Le cerveau est sans doute l’une des structures les plus complexes de l’univers connu.
Les progrès continus dans notre compréhension du cerveau et notre capacité à traiter efficacement une multitude de maladies neurologiques reposent sur l’exploration des micro-circuits neuronaux du cerveau avec des détails toujours croissants.
Une classe de méthodes pour étudier les circuits neuronaux est appelée imagerie de tension. Ces techniques nous permettent de voir la tension générée par les neurones de déclenchement de notre cerveau, nous indiquant comment les réseaux de neurones se développent, fonctionnent et changent au fil du temps.
Aujourd’hui, l’imagerie de tension des neurones cultivés est réalisée à l’aide de réseaux denses d’électrodes sur lesquelles les cellules sont cultivées (ou cultivées), ou en appliquant des colorants électroluminescents qui répondent optiquement aux changements de tension à la surface de la cellule.
Mais le niveau de détail que nous pouvons voir en utilisant ces techniques est limité.
Les plus petites électrodes ne peuvent pas distinguer de manière fiable les neurones individuels, environ 20 millionièmes de mètre de diamètre, sans parler du réseau dense de connexions à l’échelle nanométrique qui se forme entre eux, et aucune avancée technologique significative n’a été réalisée dans ce domaine depuis plus de deux décennies.
De plus, chaque électrode nécessite sa propre connexion filaire et son propre amplificateur, ce qui limite considérablement le nombre d’électrodes pouvant être mesurées simultanément.
Une minuscule électrode, huit millionièmes de mètre de diamètre, est utilisée pour injecter localement un nuage de charge électrique dans un liquide placé au sommet de la puce de diamant. La fluorescence du diamant reflète la diffusion de cette charge à travers le liquide en temps réel. Crédit : Auteur fourni
Les colorants peuvent surmonter ces limitations en imaginant la tension sans fil sous forme de lumière, ce qui signifie que l’électronique complexe peut être située loin des cellules d’une caméra.
Le résultat est une haute résolution sur de grandes surfaces, capable de distinguer chaque neurone individuel dans un grand réseau. Mais il y a aussi des limites ici, les réponses en tension des colorants de pointe sont lentes et instables.
Nos récentes recherches publiées dans Photonique de la natureexplore un nouveau type de plate-forme d’imagerie de tension à haute vitesse, haute résolution et évolutive créée dans le but de surmonter ces limitations : un microscope d’imagerie de tension en diamant.
Développé par une équipe de physiciens de l’Université de Melbourne et de l’Université RMIT, l’appareil utilise un capteur à base de diamant qui convertit les signaux de tension à sa surface directement en signaux optiques, ce qui signifie que nous pouvons voir l’activité électrique en temps réel.
La conversion utilise les propriétés d’un défaut à l’échelle atomique dans la structure cristalline du diamant connu sous le nom de lacune d’azote (NV).
Les défauts NV peuvent être créés en bombardant le diamant avec un faisceau d’ions d’azote à l’aide d’un type spécial d’accélérateur de particules. La fabrication du capteur commence par l’utilisation de ce processus pour créer une couche ultra-mince de haute densité de défauts NV près de la surface du diamant.
Vous pouvez considérer chaque défaut NV comme un seau pouvant contenir jusqu’à deux électrons. Lorsque ce seau est vide, le défaut NV est sombre. Avec un électron, le défaut NV émet une lumière orange lorsqu’il est éclairé par un laser – cette propriété est connue sous le nom de fluorescence. Avec deux électrons, la couleur de la fluorescence devient rouge.
Comme la tension dans une solution conductrice varie uniformément, la luminosité de la lumière émise par la puce de diamant suit avec une réponse quasi instantanée. Ici, la surface du diamant a été structurée en un réseau de nanopiliers pour augmenter le signal lumineux détecté. Crédit : Auteur fourni
UN propriété précédemment découverte des défauts NV est que le nombre d’électrons qu’ils contiennent – et la fluorescence qui en résulte – peut être contrôlé avec une tension. Contrairement aux colorants, la réponse en tension d’un défaut NV est très rapide et stable.
Notre recherche vise à relever le défi de rendre cet effet suffisamment sensible à l’activité neuronale d’image.
À la surface du diamant, la structure cristalline se termine par une couche d’un atome d’épaisseur, composée d’atomes d’hydrogène et d’oxygène. Les défauts NV les plus proches de la surface sont les plus sensibles aux changements de tension à l’extérieur du diamant, mais ils sont également très sensibles à la composition atomique de la couche de surface.
Trop d’hydrogène et les NV sont si sombres que les signaux optiques que nous recherchons ne peuvent pas être vus. Trop peu d’hydrogène et les NV sont si brillants que les petits signaux que nous recherchons sont complètement effacés.
Donc, il y a une « zone Boucle d’or » pour l’imagerie de tension, où la surface a juste la bonne quantité d’hydrogène.
Pour atteindre cette zone, notre équipe a mis au point une méthode électrochimique permettant d’éliminer l’hydrogène de manière contrôlée. En faisant cela, nous avons réussi à atteindre des sensibilités de tension de deux ordres de grandeur meilleures que ce qui avait été rapporté précédemment.
Nous avons testé notre capteur dans de l’eau salée à l’aide d’un fil microscopique 10 fois plus fin qu’un cheveu humain. En appliquant un courant, le fil peut produire un petit nuage de charge dans l’eau au-dessus du diamant. La formation et la diffusion subséquente de ce nuage de charge produit de petites tensions à la surface du diamant.
En capturant ces tensions grâce à un enregistrement à grande vitesse de la fluorescence NV, nous pouvons déterminer la vitesse, la sensibilité et la résolution de notre puce d’imagerie en diamant.
Nous avons pu encore augmenter la sensibilité en modelant la surface du diamant en « nanopiliers », des structures coniques avec les centres NV intégrés dans leurs pointes. Ces piliers canalisent la lumière émise par les NV vers la caméra, augmentant considérablement la quantité de signal que nous pouvons collecter.
Avec le développement du microscope d’imagerie de tension de diamant pour détecter l’activité neuronale, la prochaine étape est l’enregistrement de l’activité des neurones cultivés in vitro – ce sont des expériences sur des cellules cultivées en dehors de leur contexte biologique normal, autrement connu sous le nom de tube à essai ou boîte de Pétri expériences.
Ce qui différencie cette technologie des techniques in vitro de pointe existantes, c’est la combinaison d’une résolution spatiale élevée (de l’ordre du millionième de mètre ou moins), d’une grande échelle spatiale (quelques millimètres dans chaque direction, ce qui, pour un réseau de neurones chez les mammifères est assez vaste), et une stabilité totale dans le temps.
Aucun autre système existant ne peut offrir simultanément ces trois qualités, et c’est cette combinaison qui permettra à notre technologie made in Melbourne d’apporter une contribution précieuse au travail des neuroscientifiques et des neuropharmacologues du monde entier.
Notre système aidera ces chercheurs à poursuivre à la fois les connaissances fondamentales et la prochaine génération de traitements pour les maladies neurologiques et neurodégénératives.
DJ McCloskey et al, Un microscope d’imagerie de tension de diamant, Photonique de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41566-022-01064-1