Imagerie calcique
Les neurones jouent un rôle important dans le fonctionnement du cerveau. Ce sont des cellules connectées entre elles qui se transmettent des signaux électriques et chimiques. Il existe plusieurs techniques pour observer leur activité et cet article a pour but d'expliquer l'une d'elles : l'imagerie calcique. Mais avant de rentrer dans le sujet, quelques petits rappels s'imposent.
Le neurone
Commençons par un schéma très simplifié. Le neurone se distingue des autres cellules par ses longs prolongements. L'axone permet au neurone de transmettre un message à un autre neurone éloigné via des connexions synaptiques sur ses dendrites. Le message prend la forme d'un signal électrique le long de l'axone et d'un signal chimique dans les synapses via des neurotransmetteurs.
Pour détecter l'activité d'un neurone, il est possible de mesurer directement le signal électrique, c'est l'électrophysiologie. Une méthode est d'insérer une électrode dans le neurone et de mesurer la tension entre l'intérieur et l'extérieur, c'est-à-dire le potentiel membranaire. On détecte des événements très courts, de l'ordre de la milliseconde qu'on nomme potentiels d'actions. Ils sont le résultat d'une dépolarisation et repolarisation successive du neurone. En général, les potentiels d'action ont lieu par groupe d'une dizaine, qu'on nomme train de potentiel d'action.
Pour faire varier son potentiel, le neurone est équipé de pompes et de canaux ioniques situés sur sa membrane cellulaire. Lors de la dépolarisation, les canaux ioniques s'ouvrent et laissent rentrer des cations comme les ions potassium ($K^+$) et calcium ($Ca^{++}$). Lors de la repolarisation, les canaux ioniques se ferment et les pompes s'activent pour faire sortir les cations. Le détail est un peu plus complexe, mais cette vision schématique explique comment la cellule régule cette tension électrique. Parmi les ions présents, nous nous intéressons ici à la concentration d'ions calcium ($Ca^{++}$) qui constitue ainsi un rapporteur indirect de l'activité du neurone.
Le rapporteur calcique
Maintenant que nous savons que la concentration d'ions calcium est une indication indirecte de l'activité des neurones, il ne reste qu'à la mesurer ! Pour cela, nous utilisons un rapporteur calcique nommé GCaMP. Il est composé d'un assemblage de trois protéines, dont deux d'origine naturelle : GFP que l'on trouve dans les espèces bioluminescentes (certaines méduses par exemple) et calmodulin que l'on trouve dans toutes les cellules ; et une d'origine synthétique : le peptide M13. Le tout peut être codé sur des brins d'ADN et inséré dans le génome des poissons. Des lignées transgéniques ont été développées pour exprimer GCaMP dans tous les neurones, certaines dans le noyau, d'autres dans le cytoplasme.
La calmodulin agit comme un interrupteur sur la GFP. En présence de calcium, la protéine GCaMP devient fluorescente, c'est-à-dire qu'elle absorbe la lumière pour la ré-émettre. En absence de calcium, la protéine n'est pas fluorescente. Ainsi, plus la concentration de calcium est élevée dans la cellule, plus la fluorescence est forte.
Microscopie à fluorescence
Il existe plusieurs types de microscopes à fluorescence mais le principe est toujours le même : une lumière vient exciter le composant fluorescent et un détecteur collecte la lumière émise par celui-ci. Par exemple, la protéine GFP absorbe la lumière bleue et ré-émet une lumière verte, d'où son nom.
Un microscope à fluorescence est donc composé d'une part d'une lumière d'excitation et d'autre part de filtres de détection qui ne laissent passer qu'une petite plage de longueurs d'ondes, afin de ne voir que la fluorescence. On peut ainsi réaliser des images d'échantillons biologiques fluorescents. Si l'on enregistre plusieurs images à la suite, on peut réaliser un film qui montre les variations de fluorescence. Dans le cas de l'imagerie GCaMP, les variations de fluorescence montrent l'activité des neurones.