se produire sous la forme d’éclats de libération relativement courts ou « phasiques ».
Étudier les mécanismes de la maladie neurale de la narcolepsie
L’équipe a ensuite étudié la dynamique des orexines lors des transitions veille/sommeil. En combinant l’imagerie photométrique de la dynamique de l’orexine et les enregistrements de l’activité neuronale pour évaluer l’état de sommeil des animaux, les chercheurs ont observé pour la première fois qu’une chute rapide des niveaux d’orexine se produit pendant le sommeil paradoxal des souris.
D’autres travaux avec des collègues de l’Istituto Italiano di Tecnologia en Italie, experts en microscopie à deux photons, ont révélé un autre processus jusqu’ici inconnu : les fluctuations spatialement localisées de l’orexine se produisant dans le cortex somatosensoriel au réveil de l’anesthésie. Ce dernier travail collaboratif a été mené dans le cadre du projet européen DEEPER récemment récompensé.
« Après avoir déchiffré la libération d’orexine et l’activité neuronale dans le cerveau sain, nous utilisons maintenant OxLight1 pour étudier les mécanismes des maladies du cerveau comme la narcolepsie et la dépendance », explique Tommaso Patriarchi. Cette recherche est le premier résultat d’un projet pour lequel Tommaso Patriarchi a reçu une bourse de démarrage ERC en 2020. Les biocapteurs que son équipe a développés sont maintenant utilisés pour étudier le fonctionnement du cerveau dans des laboratoires du monde entier. En continuant à développer leur boîte à outils neuro-technologique, les chercheurs visent également à établir des tests de dépistage de nouvelle génération pour le développement de médicaments.
Référence: L. Duffet, et al. « Un capteur génétiquement codé pour l’imagerie in vivo des neuropeptides d’orexine“. Méthodes naturelles 19231-241 (2022).
La source: Université de Zürich
