Neuropsychologie

Manipuler les rythmes circadiens grâce à l’optogénétique

Par Pascale Dugas.

Des chercheurs en neurosciences ont récemment fait la découverte qu’il était possible de contrôler le rythme circadien de souris vivantes grâce à l’optogénétique, une technique qui associe la génétique et la stimulation optique afin de manipuler l’activité du cerveau.

Le rythme circadien permet aux êtres vivants d’organiser leurs périodes d’éveil et de sommeil selon des cycles de différentes durées. Le cycle de l’humain est d’environ 24 heures. Chez les mammifères, le rythme circadien est généré par l’activité du cerveau, plus précisément par le noyau suprachiasmatique (NSC), un regroupement de neurones situé dans l’hypothalamus (voir l’image ci-contre).

Le NSC possède la particularité de fonctionner de façon autonome, car lorsque l’on isole les individus de la lumière extérieure pendant plusieurs jours, peu de changements sont observés quant à leurs périodes d’éveil et de sommeil. Ceci est en fait possible grâce à une boucle de rétroaction négative des neurones qui s’inhibent et s’activent entre eux, s’étalant sur 24 heures. Les neurones du NSC sont donc responsables d’orchestrer les décharges de potentiels d’action de façon cyclique : celles-ci sont plus rapides le jour et plus lentes la nuit.

Bien que ces neurones soient responsables de réguler le rythme circadien, celui-ci a tendance à se synchroniser avec la luminosité ambiante, pour nous permettre d’être éveillés lorsqu’il fait clair et de dormir lorsqu’il fait noir. En effet, l’information en provenance des photorécepteurs situés dans les cellules ganglionnaires de la rétine est transmise par le nerf optique au NSC, ce qui permet cette adaptation graduelle du rythme circadien au cycle jour/nuit. Ainsi, lorsque vous subissez un décalage horaire, c’est en fait en raison du rythme de l’activité des neurones du NSC qui ne s’est pas encore adapté au fuseau horaire de l’endroit où vous vous trouvez.

 

L’an dernier, une équipe de chercheurs de l’Université Vanderbilt, au Tennessee, a fait l’importante découverte qu’il était possible de contrôler l’activité des neurones du NSC des souris en laboratoire. Comme les humains, celles-ci possèdent un rythme circadien d’environ 24 heures, quoique celui-ci soit un peu différent puisqu’elles sont nocturnes.

Dans un article paru au début du mois, les chercheurs expliquent qu’ils ont utilisé l’optogénétique afin de concrétiser leurs hypothèses. L’optogénétique est une technique qui associe la génétique et l’optique afin de manipuler l’activité du cerveau. Plus précisément, l’optogénétique consiste à modifier le code génétique des neurones du NSC afin qu’ils synthétisent deux protéines, la chan­nelrhodopsine et l’halorhodopsine, normalement absentes dans le corps des mammifères. Celles-ci sont en fait des canaux ioniques photosensibles, c’est-à-dire que l’exposition de ces canaux à la lumière d’une certaine couleur contrôle leur ouverture. Il est possible de réguler les entrées et sorties d’ions Na+ des neurones, et donc de contrôler le rythme des potentiels d’actions qui régulent le rythme circadien, en envoyant des photons vers ces canaux.

En se basant sur des recherches antérieures concernant l’optogénétique, les chercheurs ont modifié le code génétique des neurones du NSC d’un groupe de souris. Ils ont ensuite implanté des fibres optiques émettant de la lumière dans le cerveau de ces souris, ainsi que dans le cerveau de souris d’un groupe contrôle, afin de stimuler les protéines membranaires photosensibles. Par le remaniement quotidien des rythmes des potentiels d’action émis par ces cellules du NSC, l’équipe de recherche a observé qu’il était possible de réinitialiser le rythme circadien de souris gardées dans des conditions de luminosité constantes.

De façon plus précise, en stimulant les neurones du NSC quotidiennement, toujours au milieu de la journée, l’équipe de recherche a remarqué que les souris dont les cellules avaient été génétiquement modifiées se réveillaient de plus en plus tard. En fait, après quelques jours, le rythme circadien des souris s’était ajusté pour que l’éveil des souris survienne au moment de la stimulation par fibre optique. En comparaison, aucun effet de la stimulation par fibre optique n’a été observé pour les souris du groupe contrôle.

Grâce à l’optogénétique, il est maintenant possible de mieux comprendre l’impact causal du rythme des potentiels d’action du NSC sur le rythme circadien en manipulant celui-ci en laboratoire. Cette découverte en neurosciences est très prometteuse quant au traitement de divers troubles de sommeil et des dépressions saisonnières qui sont liés à un dérèglement du rythme circadien.

 

 

 

Source : Jones, J.R., Tackenberg, M.C., et McMahon, D.G. (2015). Manipulating circadian clock neuron firing rate resets molecular circadian rhythms and behavior. Nature Neuroscience. doi:10.1038/nn.3937

Pour en savoir plus sur l’optogénétique, vous pouvez visionner cette courte vidéo: http://video.mit.edu/watch/optogenetics-controlling-the-brain-with-light-7659/

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