Prix Nobel de physiologie ou médecine : les algues des étangs ont mené à une nouvelle façon d’étudier le cerveau

Les scientifiques qui ont découvert comment contrôler les cellules cérébrales grâce à la lumière ont remporté cette année le prix Nobel de physiologie ou médecine. Karl Deisseroth, Peter Hegemann et Georg Nagel ont été récompensés pour leurs recherches sur les « canaux ioniques photosensibles et l’optogénétique ».

Peter Hegemann, de l’Université Humboldt de Berlin, et Georg Nagel, de l’Université de Wurtzbourg, ont cherché à comprendre comment une minuscule algue unicellulaire appelée Chlamydomonas perçoit la lumière. La perception de la lumière n’est pas l’apanage des animaux dotés d’yeux : de nombreux organismes du monde vivant utilisent la lumière pour détecter leur environnement et réagir à ses changements. Même les organismes unicellulaires possèdent des protéines sensibles à la lumière. Ces protéines leur permettent de se déplacer vers ou loin de la source lumineuse, de produire de l’énergie et de répondre aux diverses exigences d’une journée de 24 heures.

Hegemann et Nagel ont découvert que Chlamydomonas possède un mécanisme de détection de la lumière d’une ingéniosité remarquable, qui repose sur une seule protéine appelée channelrhodopsine.

La channelrhodopsine est intégrée à la membrane externe de la cellule algale. Une partie de la protéine est exposée au milieu extérieur, tandis que l’autre partie est orientée vers l’intérieur de la cellule. Cette protéine contient également une petite molécule appelée rétinaldéhyde, capable d’absorber la lumière.

Lorsque la lumière frappe le rétinaldéhyde contenu dans la channelrhodopsine, celui-ci change de forme. La protéine channelrhodopsine change alors également de forme, ce qui ouvre un minuscule passage dans la membrane cellulaire. Des particules chargées positivement, notamment des ions sodium, peuvent ainsi pénétrer dans la cellule depuis l’eau extérieure à l’algue. Ce mouvement de particules chargées génère un signal à l’intérieur de l’algue, lui permettant de nager.

Quelle chance d’avoir résolu une question biologique aussi fascinante ! Mais pourquoi le prix Nobel de physiologie ou de médecine ? La réponse réside dans le fonctionnement des cellules nerveuses. Ces cellules utilisent le mouvement de particules chargées (appelées « ions ») à travers leurs membranes pour contrôler leur activité. Lorsque des particules chargées positivement pénètrent dans une cellule nerveuse, elles peuvent l’activer davantage.

Les chercheurs ont compris qu’en introduisant la channelrhodopsine dans les cellules nerveuses, ils pourraient les activer simplement en les exposant à la lumière. C’est précisément ce qu’ont entrepris Hegemann, Nagel et le troisième lauréat du prix Nobel, Karl Deisseroth, psychiatre et bioingénieur à l’université Stanford en Californie.

Activer les cellules nerveuses par la lumière

La capacité à contrôler les cellules nerveuses par la lumière s’appelle l’optogénétique. Elle est devenue un outil de recherche puissant car les scientifiques peuvent l’utiliser pour activer et désactiver des groupes spécifiques de cellules nerveuses et observer les conséquences.

Tout d’abord, les scientifiques introduisent le gène de la channelrhodopsine dans les cellules nerveuses qu’ils souhaitent étudier. Ce gène est généralement transporté dans les cellules par un virus modifié afin qu’il ne puisse pas provoquer de maladie. Les cellules produisent alors la protéine channelrhodopsine, ce qui leur permet de réagir à la lumière.

Chez des animaux comme les souris, les scientifiques peuvent faire pénétrer de la lumière dans le cerveau grâce à une fine fibre optique. Lorsque la lumière atteint les cellules, la channelrhodopsine s’ouvre et les cellules deviennent actives. Les cellules nerveuses voisines qui ne contiennent pas cette protéine restent insensibles.

Il est possible de diriger la lumière vers une zone très précise du cerveau et de l’activer et de la désactiver extrêmement rapidement. C’est ce qui fait de l’optogénétique un outil puissant pour étudier le fonctionnement cérébral. Par exemple, si des scientifiques souhaitent déterminer si un groupe particulier de cellules nerveuses est impliqué dans la mémoire, le sommeil, la sensation ou le mouvement, ils peuvent activer ces cellules par la lumière et observer les réactions qui en résultent.

Lors d’ une expérience menée en 2012 , une équipe du Massachusetts Institute of Technology a administré à des souris une légère décharge électrique dans une cage spécifique. Grâce à l’optogénétique, ils ont marqué les cellules nerveuses du centre de la mémoire du cerveau qui étaient actives pendant cette expérience de conditionnement à la peur. Quelques jours plus tard, dans une autre cage, ils ont activé ces cellules par la lumière. Les souris se sont figées de peur, comme si elles se souvenaient de la décharge.

Les souris qui n’avaient pas reçu de choc électrique ne se sont pas figées, ce qui a démontré que la lumière réactivait un souvenir spécifique. Deisseroth était l’un des auteurs de l’étude.

L’optogénétique a révolutionné la capacité des scientifiques à étudier le fonctionnement du cerveau et du système nerveux. Elle pourrait également offrir des perspectives thérapeutiques. Des essais cliniques de phase précoce sont déjà en cours pour des personnes atteintes de dégénérescence rétinienne. Dans ces essais, les chercheurs introduisent des protéines photosensibles dans les cellules nerveuses restantes de la rétine après la destruction des cellules photosensibles (bâtonnets et cônes). Ce procédé permet aux cellules survivantes de réagir à la lumière et de restaurer partiellement la vision.

Les chercheurs étudient également si l’optogénétique pourrait éventuellement être utilisée pour traiter des affections neurologiques, notamment la maladie de Parkinson et l’épilepsie .

Le prix Nobel de cette année récompense des travaux qui ont débuté par une question qui peut paraître ésotérique : comment les Chlamydomonas nagent-elles vers la lumière ? Cette question n’a pas d’importance pratique évidente. Elle ne répond à aucun besoin urgent de santé publique et n’offre pas non plus la garantie d’une fortune. Le succès de l’optogénétique illustre l’importance de continuer à se poser des questions, ne serait-ce que pour comprendre le monde qui nous entoure, car il est impossible de prédire où le savoir nous mènera.

Robert Lucas

Professeur de neurosciences à l’Université de Manchester