Une nouvelle méthode pour étudier les secrets invisibles du cerveau

Le neuro-ingénieur Ed Boyden veut savoir comment les minuscules biomolécules de nos cerveaux génèrent des pensées et des émotions, et il veut percer le mystère des changements moléculaires qui provoquent des maladies telles que l'épilepsie et l'Alzheimer. Au lieu de regarder ces structures invisibles à l’œil nu sous un microscope, si nous les agrandissions physiquement pour mieux les voir ? Apprenez comment on pourrait se servir des mêmes polymères qui se trouvent dans les couches pour bébé -- celles qui leur font gonfler -- pour mieux comprendre nos cerveaux.

Bonjour, tout le monde.

J'ai apporté une couche pour bébé.

Je vous le dirai pourquoi.

Elles ont des propriétés particulières.

Elles se gonflent beaucoup
quand vous y ajoutez de l'eau,

comme le prouvent des millions
d'enfants tous les jours.

(Rires)

C'est parce qu'elles ont été conçues
très intelligemment.

Elles sont faites d'un matériel gonflable.

Quand vous y ajoutez de l'eau,

ça se gonfle énormément,

peut-être mille fois en volume.

C'est un polymère industriel très utile.

Ce que mon équipe
au MIT essaie de faire

est de voir si on peut faire quelque
chose de semblable au cerveau.

Peut-on l'agrandir

pour le regarder de près,

pour voir comment ces infimes
blocs, les biomolécules,

sont organisés en
trois dimensions ?

Voir la structure de base
du cerveau, on pourrait dire ?

En faisant ceci,

on aurait une meilleure idée de
comment le cerveau est organisé pour

produire des pensées et émotions,

des actions et sensations.

Peut-être qu'on pourrait identifier
les changements exacts

qui provoquent des maladies

comme Alzheimer, l'épilepsie
et Parkinson,

pour lesquelles il y existe
peu de soins et de remèdes

et desquelles on connaît
rarement les origines,

ce qui les causent vraiment.

Notre équipe au MIT

essaie de voir les choses
d'une autre façon en retraçant

l'évolution de la neuroscience
au cours des 100 dernières années.

On est designers et inventeurs.

On essaie de concevoir des technologies

pour observer et réparer le cerveau.

La raison derrière

est que le cerveau est
sacrément compliqué.

On a appris au cours du premier
siècle de la neuroscience

que le cerveau est un
réseau très complexe

composé de neurones,
des cellules spécialisées

avec des géométries très complexes

à travers lesquelles traversent
des courants électriques.

De plus, les neurones
sont connectés en réseaux

par de petites jonctions, des synapses,
qui transmettent les éléments chimiques

qui leur permettent de
communiquer entre eux.

Le cerveau est d'une densité incroyable.

Dans un millimètre cube du cerveau,

il y a environ 100 000 de ces neurones

et peut-être bien
un milliard de ces jonctions.

Mais c'est pire que ça.

Si vous zoomez sur un neurone --

et ceci n'est qu'une
représentation artistique --

vous allez voir des milliers et des
milliers de types de biomolécules,

des machines nanométriques
organisées en schémas 3D

servant de médiateurs entre
les impulsions électriques,

ces échanges chimiques qui permettent
aux neurones de travailler ensemble

pour générer des choses comme
les pensées et les sentiments.

Nous ne savons pas exactement
comment sont organisés ces neurones

pour former des réseaux

ou comment sont organisées les
biomolécules à l'intérieur des neurones

pour former ces machines complexes.

Si on veut vraiment comprendre ceci,

il faudra de nouvelles technologies.

En arrivant à cartographier le tout,

on pourrait voir l'organisation
des molécules et neurones, et

des neurones et réseaux.

On pourrait comprendre comment
le cerveau dirige de l'information

des régions sensorielles,

mélange ceci avec les émotions

et produit nos décisions et actions.

On pourrait identifier les changements
moléculaires exacts qui se produisent

dans un trouble cérébral.

Une fois qu'on comprend comment
ces molécules ont changé,

si elles ont augmenté ou changé de schéma,

on les utiliserait comme cibles
pour de nouveaux médicaments,

de nouvelles façons de
transmettre de l'énergie

dans le cerveau pour y réparer
les computations abîmées

chez les patients atteints
de troubles cérébraux.

Beaucoup de nouvelles technologies
au cours du dernier siècle

ont relevé ce défi.

On a tous vu des scans cérébraux

pris dans des machines fMRI.

Leur grand atout est leur
non invasivité, donc on peut

les utiliser sur des
sujets humains vivants.

Mais ils sont aussi
visuellement peu raffinés.

Chacune de ces zones
à l'écran, des voxels,

peut contenir des millions de neurones.

Alors on n'a pas la résolution

requise pour identifier les
changements moléculaires

ou les changements dans
le câblage du cerveau

qui contribue à nous faire des
êtres conscients et capables.

À l'autre extrême,
vous avez les microscopes.

Ils se servent de la lumière pour
observer des choses minuscules.

Pendant des siècles, on a ainsi
observé les bactéries, etc.

En neuroscience,

les microscopes ont fait
la découverte des neurones

il y a 130 ans.

Mais la lumière a ses limites.

On ne peut pas voir des molécules
individuelles avec un microscope.

On ne peut pas voir ces petites jonctions.

Si nous voulons améliorer
la façon d'observer le cerveau,

de voir sa structure de base de près,

on aura besoin de meilleures technologies.

Mon équipe s'est demandé :

si on faisait le contraire ?

Si c'est compliqué de
zoomer sur le cerveau,

pourquoi pas l'agrandir ?

Ça a commencé

avec deux doctorants de l'équipe,
Fei Chen et Paul Tillberg.

Maintenant d'autres m'aident
dans cette expérience.

On a décidé d'essayer de
prendre des polymères

comme ceux des couches

et les installer dans le cerveau.

Si on arrive à le faire
et on y ajoute de l'eau,

on pourrait gonfler le cerveau

au point de pouvoir distinguer
une molécule d'une autre.

On pourrait voir ces jonctions
et cartographier le cerveau.

Ça pourrait avoir un effet important.

On a apporté une démo.

Voici du matériel de couche purifié.

C'est plus facile d'en
acheter sur Internet

que d'extraire les quelques graines
qui se trouvent dans les couches.

Ici, je vais placer une cuillerée

de ce polymère purifié.

Et voici un peu d'eau.

Ce qu'on va faire est

essayer de voir si cette cuillerée
de matière de couche

peut augmenter en taille.

Vous allez la voir augmenter par mille

sous vos yeux.

Je pourrais y ajouter encore plus d'eau,

mais vous avez déjà en gros vu

que c'est une molécule très intéressante.

Si on l'utilise intelligemment,

on pourra zoomer sur
le cerveau d'une façon

que les autres technologies
n'ont pas pu faire.

Maintenant, un peu de chimie.

Que se passe-t-il dans
ce polymère de couche ?

Si on zoomait dessus,

ça ressemblerait à
ce qu'il y a sur l'écran.

Les polymères sont de longues
et minces chaînes d'atomes.

Ces chaînes sont minuscules,

de la largeur d'une biomolécule,

et ces polymères sont très denses.

Ils sont séparés par

la distance d'une biomolécule.

Ceci est bien

parce qu'on pourrait tout
écarter dans le cerveau.

Si nous y ajoutons de l'eau,

le matériel gonflable va l'absorber,

les chaînes vont s'écarter
l'une de l'autre

et tout le matériel va grandir.

Parce que ces chaînes sont minuscules

et séparées par des
distances biomoléculaires,

on pourrait agrandir le cerveau

à une taille visible.

La question clé est :

comment mettre ces chaînes
de polymère dans le cerveau

pour faire s'écarter les biomolécules ?

Si on pouvait le faire,

on pourrait cartographier
les bases du cerveau.

On pourrait voir le câblage.

On y regarderait à l'intérieur
pour voir les molécules.

On a conçu des animations
pour mieux expliquer ceci.

Les représentations artistiques
nous permettent de voir

comment seraient les biomolécules
si nous les écartions.

La première étape serait

de lier chaque biomolécule
(ici en marron)

à une petite ancre, une petite anse.

On doit écarter les molécules du
cerveau l'une de l'autre,

et pour le faire, on a besoin
d'une petite anse

qui fasse que les polymères
se lient à elles

et exercent leur force.

Si vous mettez simplement
le polymère sur le cerveau,

ça va seulement s'installer dessus.

Il faudrait plutôt le fabriquer
à l'intérieur même.

Sur ce point, on est chanceux

car on peut prendre les blocs constructifs

appelés « monomères »

et les lâcher dans le cerveau

avant d'induire des réactions chimiques

qui les transformeraient
en ces longues chaînes

à l'intérieur même du tissu cérébral.

Ils vont s'enrouler
autour des biomolécules

et entre celles-ci

pour former des réseaux complexes

qui permettraient, éventuellement,
d'écarter les molécules

l'une de l'autre.

À chaque fois qu'il y
a une petite anse,

le polymère s'y attachera,
et c'est ce dont on a besoin

pour écarter les molécules
les unes des autres.

Nous voici à un moment crucial.

On doit traiter ce spécimen

avec un agent chimique pour
détacher chaque molécule de l'autre,

puis, à l'ajout de l'eau,

le matériel gonflable va
commencer à l'absorber

et les chaînes vont s'écarter,

mais maintenant, les biomolécules
vont les accompagner.

Et tout comme quand
on dessine un ballon

et puis qu'on le gonfle,

l'image reste la même,

mais les particules d'encre
se sont écartées.

Et ce que nous avons pu faire en 3D.

Il y a un dernier truc.

Comme vous le voyez,

on a codé toutes
les biomolécules en marron

parce qu'elles se ressemblent toutes.

Elles sont faites des mêmes atomes,

juste dans des ordres différents.

On a besoin d'un dernier truc

pour les rendre visibles.

On a besoin de petites étiquettes

teintes de couleurs vives
qui les différencient.

Un type de biomolécule aurait
la couleur bleue.

Un autre type aurait la couleur rouge.

Et ainsi de suite.

Ceci est l'étape finale.

On peut maintenant
regarder le cerveau

et voir les molécules individuelles

parce qu'elles ont été assez
écartées l'une de l'autre

pour qu'on les différencie.

L'idée est de rendre visible l'invisible.

On peut prendre des choses
minuscules et obscures

et les agrandir

jusqu'à ce qu'elles deviennent
des constellations d'information.

Voici une vidéo d'à quoi ça
pourrait ressembler.

On a un petit cerveau dans un pétri --

un morceau de cerveau, en fait.

On y a injecté le polymère

et on y ajoute de l'eau.

Vous verrez de vos propres yeux

(cette vidéo est accélérée par soixante)

comment grandit ce petit morceau
de tissu cérébral.

Ça peut augmenter par cent
ou encore plus en volume.

Ce qui est super, c'est que
ces polymères sont si petites

que la séparation des
biomolécules est uniforme.

C'est un élargissement uniforme.

La configuration de l'information
ne se perd pas.

Elle devient simplement
plus facile à voir.

Prenons maintenant un
vrai circuit cérébral,

par exemple la partie
qui s'occupe de la mémoire,

et on peut zoomer dessus.

On peut discerner comment
sont configurés ces circuits.

Peut-être même « lire » une mémoire.

Voir comment ils sont configurés pour

traiter les émotions,

comment le câblage du cerveau
est vraiment organisé

pour nous rendre qui nous sommes.

Nous espérons, bien sûr, identifier

les réels problèmes cérébraux
au niveau moléculaire.

Et si on pouvait regarder
dans les cellules du cerveau

et voir que, disons, 17
molécules ont changé

dans ce tissu cérébral qui
est atteint d'épilepsie

ou de Parkinson ou

a changé d'une autre manière ?

Si on dresse une liste de
tout ce qui va de travers,

on a une liste de nos
cibles thérapeutiques

pour concevoir des médicaments

et pour cibler de l'énergie
sur certaines parties

afin d'aider ceux atteints de
Parkinson ou d'épilepsie

ou d'autres maladies qui touchent plus
d'un milliard de personnes dans le monde.

Ce qui est intéressant est qu'il s'avère

qu'à travers la biomédecine,

l'agrandissement pourrait
résoudre d'autres problèmes.

Voici la biopsie d'une patiente
atteinte d'un cancer du sein.

Si vous regardez les cancers

ainsi que le système immunitaire,

le vieillissement et le développement,

tous ces procédés impliquent des
systèmes biologiques à grande échelle,

mais, bien sûr, le problème commence
à l'échelle des molécules nanométriques,

ces « machines » qui font marcher
les cellules et organes de nos corps.

On essaie de comprendre comment

utiliser cette technologie pour
cartographier les schémas structuraux

de plusieurs maladies.

Pouvons-nous identifier les
changements dans une tumeur

pour pouvoir l'attaquer
de manière intelligente

et fournir les médicaments qui éliminent
précisément les cellules qu'il faut ?

Beaucoup de médicaments
ont un risque très élevé.

C'est souvent de l'approximation.

J'espère transformer quelque
chose à risque très élevé

en quelque chose de plus sûr.

La première mission sur la Lune
avait des bases scientifiques solides.

On comprenait déjà la gravité,

les lois de l'aérodynamisme,

la construction des fusées.

Le risque scientifique
était sous contrôle,

mais c'était quand même un
grand exploit d'ingénierie.

Mais en médecine, on n'a pas
toujours toutes les lois.

Avons-nous des lois qui sont
analogues à celle de la gravité,

à celles de l'aérodynamisme ?

Je dirais qu'avec les technologies

dont je parle aujourd'hui,

on pourrait bien trouver ces lois.

On pourrait cartographier les
profils des systèmes vivants

et trouver des remèdes aux
maladies qui nous affectent.

Mon épouse et moi avons deux enfants.

En tant que bio-ingénieur, je veux
que leur vie soit meilleure

que la nôtre actuellement.

Mon rêve est de transformer
la biologie et la médecine

de ces projets à risque élevé,
gouvernés par la chance et le hasard,

à des domaines où on réussit grâce
à l'effort et aux compétences.

Ce serait une grande avancée.

Merci beaucoup.

(Applaudissements)