Les chercheurs ont conçu une configuration unique en son genre pour délivrer des stimuli visuels complexes dans un scanner IRM de rongeur afin de comprendre la plasticité adulte dans les voies visuelles du cerveau. Crédit : Hedi Young
Pourquoi la plasticité des adultes est importante
De la même manière que les tout-petits apprennent rapidement les langues au cours de leurs années de formation, notre système visuel connaît également sa propre « période critique » au cours des premières années de la vie, marquée par un développement rapide. Au-delà de cette phase, la capacité d’adaptation diminue, conformément au dicton : « On ne peut pas apprendre de nouveaux tours à un vieux chien ».
En effet, de nombreux traitements visant à restaurer la vision, comme ceux traitant de la cataracte congénitale ou de « l’œil paresseux », ne sont efficaces qu’avant l’âge de 7 ans. Avec l’avènement de diverses techniques établies et émergentes pour restaurer la vision chez l’adulte, notamment la thérapie génique, les thérapies bioniques yeux et interventions chirurgicales, il est essentiel de comprendre si le cerveau adulte peut même traiter de nouveaux signaux visuels.
« Si le cerveau adulte manque d’une telle plasticité ou d’une telle adaptabilité », note Noam Shemesh, l’auteur principal de l’étude, « les traitements ciblant les yeux peuvent s’avérer inutiles si le cerveau est incapable d’interpréter les informations entrantes. Il est intéressant de noter qu’il existe des exemples dans la nature, comme les oiseaux qui recâblent leur cerveau de façon saisonnière ou les humains qui connaissent une brève fenêtre de plasticité après un accident vasculaire cérébral, qui montrent que l’adaptation chez les adultes est possible dans certaines circonstances.
La question centrale de l’étude était donc de déterminer si le cerveau des mammifères adultes possède toujours la capacité de réorganiser son chemin visuel et de changer même après la période critique de développement.
Nouveauté scientifique et technique
À l’aide d’une avancée technique, les chercheurs ont découvert que lorsque les rongeurs maintenus dans l’obscurité depuis leur naissance étaient exposés à la lumière pour la première fois à l’âge adulte – longtemps après la période critique – leur cerveau subissait une réorganisation et une adaptation significatives, démontrant un remarquable degré de plasticité. Ces résultats fournissent non seulement la preuve que le cerveau adulte reste très plastique, remettant en question les croyances antérieures sur la rigidité du cerveau adulte, mais ouvrent également de nouvelles voies pour les traitements de réadaptation visuelle.
Comme le souligne Noam Shemesh, le cheminement vers ces révélations a été semé d’embûches techniques. « Joana Carvalho, notre chercheuse principale, a été confrontée à de nombreux défis et même aux doutes de la part de certains des plus grands laboratoires mondiaux qui pensaient que son projet était impossible. Mais la persévérance de Joana a payé. Sans sa détermination et sa créativité, nous n’aurions jamais atteint ce point. J’en donne vraiment le mérite à Joana.
Carvalho a dû surmonter la difficulté sans précédent d’installer un écran dans l’espace restreint d’un scanner IRM pour rongeurs pour y projeter des images. « En raison des limitations d’espace et des contraintes matérielles dues au champ magnétique ultra-élevé », note Carvalho, « les études précédentes sur les rongeurs n’ont montré que des éclairs de lumière. Notre méthode nous permet d’extraire des informations plus détaillées par rapport à de simples stimuli visuels clignotants.
L’expérience
Avec leur nouvelle IRM fonctionnelle (IRMf), l’équipe a présenté des stimuli complexes et structurés aux animaux et a cartographié de manière non invasive des propriétés à l’échelle du cerveau auparavant accessibles uniquement par des techniques invasives. « Au départ, explique Carvalho, le défi consistait à projeter des images dans un espace confiné et criblé d’obstacles, afin de garantir que la souris puisse les visualiser sans entrave. Le champ magnétique extrêmement élevé de l’IRM, capable de soulever un train, constituait un autre obstacle de taille. Nous avons dû contourner ces contraintes, en utilisant des miroirs et du matériel spécialisé, pour amener les images là où elles devaient être. Il a été utile que les rats soient sous sédation, réduisant ainsi au minimum leurs mouvements oculaires spontanés et autres mouvements.
Après avoir surmonté ces défis, les chercheurs ont entrepris d’explorer l’adaptabilité du cerveau adulte aux signaux visuels. Ils ont utilisé un modèle dans lequel les rongeurs naissent et sont élevés dans l’obscurité jusqu’à l’âge adulte, bien après la période critique de plasticité. Par conséquent, le cerveau de ces animaux n’avait pas encore subi les processus clés nécessaires à la spécialisation visuelle.
Les animaux ont ensuite été exposés pour la première fois à la lumière à l’intérieur du scanner IRM. Cela a permis aux chercheurs non seulement d’observer la réponse du cerveau à sa première rencontre avec des stimuli visuels, mais également d’étudier comment il pourrait s’adapter à cette exposition retardée, produisant ainsi deux informations essentielles.
Premièrement, lorsque les animaux ont été exposés à la lumière pour la première fois lors de l’IRM initiale, leur cerveau n’a montré aucune réponse organisée aux informations visuelles. Au lieu de cela, leurs cellules nerveuses réparties dans différentes zones réagissaient à un large éventail de détails visuels, allant du plus fin au plus grossier. De plus, la taille du champ récepteur des neurones – la zone spécifique du champ visuel à laquelle ils répondent – était également plus grande chez les rats malvoyants que dans le groupe témoin. Ensemble, ces résultats suggèrent que la voie visuelle chez les rats privés de lumière manquait de spécialisation.
Deuxièmement, après exposition à la lumière, le cerveau des animaux a commencé à changer. Même en une semaine, les réponses visuelles sont devenues plus organisées, de sorte que les neurones voisins ont commencé à répondre aux positions proches dans le champ visuel et que les cellules ont commencé à réagir davantage à des caractéristiques visuelles spécifiques. Les champs récepteurs des neurones sont également devenus plus petits et plus sélectifs spatialement. Après un mois, le cerveau des animaux ressemblait beaucoup à celui des témoins sains.
« Étonnamment », explique Shemesh, « en moins d’un mois, la structure et la fonction du système visuel chez les animaux malvoyants sont devenues similaires à celles des témoins. Si la plasticité a été observée chez l’homme, son interprétation reste très difficile. Ce que nous observons ici chez les rongeurs, qui offrent un aperçu des mécanismes cérébraux inaccessibles dans les études humaines, est un phénomène qui n’a jamais été observé auparavant : une plasticité à grande échelle dans le cerveau adulte à travers l’ensemble du chemin visuel, et pas seulement localisée à un cerveau spécifique. zone comme indiqué dans les articles précédents.
Des études antérieures avaient utilisé l’électrophysiologie et l’imagerie calcique, qui se concentrent sur des régions cérébrales isolées et ne disposent pas d’une vue complète de l’ensemble de la voie. Ces méthodes – tout en fournissant des lectures directes de l’activité neuronale – sont invasives, introduisant potentiellement des confusions, et la difficulté de surveiller les mêmes cellules à différents moments avec ces techniques peut conduire à détecter des changements sans rapport avec la plasticité réelle.
Bien qu’elle manque de spécificité cellulaire et reflète indirectement l’activité neuronale, l’IRMf facilite la mesure longitudinale et non invasive de zones visuelles entières simultanément avec une très haute résolution.
« En conséquence, l’une des choses fascinantes que nous avons pu remarquer », révèle Carvalho, « c’est qu’une partie de la voie visuelle appelée colliculus supérieur semblait prendre plus de temps à s’adapter chez les animaux malvoyants que dans d’autres zones, comme le cortex. C’est quelque chose que nous aimerions approfondir davantage. Ceci met également en valeur l’importance d’une vue intégrative de l’ensemble du système chez le même animal sur plusieurs points dans le temps.
Implications cliniques potentielles et perspectives d’avenir
« Nous sommes maintenant en mesure de commencer à explorer si nous pouvons prédire quels animaux pourraient avoir une vision améliorée ou détériorée sur la base des réponses IRM de leur système visuel », remarque Shemesh. « Chez les animaux malvoyants, nous aimerions déterminer lesquels bénéficieront le plus de certaines interventions thérapeutiques. Actuellement, il est difficile pour les médecins de déterminer à partir d’une IRM si le cerveau d’un patient répondra à un traitement particulier, ce qui entraînerait des souffrances inutiles et une perte de temps. Grâce à l’imagerie préclinique, nous pouvons commencer à tracer les réponses au traitement chez le rat, ce qui pourrait non seulement approfondir notre compréhension des effets du traitement, mais également accélérer le rythme de développement du traitement chez l’homme, ainsi que guider les cliniciens sur les analyses nécessaires pour leurs patients.
De plus, les techniques de cette étude sont extensibles à d’autres modèles de maladies animales, notamment la maladie de Parkinson, également étudiée au laboratoire Shemesh. Comme il existe des problèmes visuels précoces et subtils dans la maladie de Parkinson, la méthode pourrait être appliquée pour suivre les différences dans les réponses du système visuel au fil du temps, révélant éventuellement de nouvelles informations sur la progression de la maladie et les options de traitement dans des modèles animaux.
Shemesh ajoute : « Dans le cadre préclinique, cette technique pourrait aider à identifier le moment optimal pour les procédures de restauration visuelle et de rééducation, améliorant ainsi l’efficacité des traitements comme la transplantation de cellules souches rétiniennes. »
Pendant ce temps, l’équipe continue d’avancer. Carvalho souhaite explorer les mécanismes neuronaux qui déterminent l’adaptation du système visuel chez les rats privés de lumière, en se concentrant en particulier sur les équilibres excitateurs-inhibiteurs et le rôle des connexions à longue portée.
Shemesh a l’intention de s’appuyer sur les innovations de Carvalho pour mener des expériences sur des rats éveillés et non sédatifs, ce qui nécessitera de surmonter d’autres défis, tels qu’un entraînement prolongé pour acclimater les animaux aux bruits des scanners et maintenir un regard fixe pour éviter les distorsions induites par les mouvements oculaires. L’acquisition par la Fondation Champalimaud d’un scanner IRM de 18 Tesla, le scanner horizontal le plus puissant au monde, facilitera sans aucun doute leurs efforts pour comprendre et améliorer la plasticité chez l’homme adulte, et peut-être un jour, même chez le chien âgé.
