Nouveau dispositif pour étudier la dynamique du pH extracellulaire intrinsèque dans le cerveau

Des chercheurs de l’Université de Tohoku ont développé la première sonde de pH miniature tout-en-un pour des enquêtes en temps réel sur la dynamique du pH extracellulaire intrinsèque dans les structures cérébrales profondes.

Dans notre cerveau, plus de milliards de travailleurs dévoués – des neurones et des cellules gliales – forment des réseaux complexes et efficaces qui communiquent constamment entre eux via des signaux chimiques subtils pour régir notre production comportementale.

La chimie du cerveau est le langage fondamental des cellules cérébrales. Dans nos cerveaux sains, la chimie reste relativement neutre et doit constamment réguler les fluctuations acido-alcalines; sinon, cela peut entraîner des troubles cérébraux chroniques tels que la maladie mentale, le gliome et les convulsions. La corrélation entre les fluctuations du pH cérébral et la signalisation et les fonctions cérébrales permet donc de mieux comprendre l’influence du pH sur le fonctionnement de notre cerveau et ses dysfonctionnements dans un état malade.

Cependant, malgré les progrès techniques récents des enregistrements électriques du cerveau et des technologies de surveillance chimique, des limites subsistent dans la mesure de la signalisation chimique, en particulier le pH des organismes vivants, c’est-à-dire in vivo.

L’équipe de recherche a abordé ces limites en développant un dispositif hybride qui a fusionné deux technologies différentes: un brin de fibres minces avec une intégration transparente des fonctions électriques et optiques et des capteurs chimiques avec des emplacements de mesure définis par la lumière. La combinaison permet une détection spatialement résolue in vivo de la signalisation chimique intrinsèque à l’intérieur du cerveau, en particulier les régions les plus profondes, avec une résolution spatiale, temporelle et chimique élevée.

Nous avons tiré parti du processus d’étirage thermique qui est traditionnellement utilisé dans l’industrie des télécommunications pour fabriquer des fibres qui intègrent de multiples fonctions, telles qu’un guide d’ondes optique, des électrodes et des canaux chimiques. « 

Yuanyuan Guo, professeur adjoint, Institut de recherche frontalière des sciences interdisciplinaires, Université Tohoku

La collaboration avec le professeur Tatsuo Yoshinobu de la Graduate School of Biomedical Engineering a conduit au couplage d’un composant actif – un capteur chimique avec adressabilité de la lumière – à la fibre pour réaliser une sonde de détection chimique hybride tout-en-un pour les détections in vivo de changements chimiques subtils dans le cerveau. Le premier prototype s’est concentré sur les détections de pH.

La sonde a également été testée pour des mesures in vivo grâce au professeur Hajime Mushiake de la Graduate School of Medicine. Il a pu détecter de légères fluctuations de pH en réponse à des crises chez le rat.

« La prochaine étape pour notre équipe est d’améliorer la résolution spatiale, temporelle et chimique au niveau pertinent aux échelles de la dynamique neuronale intrinsèque », a ajouté Guo. « Notre percée technologique fera progresser notre compréhension de base de la chimie du cerveau et de sa corrélation avec les fonctions cérébrales. »