Les rayons X rendent la cartographie cérébrale haute résolution accessible

Miriam Arrell

« Le cerveau est l’un des systèmes biologiques les plus complexes au monde », affirme Adrian Wanner, qui dirige le groupe de recherche en neurobiologie structurale à l’Institut Paul Scherrer PSI. C’est précisément la manière dont les neurones sont interconnectés que son équipe tente de démêler – un domaine connu sous le nom de connectomique. 

Il précise : « Prenons le foie : nous connaissons environ 40 types de cellules. Nous savons comment elles sont agencées. Nous connaissons leurs fonctions. Ce n’est pas le cas pour le cerveau. On pourrait donc se demander, quelle est la différence entre le cerveau et le foie ? Si l’on observe un corps cellulaire dans le cerveau et dans le foie, il n’est pas facile de les distinguer. Ils ont tous deux un noyau, un réticulum endoplasmique – ils possèdent la même machinerie intracellulaire, les mêmes molécules, les mêmes types de protéines. Ce n’est pas là la différence. Ce qui est vraiment différent, c’est la façon dont les cellules cérébrales sont organisées et connectées. »

Parlons chiffres : dans un millimètre cube de tissu cérébral, il y a environ 100 000 neurones, connectés par près de 700 millions de synapses et 4 kilomètres de « câblage ».

C’est la manière dont ces neurones sont connectés entre eux via les synapses qui détermine le fonctionnement du cerveau. Elle est liée à des maladies comme Alzheimer. Pourtant, la complexité de ce câblage en trois dimensions est extraordinairement difficile à étudier. « Si vous prenez un réseau neuronal de 17 neurones, il y a plus de façons de les connecter que d’atomes dans l’univers, indique Wanner. On ne peut donc pas se contenter de le modéliser. Nous devons le mesurer. » 

C’est dans le contexte de cet immense défi qu’une avancée technologique majeure réalisée par Wanner et ses collègues à la Source de Lumière Synchrotron Suisse SLS – en collaboration avec le Francis Crick Institute au Royaume-Uni – prend tout son sens.

Les rayons X scrutent l’ultrastructure

Actuellement, la technique de référence pour ce type d’imagerie est la microscopie électronique en volume. Comme les électrons ne pénètrent que superficiellement, des millimètres cubes de tissu cérébral doivent être découpés en dizaines de milliers de sections ultra-fines. Celles-ci sont ensuite imagées individuellement et reconstruites informatiquement pour cartographier la connectivité 3D des neurones à travers les tranches – un processus très sujet aux erreurs et qui entraîne inévitablement une perte d’information.

Une solution réside dans les rayons X. Ceux-ci peuvent pénétrer sur plusieurs millimètres – voire centimètres – et pourraient donc en principe imager des blocs de tissu cérébral sans sectionnement. 

À la ligne de faisceau de diffusion cohérente des rayons X aux petits angles du SLS, connue sous le nom de cSAXS, des rayons X de haute brillance ont permis d’imager des puces informatiques avec une résolution de seulement 4 nanomètres – un record mondial. « Mais pour les tissus biologiques, le problème est le contraste », explique Ana Diaz, scientifique à cSAXS. « Les puces informatiques sont faites de fils de cuivre qui présentent naturellement un fort contraste avec leur matériau d’encapsulation. Lorsque nous avons les briques de la vie – protéines, lipides, etc. – au sein d’une matrice dominée par l’eau, l’interaction avec les rayons X est très faible et il est plus difficile d’atteindre une haute résolution. »

Pour surmonter ces problèmes de contraste, les scientifiques colorent le tissu cérébral avec des métaux lourds. Cependant, ceux-ci absorbent les rayons X, créant un autre problème : l’échantillon se déforme. Des matériaux d’encapsulation peuvent stabiliser l’échantillon – mais ils présentent les mêmes problèmes, se déformant sous l’effet des rayons X, formant des bulles et détruisant la fine ultrastructure du tissu cérébral. 

Une résine pour l’industrie aérospatiale 

Pour résoudre ce problème, Wanner, Diaz et leurs collègues ont développé une nouvelle approche. L’innovation principale est une résine époxy capable d’infiltrer le tissu biologique tout en offrant une tolérance exceptionnelle aux radiations – un matériau habituellement utilisé dans les industries aérospatiale et nucléaire ainsi que dans les accélérateurs de particules. 

Ils complètent cela avec un support spécialement conçu permettant d’imager les échantillons tout en les refroidissant à –178 degrés Celsius avec de l’azote liquide. Enfin, un algorithme de reconstruction compense les petites déformations qui subsistent.

Avec cette approche, les chercheurs ont pu étudier des morceaux de tissu cérébral de souris jusqu’à 10 microns d’épaisseur, atteignant une résolution de 38 nm en trois dimensions.  « Nous pensons que cela constitue un record de résolution pour l’imagerie par rayons X sur un tissu biologique étendu », déclare Diaz. 

À cette résolution, ils ont pu identifier de manière fiable les synapses et d’autres caractéristiques des neurones et de leurs connexions, comme les axones et les dendrites. « Ce n’est pas une information révolutionnaire sur le cerveau : cela correspond aux meilleurs résultats obtenus avec la microscopie électronique en volume de pointe – l’étalon-or actuel », ajoute Wanner. « Ce qui est passionnant, c’est que cela marque le début de ce qui est à venir. » 

Les rayons X cohérents boostés par la mise à niveau du SLS

Bien qu’un morceau de tissu cérébral de 10 microns d’épaisseur puisse sembler minuscule, il est déjà plusieurs ordres de grandeur plus épais que les lamelles étudiées en microscopie électronique. Actuellement, un facteur limitant la taille de l’échantillon est le temps d’acquisition : collecter suffisamment de données pour reconstruire une image haute résolution peut prendre des jours. Ce goulot d’étranglement est lié aux rayons X.

Les chercheurs utilisent une technique appelée ptychographie – un type d’imagerie qui n’utilise pas de lentilles mais repose sur des rayons X cohérents. « La cohérence est précisément le domaine où nous allons gagner avec la mise à niveau du SLS », souligne Diaz.

Le SLS vient de terminer une mise à niveau complète pour devenir un synchrotron de 4^e génération – le type de synchrotron le plus avancé au monde. Les améliorations technologiques signifient que, sur la ligne de faisceau cSAXS, les expériences de ptychographie bénéficieront d’un flux de rayons X cohérents jusqu’à cent fois plus élevé. 

« Avec cent fois plus de photons X frappant notre échantillon chaque seconde, nous pourrons en principe soit imager l’échantillon cent fois plus vite, soit imager des volumes cent fois plus grands », explique Diaz. « En pratique, nous devrons apprendre à le faire de manière efficace. Mais le potentiel est là. »

La publication coïncide avec une étape importante à la ligne de faisceau : en juillet 2025, les premiers rayons X ont été observés à cSAXS après la mise à niveau. Maintenant que les barrières techniques à l’utilisation de la ptychographie par rayons X pour l’imagerie biologique ont été surmontées, la voie est ouverte pour étudier des échantillons de tissu cérébral beaucoup plus grands en 3D et à haute résolution.

Article : Non-destructive X-ray tomography of brain tissue ultrastructure – Journal : Nature Methods – Méthode : Imaging analysis – DOI : 10.1038/s41592-025-02891-0

Source : PSI