Imagerie super-résolution révélant les dynamiques morphologiques neuronales dans le cerveau de la souris : observations dynamiques chez des animaux éveillés à tête fixée

Introduction

Dans le domaine des neurosciences, les changements morphologiques et les dynamiques fonctionnelles des neurones sont essentiels pour comprendre le traitement de l’information dans le cerveau ainsi que la plasticité des réseaux neuronaux. Cependant, bien que les structures telles que les épines dendritiques, les boutons axonaux et les connexions synaptiques jouent un rôle majeur dans l’apprentissage et l’adaptation comportementale des animaux, l’observation dynamique de ces structures dans des conditions in vivo reste un défi de taille. En raison des limites de résolution et de vitesse d’acquisition des méthodes traditionnelles de microscopie optique, de nombreuses études sur les microstructures neuronales demeurent confinées aux tissus fixés ou aux cellules en culture, ce qui limite notre compréhension des relations entre les changements plastiques et les états comportementaux ou physiologiques naturels.

Ces dernières années, l’introduction des techniques de microscopie super-résolution (SRM) a permis de dépasser la limite imposée par la diffraction classique de la lumière, rapprochant ainsi l’étude des structures neurales ultrafines de l’observation des comportements dynamiques in vivo. Cependant, la SRM reste difficile à appliquer chez les animaux éveillés, à cause des artefacts de mouvement et des contraintes de vitesse d’acquisition. Certaines études ont tenté de contourner ce problème en anesthésiant les animaux et en utilisant des techniques comme la microscopie STED (stimulated emission depletion) pour observer des cerveaux de souris anesthésiées. Cependant, l’état anesthésié modifie les fonctions physiologiques normales des circuits neuronaux, limitant ainsi la possibilité de comprendre les dynamiques neuronales dans des conditions comportementales naturelles.

C’est dans ce contexte que l’équipe de recherche dirigée par Yujie Zhang a développé une nouvelle technique, appelée microscopie à illumination structurée multiplexée et à balayage linéaire (multiplexed, line-scanning structured illumination microscopy, MLS-SIM), pour résoudre ces défis. Cette technologie innovante ouvre de nouvelles perspectives pour l’application des techniques de super-résolution dans l’étude des animaux éveillés avec tête fixée.

---

Source de l’article

Cet article de recherche, intitulé « Super-resolution imaging of fast morphological dynamics of neurons in behaving animals », a été rédigé par Yujie Zhang, Lu Bai, Kai Wang et al., affiliés à l’Académie chinoise des sciences (Centre d’excellence en sciences du cerveau et en intelligence technologique) et à l’Université de technologie de ShanghaiTech. L’article a été publié dans la revue Nature Methods (doi : https://doi.org/10.1038/s41592-024-02535-9) dans le volume 22 de janvier 2025.

---

Méthodologie et déroulement de l’étude

Objectifs de l’étude et conception expérimentale

L’équipe de recherche avait pour objectif principal de concevoir et de valider une méthode permettant une imagerie super-résolution longitudinale chez des animaux éveillés, et d’utiliser cette technologie pour examiner les dynamiques des épines dendritiques et des boutons axonaux. L’étude se divise en trois parties : le développement technologique, la caractérisation de la résolution et les applications multidimensionnelles.

1. Développement de la technologie MLS-SIM
   La MLS-SIM combine les avantages de la microscopie classique à illumination structurée (structured illumination microscopy, SIM) tout en introduisant plusieurs innovations. Cette technologie utilise deux modes uniques d’illumination linéaire pour améliorer la résolution dans des directions spécifiques, tout en réalisant un rejet du bruit de fond et une acquisition rapide. Afin de traiter les données acquises, les auteurs ont conçu un nouvel algorithme de reconstruction permettant de convertir les données brutes en images super-résolues.

2. Caractérisation de la résolution et de la tolérance au mouvement
   Les chercheurs ont utilisé des cellules Purkinje marquées par la protéine fluorescente EGFP (enhanced green fluorescent protein) dans des modèles animaux tels que le poisson-zèbre et la souris, pour mesurer la résolution latérale (~150 nm) et axiale (~450 nm) de la MLS-SIM. Ils ont également testé la capacité de la technique à tolérer des artefacts de mouvement allant jusqu’à 100 µm/s.

3. Applications chez la souris éveillée à tête fixée
   Pour démontrer la pertinence de leur technique, les auteurs ont effectué une imagerie du cerveau de souris éveillées au cours des cycles sommeil-éveil, en étudiant les dynamiques morphologiques des épines dendritiques et des boutons axonaux. En outre, grâce à l’imagerie bi-couleurs, ils ont analysé les distributions de la protéine PSD-95, un marqueur de la maturation synaptique, et sa corrélation avec les structures synaptiques.

Reconstruction des données et innovations algorithmiques

La reconstruction des images MLS-SIM repose sur un algorithme de déconvolution multiniveau spécialement conçu pour optimiser les fonctions de diffusion ponctuelle (PSF) sous différents modes d’illumination. Les données brutes 2D sont regroupées en fonction de leurs PSF, reconstruites en couches, puis fusionnées pour obtenir une image en super-résolution. Comparée aux méthodes existantes, la MLS-SIM réduit considérablement le nombre de cycles d’acquisition nécessaires, augmentant ainsi sa robustesse face aux mouvements.

---

Résultats et analyses

1. Résolution et tolérance au mouvement

   • En conditions statiques, la résolution latérale de la MLS-SIM est mesurée à 120-150 nm, comparable aux méthodes SIM existantes.
     
   • Sous des conditions de mouvement simulées (50 µm/s), la résolution reste à 100 nm. Même à une vitesse de 100 µm/s, la résolution reste préservée pour les directions perpendiculaires au mouvement.

2. Observation des dynamiques morphologiques neuronales

   • Épines dendritiques : Des séquences d’imagerie de 20 minutes ont montré que 62 % des épines dendritiques généraient des protubérances dynamiques appelées spinules. Ces spinules, mesurant environ 1 µm et généralement transitoires, explorent des distances corrélées à leur durée de vie.
     
   • Boutons axonaux : L’imagerie des boutons axonaux excitateurs révèle que 47 % d’entre eux possèdent de petites protubérances dynamiques similaires aux spinules, certaines fluctuantes sur des échelles de temps de l’ordre de la seconde.

3. Imagerie duale de PSD-95

   • Les domaines PSD-95 présentent une morphologie diversifiée (points simples, lignes complexes) et se localisent préférentiellement dans les têtes des épines ou au niveau des dépôts dendritiques. Plus de 75 % des clusters PSD-95 sont spatialement associés à de petites protubérances actives, reflétant leur rôle probable dans la formation des synapses.

4. Dynamiques pendant les cycles sommeil-éveil

   • En combinant l’électro-encéphalogramme (EEG) et l’électromyogramme (EMG), les chercheurs ont capturé les changements morphologiques des dendrites et des boutons au cours des états REM et non-REM. Bien que les changements d’aire des épines soient insignifiants entre les phases de sommeil et d’éveil, une augmentation transitoire des spinules a été observée pendant le sommeil.

---

Conclusion et implications

1. Signification scientifique :
   La MLS-SIM permet une imagerie super-résolution des neurones dans des conditions naturelles, offrant un aperçu des mécanismes de plasticité neuronale à l’échelle nanométrique.

2. Valeur technologique :
   Les limitations des techniques super-résolution face aux artefacts de mouvement sont surmontées par le design optique et algorithmique unique de la MLS-SIM.

3. Découvertes inédites :
   La distribution dynamique des spinules, leur interaction avec PSD-95, et leur rôle potentiel dans la maturation synaptique ont été directement observés dans des conditions in vivo.

4. Applications futures :
   La MLS-SIM peut avoir de nombreuses applications dans les études de dynamiques cellulaires, au-delà des neurosciences, comme l’imagerie des organes en mouvement (cœur, poumons), ouvrant ainsi la voie à de nouvelles avancées dans la recherche biomédicale.

---

Résumé

Cette étude représente une avancée majeure en combinant imagerie super-résolution, neurosciences comportementales, et approches biologiques dynamiques. La MLS-SIM est un outil prometteur pour explorer les dynamiques neuronales et leurs corrélations avec les mécanismes cognitifs et comportementaux.