Une puce intelligente explore les connexions synaptiques avec une précision inégalée

Des chercheurs de Harvard ont cartographié et catalogué plus de 70 000 connexions synaptiques provenant d’environ 2 000 neurones de rats, en utilisant une puce de silicium capable d’enregistrer des signaux synaptiques petits mais révélateurs d’un grand nombre de neurones.

Cette recherche, publiée dans Nature Biomedical Engineering, constitue une avancée majeure dans le domaine de l’enregistrement neuronal et pourrait aider les scientifiques à se rapprocher d’une carte détaillée des connexions synaptiques du cerveau.

On pense que les fonctions cérébrales de haut niveau découlent de la manière dont les cellules cérébrales, ou neurones, sont connectées. Les points de contact entre les neurones sont appelés synapses, et les scientifiques cherchent à dresser des cartes des connexions synaptiques qui indiquent non seulement quels neurones se connectent à quels autres neurones, mais aussi l’intensité de chaque connexion. Bien que la microscopie électronique ait été utilisée avec succès pour établir des cartes visuelles des connexions synaptiques, ces images manquent d’informations sur la force des connexions et donc sur la fonction ultime du réseau neuronal.

En revanche, une électrode de patch-clamp, l’étalon-or de l’enregistrement neuronal, peut pénétrer efficacement à l’intérieur d’un neurone individuel pour enregistrer un faible signal synaptique avec une grande sensibilité, ce qui permet de trouver une connexion synaptique et d’en déterminer la force. Les scientifiques tentent depuis longtemps d’appliquer cet enregistrement intracellulaire à haute sensibilité à un grand nombre de neurones en parallèle, afin de mesurer et de caractériser un grand nombre de signaux synaptiques et de dessiner ainsi une carte annotée avec les forces des connexions. Mais ils sont rarement allés plus loin que l’obtention d’un accès intracellulaire à partir d’une poignée de neurones à la fois.

Les chercheurs, dirigés par Donhee Ham, professeur d’ingénierie et de sciences appliquées John A. et Elizabeth S. Armstrong à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), ont mis au point un réseau de 4 096 électrodes à microtrous sur une puce de silicium, qui a effectué des enregistrements intracellulaires massivement parallèles de neurones de rats cultivés sur la puce. À partir de ces données d’enregistrement sans précédent, qui abondent en signaux synaptiques, ils ont extrait plus de 70 000 connexions synaptiques d’environ 2 000 neurones.

Ces travaux s’appuient sur le dispositif révolutionnaire mis au point par l’équipe en 2020, à savoir un réseau de 4 096 nano-électrodes verticales dépassant d’une puce de silicium de la même conception de circuit intégré. Sur ce dispositif précédent, un neurone pouvait s’enrouler autour d’une aiguille pour permettre l’enregistrement intracellulaire, qui était parallélisé grâce au grand nombre d’électrodes. Dans le meilleur des cas, les chercheurs ont pu extraire environ 300 connexions synaptiques des données d’enregistrement, ce qui est encore bien supérieur à ce que l’enregistrement par patch-clamp peut atteindre.

Avec le principe de base en main, l’équipe pensait pouvoir faire mieux. Les co-auteurs principaux Jun Wang et Woo-Bin Jung du groupe Ham à SEAS ont dirigé la conception et la fabrication du réseau d’électrodes à micro-trous sur la puce de silicium, l’enregistrement électrophysiologique et l’analyse des données.

Ils ont utilisé la puce pour ouvrir doucement les cellules avec de petites injections de courant à travers les électrodes afin de paralléliser leur enregistrement intracellulaire. Selon le chercheur postdoctoral Jun Wang, la conception du microtrou est similaire à celle de l’électrode de patch-clamp, qui est essentiellement une pipette en verre contenant une électrode et munie d’un trou à l’extrémité.

« Non seulement les électrodes à microtrous se couplent mieux à l’intérieur des neurones que les électrodes verticales à nano-aiguilles, mais elles sont aussi beaucoup plus faciles à fabriquer. Cette accessibilité est une autre caractéristique importante de notre travail », a indiqué Jun Wang.

La nouvelle conception a dépassé les attentes de l’équipe. En moyenne, plus de 3 600 électrodes à microtrous sur un total de 4 096 – soit 90 % – étaient couplées de manière intracellulaire aux neurones du dessus. Le nombre de connexions synaptiques que l’équipe a extraites de ces données d’enregistrement intracellulaire sans précédent à l’échelle du réseau a atteint 70 000 connexions synaptiques plausibles, contre environ 300 avec leur précédent réseau d’électrodes à nano-aiguilles. La qualité des données d’enregistrement était également meilleure, ce qui a permis à l’équipe de classer chaque connexion synaptique en fonction de ses caractéristiques et de ses forces.

« L’électronique intégrée dans la puce de silicium joue un rôle tout aussi important que l’électrode à micro-trou, en fournissant des courants doux d’une manière élaborée pour obtenir un accès intracellulaire, et en enregistrant en même temps les signaux intracellulaires », a précisé Woo-Bin Jung, ancien chercheur postdoctoral et aujourd’hui membre du corps enseignant de l’université des sciences et technologies de Pohang en Corée du Sud.

« L’un des plus grands défis, après avoir réussi l’enregistrement intracellulaire massivement parallèle, était de savoir comment analyser l’énorme quantité de données », a ajouté M. Donhee Ham. « Depuis, nous avons parcouru un long chemin pour comprendre les connexions synaptiques à partir de ces données. Nous travaillons actuellement à la mise au point d’un nouveau modèle qui pourrait être déployé dans un cerveau vivant. »

Les coauteurs de l’article sont Rona S. Gertner, du département de chimie et de biologie chimique, et Hongkun Park, professeur de chimie et professeur de physique Mark Hyman Jr. de chimie et de physique.

Source: Harvard Sea