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24 mars 2021

par Joseph E Harmon, Laboratoire National d’Argonne

Les scientifiques font la découverte cruciale d’une méthode de modulation sans fil des neurones avec des rayons X qui pourrait améliorer la vie des patients atteints de troubles cérébraux La source de rayons X ne nécessite qu’une machine comme celle trouvée dans le cabinet d’un dentiste

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De nombreuses personnes dans le monde souffrent de troubles cérébraux liés au mouvement L’épilepsie en représente plus de 50 millions; tremblement essentiel, 40 millions; et la maladie de Parkinson, 10 millions

Le soulagement de certaines personnes atteintes de troubles cérébraux pourrait un jour être en route sous la forme d’un nouveau traitement inventé par des chercheurs de l’U.S Laboratoire national d’Argonne du Département de l’énergie (DOE) et quatre universités Le traitement est basé sur des percées à la fois dans l’optique et la génétique Il serait applicable non seulement aux troubles cérébraux liés au mouvement, mais également à la dépression et à la douleur chroniques.

Ce nouveau traitement consiste à stimuler les neurones au plus profond du cerveau au moyen de nanoparticules injectées qui s’allument lorsqu’elles sont exposées aux rayons X (nanoscintillateurs) et éliminerait une chirurgie cérébrale invasive actuellement utilisée

« Notre approche non invasive de haute précision pourrait devenir une routine avec l’utilisation d’un petit appareil à rayons X, le type couramment utilisé dans tous les cabinets dentaires », a déclaré Elena Rozhkova, auteur principal et nanoscientifique au Centre d’Argonne pour les matériaux nanométriques. (CNM), une installation utilisateur du DOE Office of Science

La stimulation cérébrale profonde traditionnelle nécessite une procédure neurochirurgicale invasive pour les troubles lorsque la pharmacothérapie conventionnelle n’est pas une option Dans la procédure traditionnelle, approuvée par l’US Food and Drug Administration, les chirurgiens implantent un générateur d’impulsions calibré sous la peau (semblable à un stimulateur cardiaque) Ils le connectent ensuite avec une rallonge isolée à des électrodes insérées dans une zone spécifique du cerveau pour stimuler les neurones environnants et réguler les impulsions anormales.

« Le scientifique hispano-américain José Manuel Rodríguez Delgado a fait la démonstration d’une stimulation cérébrale profonde dans une arène dans les années 1960 », a déclaré Vassiliy Tsytsarev, neurobiologiste de l’Université du Maryland et co-auteur de l’étude « Il a immobilisé un taureau enragé qui se chargeait sur lui en envoyant un signal radio à une électrode implantée. »

Il y a environ 15 ans, des scientifiques ont introduit une technologie révolutionnaire de neuromodulation, «l’optogénétique», qui repose sur la modification génétique de neurones spécifiques du cerveau Ces neurones créent un canal ionique sensible à la lumière dans le cerveau et, par conséquent, se déclenchent en réponse à la lumière laser externe Cette approche nécessite cependant des fils de fibre optique très fins implantés dans le cerveau et souffre de la profondeur de pénétration limitée de la lumière laser à travers les tissus biologiques.

L’approche optogénétique alternative de l’équipe utilise des nanoscintillateurs injectés dans le cerveau, en contournant des électrodes implantables ou des fils à fibre optique Au lieu des lasers, ils remplacent les rayons X en raison de leur plus grande capacité à traverser les barrières tissulaires biologiques

« Les nanoparticules injectées absorbent l’énergie des rayons X et la convertissent en lumière rouge, qui a une profondeur de pénétration nettement plus grande que la lumière bleue », a déclaré Zhaowei Chen, ancien stagiaire postdoctoral CNM

« Ainsi, les nanoparticules servent de source de lumière interne qui permet à notre méthode de fonctionner sans fil ni électrode », a ajouté Rozhkova Étant donné que l’approche de l’équipe peut à la fois stimuler et apaiser de petites zones ciblées, a noté Rozhkova, elle a d’autres applications que les troubles cérébraux. Par exemple, cela pourrait s’appliquer aux problèmes cardiaques et à d’autres muscles endommagés

L’une des clés du succès de l’équipe a été la collaboration entre deux des installations de classe mondiale d’Argonne: CNM et Argonne’s Advanced Photon Source (APS), une installation utilisateur du DOE Office of Science Les travaux de ces installations ont commencé par la synthèse et la caractérisation multi-outils des nanoscintillateurs En particulier, la luminescence optique excitée aux rayons X des échantillons de nanoparticules a été déterminée au niveau d’une ligne APS (20-BM) Les résultats ont montré que les particules étaient extrêmement stables au fil des mois et lors d’une exposition répétée aux rayons X de haute intensité.

Selon Zou Finfrock, un scientifique de la ligne APS 20-BM et de la source de lumière canadienne, «ils ont continué à briller une belle lumière orange-rouge »

Ensuite, Argonne a envoyé des nanoscintillateurs préparés au CNM à l’Université du Maryland pour des tests sur des souris L’équipe de l’Université du Maryland a effectué ces tests pendant deux mois avec une petite machine à rayons X portable Les résultats ont prouvé que la procédure fonctionnait comme prévu Les souris dont le cerveau avait été génétiquement modifié pour réagir à la lumière rouge ont répondu aux impulsions de rayons X avec des ondes cérébrales enregistrées sur un électroencéphalogramme

Enfin, l’équipe de l’Université du Maryland a envoyé les cerveaux des animaux pour une caractérisation à l’aide de la microscopie à fluorescence X réalisée par des scientifiques d’Argonne Cette analyse a été réalisée par Olga Antipova sur la ligne de lumière de la microsonde (2-ID-E) à l’APS et par Zhonghou Cai sur la nanosonde à rayons X durs (26-ID) opérée conjointement par CNM et APS

Cet arrangement multi-instruments a permis de voir de minuscules particules résidant dans l’environnement complexe du tissu cérébral avec une super-résolution de dizaines de nanomètres Il a également permis de visualiser les neurones proches et éloignés du site d’injection à une échelle microscopique Les résultats ont prouvé que les nanoscintillateurs sont chimiquement et biologiquement stables Ils ne s’éloignent pas du site d’injection et ne se dégradent pas

« La préparation des échantillons est extrêmement importante dans ces types d’analyses biologiques », a déclaré Antipova, physicienne à la Division des sciences des rayons X (XSD) de l’APS. Antipova a été aidé par Qiaoling Jin et Xueli Liu, qui ont préparé des coupes cérébrales de seulement quelques micromètres d’épaisseur avec une précision de bijoutier.

« Il existe un intérêt commercial intense pour l’optogénétique pour les applications médicales », a déclaré Rozhkova « Bien que toujours au stade de la validation de principe, nous prévoyons que notre approche sans fil en instance de brevet avec de petites machines à rayons X devrait avoir un bel avenir. »

L’article connexe « Modulation optogénétique sans fil des neurones corticaux activée par des nanoparticules radioluminescentes » est apparu dans ACS Nano

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Brain, Argonne National Laboratory, Neuron

Actualités – États-Unis – Une nouvelle méthode pourrait faire briller «une lumière de guérison» sur le cerveau des personnes souffrant de troubles du mouvement

Source: https://phys.org/news/2021-03-method-brain-movement-disorders.html

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