Sections

Comment l’imagerie révolutionne la biologie

Comment l’imagerie révolutionne la biologie

19.10.2021, par
Mis à jour le 26.10.2021
Architecture de neurones de souris, révélée grâce à une protéine fluorescente de méduse exprimée artificiellement (microscopie confocale).
À l’occasion du lancement de l’Année de la biologie, le neurobiologiste Daniel Choquet nous explique comment les progrès en imagerie contribuent à l'explosion actuelle des connaissances en sciences du vivant.

Peut-on dire que, grâce aux progrès des technologies d’imagerie, les sciences du vivant sont entrées dans une nouvelle ère ?
Daniel Choquet1. Tout à fait. L'imagerie fait partie du panel de méthodes révolutionnaires qui sont en train de faire exploser les connaissances en biologie. Il y a une phrase du biologiste Sydney Brenner que j’aime citer : « Les progrès de la science dépendent des nouvelles techniques, des nouvelles découvertes et des nouvelles idées, probablement dans cet ordre-là ». Ceci est particulièrement vrai en biologie : voir de nouvelles choses nous permet de nous poser de nouvelles questions. Grâce aux nouvelles technologies d’imagerie, nos capacités d'investigation se sont démultipliées.

Quels sont les jalons de cette révolution de l’imagerie ?
D. C. L’imagerie a une longue histoire puisque les premiers microscopes datent de la fin du XVIe siècle. Mais on peut dater cette nouvelle révolution aux années 1980, avec l’utilisation en biologie des protéines fluorescentes. Celles-ci permettent de marquer des protéines et d’étudier ainsi les mécanismes et les processus à l’œuvre dans les cellules. Un autre jalon est le développement de la microscopie confocale et multiphoton qui permettent d’obtenir des images en trois dimensions d’échantillons de tissus. Un autre grand moment est l’apparition des microscopes à super-résolution à partir de 2006, grâce auxquels on peut obtenir des images d’objets d’une taille au-dessous de 250 nanomètres dans des tissus vivants et en train de fonctionner.

Cerveau vivant de drosophile observé au microscope à deux photons. En rouge, les axones d’une sous-population de neurones des corps pédonculés (marqueur membranaire fluorescent myr-Tomato), situés dans la partie centrale du cerveau, qui font partie du circuit olfactif et sont impliqués dans les processus de mémorisation.
Cerveau vivant de drosophile observé au microscope à deux photons. En rouge, les axones d’une sous-population de neurones des corps pédonculés (marqueur membranaire fluorescent myr-Tomato), situés dans la partie centrale du cerveau, qui font partie du circuit olfactif et sont impliqués dans les processus de mémorisation.

À quels objets et processus ces nouvelles techniques nous donnent-elles accès ?
D. C. Je prends comme exemple mes cellules favorites, les neurones. Le corps cellulaire d’un neurone fait autour de 20 microns. Il est donc à la portée des microscopes conventionnels limités par la diffraction à une résolution d’environ un quart de micron. C’est d’ailleurs à la fin du XIXe siècle que Ramón y Cajal a découvert que le cerveau n’était pas une masse gélatineuse, mais qu’il était composé de cellules individuelles.

La microscopie super-résolution,  permet d’observer non seulement les synapses en action, mais aussi les protéines individuelles à l’origine du signal nerveux.

Quant aux synapses, la connexion entre deux neurones, celles-ci font typiquement un micron. Là, on se rapproche des limites de la microscopie classique. Impossible d’obtenir ainsi une grande précision de mesure ou de décoder leur complexité d’organisation. La microscopie super-résolution, qui atteint une résolution d’un centième de micron, permet d’observer non seulement les synapses en action, mais aussi les protéines individuelles à l’origine du signal nerveux.

Avec ces techniques, on peut étudier leur dynamique lorsque les neurones sont en train de communiquer. Par exemple, mon équipe a montré que les récepteurs synaptiques ne sont pas fixes sur la membrane, mais se déplacent constamment.

De son côté, la microscopie électronique a aussi connu des avancées spectaculaires. Qu’est-ce que cela signifie pour les sciences du vivant ? 
D. C. La microscopie électronique a toujours été importante pour la biologie, puisqu’elle a par exemple permis la première visualisation des virus, bien que le rôle de cette technique ait souvent été sous-estimé. À partir des années 1980 s’est développée la cryo-microscopie électronique. Encore une révolution. En effet, elle permet d’étudier la structure en 3D des protéines avec une résolution de l’ordre de l’atome. De plus, on peut voir les différentes conformations qu’adoptent ces protéines. Ceci permet de comprendre le fonctionnement de ces machines moléculaires lorsqu’elles accomplissent leur tâche.

L'équipe de Daniel Choquet a montré que les récepteurs synaptiques ne sont pas fixes sur la membrane. Ici, visualisation de trajectoires de récepteurs de neurotransmetteurs, suivis par détection de molécule unique à la surface de neurones d’hippocampe de rat en culture.
L'équipe de Daniel Choquet a montré que les récepteurs synaptiques ne sont pas fixes sur la membrane. Ici, visualisation de trajectoires de récepteurs de neurotransmetteurs, suivis par détection de molécule unique à la surface de neurones d’hippocampe de rat en culture.

Un autre développement récent est celui des techniques d’imagerie pour étudier les processus sur des organes entiers, ou des animaux vivants. Qu’est-ce qu’elles vous permettent de faire ?
D. C. C’est là quelque chose de très important et on est, en effet, à l'autre bout du spectre de la cryo-microscopie. Grâce aux techniques de marquage et à la miniaturisation des microscopes, on est capable de faire de l’imagerie chez l'animal entier en train d'agir.

Grâce aux techniques de marquage et à la miniaturisation des microscopes, on est capable de faire de l’imagerie chez l'animal entier en train d'agir.

Par exemple, on peut installer un microscope de quelques grammes sur la tête d'un rat et le laisser interagir avec ses congénères ou se déplacer dans un labyrinthe. Ceci permet de voir quels neurones et quelles régions du cerveau s’activent lors de telle ou telle activité et a déjà permis des découvertes importantes comme le fonctionnement des cellules de place et de lieu – les neurones qui permettent de se rappeler des endroits que l’on a visités et comment y revenir.

Grâce à ces techniques, on voit les cellules s’activer lorsque l’animal explore un nouvel environnement, et lorsqu’on l’y remet quelque temps après.
 
Autrement dit, vous visualisez la mémoire en train de se former.
D. C. Le cerveau en action, exactement. Mais ces recherches sur le cerveau, on peut les faire pour d’autres organes, la rate, le thymus… On peut ainsi étudier des organes atteints de diverses maladies et voir les différences avec un fonctionnement normal. On peut encore coupler ces travaux à des manipulations génétiques sur les animaux.
 
Ainsi, les nouvelles techniques d’imagerie vous donnent accès à toutes les échelles. Comment arrivez-vous à coordonner toute cette information ?
D. C. On entre là dans le défi du futur : comment produire des connaissances à partir d’un continuum de technologies qui nous permet d'aller de l'atome jusqu'à l'Homme, de l'angström jusqu'au mètre ? Le rêve serait de pouvoir décrire un Homme entier à l'échelle moléculaire. On y arrivera peut-être un jour, mais cela reste pour le moment de la science-fiction. Mais ce qu’on commence à pouvoir faire, c’est corréler les différentes échelles d’observation. Prenons par exemple une souris en train d’effectuer une tâche. Je découvre que telle zone du cerveau est active, et que, dans cette zone, tel neurone communique avec ses voisins. Je peux extraire un échantillon de tissu et observer ce neurone par microscopie super-résolution. Je verrai alors quelles synapses sont actives et de quelle façon elles se comportent. Puis, je peux geler ces synapses pour les observer au microscope électronique. Je peux alors étudier la structure 3D des protéines membranaires et voir comment elle a changé au moment de l’activation du neurone. Ainsi, par recouvrement de corrélation à différentes échelles, on peut descendre les échelles et comprendre, par exemple, quel changement de conformation d’une protéine est lié à tel comportement de l’animal.

Cryo-microscopie électronique à transmission appliquée à l'étude des conformations de l'ADN.
Cryo-microscopie électronique à transmission appliquée à l'étude des conformations de l'ADN.

Comment ces nouvelles techniques nous permettent-elles d’aborder des maladies comme Alzheimer ou Parkinson ? 
D. C. Il y a des choses absolument fascinantes qui sont en train de se passer. Il y a en particulier une nouvelle méthode qui conjugue imagerie et transcriptomique, l’étude de l’ensemble des gènes exprimés dans une cellule ou un tissu. Elle permet d’étudier pourquoi certaines personnes sont très impactées par les maladies neurodégénératives tandis que d’autres ne le sont pas. Nous sommes à présent capables d’imager ces différences entre individus sains ou malades et ceci va être déterminant pour développer des thérapies. C’est un pas de plus vers la médecine personnalisée.

Nous sommes encore à l’heure de la pandémie de Covid-19. Est-ce que ces techniques d'imagerie ont quelque chose à apporter à la lutte contre les maladies infectieuses ?
D. C. Totalement. Déjà, c’est grâce au microscope électronique que l’on sait à quoi ressemble ce virus. Si l’on n'avait que sa séquence génétique, on serait à demi aveugles. On ne saurait pas, par exemple, l’importance de la protéine Spike. Or, celle-ci saute aux yeux lorsqu’on voit Spike au bout des spicules du SARS-CoV-2. L’imagerie nous montre aussi les régions de la protéine que les médicaments ou les anticorps neutralisants doivent cibler pour la bloquer. Autre exemple : les recherches sur les symptômes du Covid-19. Pour les étudier, il faut savoir quels sont les tissus infectés et pour cela, l’imagerie est déterminante.

En utilisant des techniques de pointes d’imagerie multiplexée, d’imagerie in vivo et de transcriptomique, l’équipe "Immception" de l’institut Toulousain des maladies infectieuses et inflammatoires étudie la capacité des neurones et des cellules immunitaires à communiquer pour réguler finement la réponse inflammatoire.
En utilisant des techniques de pointes d’imagerie multiplexée, d’imagerie in vivo et de transcriptomique, l’équipe "Immception" de l’institut Toulousain des maladies infectieuses et inflammatoires étudie la capacité des neurones et des cellules immunitaires à communiquer pour réguler finement la réponse inflammatoire.

Supercalculateurs, intelligence artificielle, algorithmes d’apprentissage… Comment la puissance de calcul et d’analyse se combine-t-elle avec l'imagerie pour comprendre le vivant ?
D. C. C'est une explosion en cours. L'intelligence artificielle envahit notre quotidien sans qu'on s'en rende compte, et la biologie n'y échappe pas. Elle devient indispensable lorsqu’on veut étudier de nombreux paramètres sur plusieurs échelles. En effet, la quantité d’information produite dépasse largement les capacités d’appréhension d’un cerveau humain. Sans moyens de calcul, impossible d’analyser ces pétaoctets d’informations. Une application particulièrement utile consiste à éduquer des réseaux de neurones artificiels pour reconnaître des formes saillantes. Ceci est très utilisé en cryo-microscopie car ce sont des milliers d’images qu’il faut analyser pour déterminer la structure tridimensionnelle des protéines.  

Quelle sera, d’après vous, la prochaine révolution technologique pour l’imagerie ? 
D. C. Si je savais, j'aurais déjà investi ! Je pense que les analyses multi-échelle vont se développer. L'imagerie in situ, pour étudier des organes en cours de fonctionnement ,va devenir de plus en plus importante. Ensuite, il y aura des progrès dans l'automatisation, la robotisation, et la miniaturisation des microscopes. On pourrait avoir des microscopes si petits que l'on pourrait les faire entrer dans le corps pour aller regarder in situ certains organes. Ce que j'attends de ces avancées, c'est une meilleure compréhension du vivant et le développement de la médecine personnalisée. Je pense que de nouvelles thérapies adaptées à chaque patrimoine génétique verront le jour. Dans l’étude du cerveau, je pense que l’imagerie nous permettra de déceler les maladies neurodégénératives de manière précoce, et participera au développement de traitements contre des pathologies comme l’autisme. 

Événement
Lancement de l'Année de la biologie, le 19 octobre. Toutes les informations sur 
le site dédié à cette année.

À lire sur notre site
Les nouvelles frontières du vivant
De l'extraordinaire diversité de la vie

Notes
  • 1. Directeur de recherche au CNRS, directeur de l'Institut interdisciplinaire de neurosciences (CNRS/Université de Bordeaux) et du Bordeaux Imaging center (CNRS/Université de Bordeaux, Inserm).

Commentaires

0 commentaire
Pour laisser votre avis sur cet article
Connectez-vous, rejoignez la communauté
du journal CNRS