Brainbow : Comment colorier un cerveau

Le docteur en biomédecine Pablo Barrecheguren parle du terme Brainbow, une technique qui permet de distinguer les neurones voisins.

En 1906, le prix Nobel de Médecine a été partagé entre Camilo Golgi et Santiago Ramón y Cajal. En grande partie, il a été attribué à Golgi pour avoir créé un type de coloration qui marquait les neurones et leurs ramifications, mais celle-ci avait le problème qu’étant donné le grand nombre de neurones il était très difficile de voir où commençait et où se terminait chaque neurone.

Cajal a modifié la coloration pour que beaucoup moins de neurones soient distinguables, ce qui a permis de voir individuellement chacune des cellules et de découvrir que dans la communication entre neurones existent des espaces de séparation.

Le Brainbow

Ainsi, depuis les débuts de l’histologie, il a été un problème constant de distinguer les neurones et leurs prolongements dans une coloration.

Et ce n’est pas pour rien, puisque notre cerveau contient plus de 100.000 kilomètres de connexions, mais heureusement en 2007 la première version d’une technique permettant de voir individuellement chacune de ces connexions a été publiée : le Brainbow.

Les concepts du Brainbow

Cette technique se base sur deux concepts très simples :

1. Il est possible de générer des animaux transgéniques qui expriment des protéines fluorescentes de différentes couleurs. Par exemple, il existe la protéine fluorescente verte (GFP, Green fluorencent protein) ou la protéine fluorescente rouge (RFP, Red fluorencent protein).
2. Si chaque cellule d’un tissu animal possède différents types de ces protéines fluorescentes et en diverses quantités, alors chaque cellule aura une couleur différente.

Partant de cette base, on a généré des animaux (initialement on a travaillé avec des souris) qui avaient trois ou quatre protéines fluorescentes différentes qui se mélangeaient grâce à l’activation d’un gène (une recombinase également introduite artificiellement dans le génome), lequel mélange aléatoirement les quantités et les types de protéines fluorescentes dans chaque cellule.

Le résultat de cela est qu’on obtient approximativement 100 combinaisons différentes de couleurs. Ici la clé est que ce changement de couleur est permanent et marque toute la cellule, y compris ses ramifications.

Comme cela se produit dans les neurones du cerveau, cela permet une étude détaillée de ce que l’on appelle le connectome, (l’ensemble des connexions entre neurones) et facilite déjà l’analyse au microscope de l’endroit où se connecte chaque neurone.

Cela dit, il faut un important travail de bioinformatique et de microscopie électronique pour gérer un volume aussi important de connexions.

Mais l’étude du connectome en vaut la peine, car ce sont les connexions qui permettent le passage de l’information entre les corps neuronaux et ce sont elles qui expliquent réellement comment fonctionne le cerveau à chaque fois qu’il exécute une tâche.

Le Brainbow dans d’autres organismes

L’importance du Brainbow est telle qu’il a été importé dans d’autres organismes où la manipulation génétique est possible.

Un exemple est Drosophila melanogaster, la mouche du vinaigre, où il existe une intense recherche en neurosciences tant au niveau fondamental en étudiant le développement cérébral, qu’au niveau biomédical, avec des travaux qui utilisent Drosophila pour des recherches sur la maladie de Parkinson ou la maladie d’Alzheimer.

Et un autre exemple est le Dario rerio ou poisson zèbre, qui grâce au fait qu’il est transparent durant les premières phases de son développement est utilisé pour l’étude de la formation initiale du système nerveux des vertébrés.

De plus, il ne faut pas oublier que bien qu’à l’origine le Brainbow fût une technique développée pour des études neuroscientifiques, il est possible d’adapter cet outil à d’autres types de tissus.

Le Brainbow et la biologie cellulaire

Avec tout cela, le Brainbow est devenu l’un des outils les plus populaires de la biologie cellulaire. Il reste une importante outil dans le l’étude du connectome, qui est sans aucun doute le grand défi neuroscientifique du XXIe siècle.

Mais il peut aussi être utilisé dans d’autres tâches comme par exemple l’étude des lignées cellulaires : une fois la technique activée, le changement de couleur dans les neurones est permanent et, de plus, est héréditaire.

C’est-à-dire que si cette cellule se divise, ses cellules filles conserveront la couleur de leur cellule mère. Cela permet d’étudier avec précision quelles cellules donnent naissance à quels tissus, aidant ainsi à mieux comprendre le domaine des cellules souches neuronales.

Et le Brainbow n’est pas seulement l’une des techniques les plus spectaculaires de la biologie moléculaire, il est aussi l’une des plus polyvalentes.

Bibliographie

• Benjamin Richier and Iris Salecker. Versatile genetic paintbrushes: Brainbow technologies. WIREs Developmental Biology (2015). Volume 4.
• Dawen Cai, Kimberly B. Cohen, Tuanlian Luo, Jeff W. Lichtman, and Joshua R. Sanes. New tools for the brainbow toolbox. Nat Methods (2013). 10(6): 540–547.
• Jean Livet, Tamily A. Weissman, Hyuno Kang, Ryan W. Draft, Ju Lu, Robyn A. Bennis, Joshua R. Sanes & Jeff W. Lichtman. Transgenic strategies for combinatorial expression of fluorescent proteins in thenervous system. Nature (2007). Vol 450.
• Michel A. Hofman. Evolution of the human brain: when bigger is better. Frontiers in Neuroanatomy (2014). Volume 8, Article 15.
• Zoe T. Cook, Nicole L. Brockway, Zachary J. C. Tobias, Joy Pajarla, Isaac S. Boardman, Helen Ippolito, Sylvia Nkombo Nkoula, and Tamily A. Weissman. Combining near-infrared fluorescence with Brainbow to visualize expression of specific genes within a multicolor context. Molecular Biology of the Cell (2019). Volume 30

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