Les ingénieurs du MIT ont mis au point une technologie permettant d’étudier l’interaction entre le cerveau et le système digestif en utilisant des fibres dotées de capteurs et de sources lumineuses pour la stimulation optogénétique. La technologie a été démontrée sur des souris, où la manipulation des cellules de l’intestin a entraîné des sensations de satiété ou un comportement de recherche de récompense. Cela ouvre de nouvelles possibilités pour explorer le lien entre la santé digestive et les maladies neurologiques telles que l’autisme et la maladie de Parkinson.
Sommaire
Démêler les liens entre le cerveau et l’intestin
Des ingénieurs du MIT ont mis au point une nouvelle technologie optogénétique capable de manipuler les connexions neurologiques entre le cerveau et l’intestin, ce qui pourrait permettre de mieux comprendre les liens entre la santé digestive et les troubles neurologiques.
Le cerveau et le tube digestif sont en communication constante, relayant des signaux qui aident à contrôler l’alimentation et d’autres comportements. Ce vaste réseau de communication influence également notre état mental et a été impliqué dans de nombreux troubles neurologiques.
Les ingénieurs du MIT ont conçu une nouvelle technologie pour sonder ces connexions. En utilisant des fibres dotées de divers capteurs, ainsi que des sources lumineuses pour la stimulation optogénétique, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient contrôler les circuits neuronaux reliant l’intestin et le cerveau, chez la souris.
Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont démontré qu’ils pouvaient induire des sentiments de satiété ou un comportement de recherche de récompense chez les souris en manipulant les cellules de l’intestin. Dans leurs travaux futurs, ils espèrent explorer certaines des corrélations qui ont été observées entre la santé digestive et des maladies neurologiques telles que l’autisme et la maladie de Parkinson.
Ces fibres souples, dotées de capteurs et de sources lumineuses, peuvent être utilisées pour manipuler et surveiller les connexions entre le cerveau et le tube digestif. Crédit : avec l’aimable autorisation des chercheurs
« Ce qui est passionnant, c’est que nous disposons désormais d’une technologie capable de piloter la fonction intestinale et des comportements tels que l’alimentation. Plus important encore, nous avons la possibilité de commencer à accéder à la diaphonie entre l’intestin et le cerveau avec la précision de la milliseconde de l’optogénétique, et nous pouvons le faire sur des animaux qui se comportent bien », explique Polina Anikeeva, titulaire de la chaire Matoula S. Salapatas en science et ingénierie des matériaux, professeur de sciences du cerveau et de sciences cognitives, directrice du K. Lisa Yang Brain-Body Center, directrice associée du laboratoire de recherche en électronique du MIT et membre du McGovern Institute for Brain Research du MIT.
Anikeeva est l’auteur principal de cette nouvelle étude, publiée le 22 juin dans la revue Nature Biotechnology. Les auteurs principaux de l’article sont Atharva Sahasrabudhe, étudiant diplômé du MIT, Laura Rupprecht, postdoc de l’Université Duke, Sirma Orguc, postdoc du MIT, et Tural Khudiyev, ancien postdoc du MIT.
Le lien entre le cerveau et le corps
L’année dernière, l’Institut McGovern a lancé le K. Lisa Yang Brain-Body Center pour étudier l’interaction entre le cerveau et les autres organes du corps. La recherche au sein du centre se concentre sur la manière dont ces interactions contribuent à façonner le comportement et la santé en général, dans le but de développer de futures thérapies pour une variété de maladies.
« Il existe une diaphonie continue et bidirectionnelle entre le corps et le cerveau », explique Mme Anikeeva. « Pendant longtemps, nous avons pensé que le cerveau était un tyran qui envoyait des signaux aux organes et contrôlait tout. Mais aujourd’hui, nous savons qu’il y a beaucoup de rétroaction vers le cerveau, et que cette rétroaction peut potentiellement contrôler certaines des fonctions que nous attribuions auparavant exclusivement au contrôle neuronal central ».
Laura Rupprecht, postdoc de l’université Duke, Atharva Sahasrabudhe, étudiant diplômé du MIT, et Sirma Orguc, postdoc du MIT, au laboratoire. Crédit : avec l’aimable autorisation des chercheurs
Dans le cadre des travaux du centre, Anikeeva a entrepris d’étudier les signaux qui passent entre le cerveau et le système nerveux de l’intestin, également appelé système nerveux entérique. Les cellules sensorielles de l’intestin influencent la faim et la satiété par le biais de la communication neuronale et de la libération d’hormones.
Il a été difficile de démêler ces effets hormonaux et neuronaux parce qu’il n’existait pas de bon moyen de mesurer rapidement les signaux neuronaux, qui se produisent en quelques millisecondes.
« Pour pouvoir réaliser l’optogénétique de l’intestin et mesurer ensuite les effets sur les fonctions cérébrales et le comportement, ce qui exige une précision de l’ordre de la milliseconde, nous avions besoin d’un appareil qui n’existait pas. Nous avons donc décidé de le fabriquer », explique Sahasrabudhe, qui a dirigé le développement des sondes intestinales et cérébrales.
L’interface électronique conçue par les chercheurs est constituée de fibres souples qui peuvent remplir diverses fonctions et être insérées dans les organes concernés. Pour créer les fibres, Sahasrabudhe a utilisé une technique appelée étirement thermique, qui lui a permis de créer des filaments de polymère, aussi fins qu’un cheveu humain, qui peuvent être dotés d’électrodes et de capteurs de température.
Les filaments portent également des dispositifs microscopiques émetteurs de lumière qui peuvent être utilisés pour stimuler les cellules par optogénétique, et des canaux microfluidiques qui peuvent être utilisés pour délivrer des médicaments.
Les propriétés mécaniques des fibres peuvent être adaptées à différentes parties du corps. Pour le cerveau, les chercheurs ont créé des fibres plus rigides qui peuvent être enfilées profondément dans le cerveau. Pour les organes digestifs tels que l’intestin, ils ont conçu des fibres caoutchouteuses plus délicates qui n’endommagent pas la paroi des organes, mais qui sont suffisamment robustes pour résister à l’environnement difficile du tube digestif.
« Pour étudier l’interaction entre le cerveau et le corps, il est nécessaire de développer des technologies capables de s’interfacer avec les organes concernés et le cerveau en même temps, tout en enregistrant des signaux physiologiques avec un rapport signal/bruit élevé », explique M. Sahasrabudhe. « Nous devons également être en mesure de stimuler sélectivement différents types de cellules dans les deux organes chez la souris afin de pouvoir tester leurs comportements et effectuer des analyses causales de ces circuits. »
Les fibres sont également conçues de manière à pouvoir être commandées sans fil, à l’aide d’un circuit de commande externe qui peut être temporairement fixé à l’animal au cours d’une expérience. Ce circuit de commande sans fil a été mis au point par Orguc, Schmidt Science Fellow, et Harrison Allen ’20, MEng ’22, qui ont été conseillés conjointement par le laboratoire d’Anikeeva et le laboratoire d’Anantha Chandrakasan, doyen de l’école d’ingénierie du MIT et professeur d’ingénierie électrique et d’informatique de Vannevar Bush.
Comportement au volant
À l’aide de cette interface, les chercheurs ont réalisé une série d’expériences pour montrer qu’ils pouvaient influencer le comportement en manipulant l’intestin et le cerveau.
Tout d’abord, ils ont utilisé les fibres pour délivrer une stimulation optogénétique à une partie du cerveau appelée aire tegmentale ventrale (ATV), qui libère de la dopamine. Ils ont placé des souris dans une cage comportant trois chambres, et lorsque les souris entraient dans une chambre particulière, les chercheurs activaient les neurones dopaminergiques. La poussée de dopamine qui en a résulté a incité les souris à retourner dans cette chambre à la recherche de la récompense dopaminergique.
Les chercheurs ont ensuite essayé de voir s’ils pouvaient également induire ce comportement de recherche de récompense en influençant l’intestin. Pour ce faire, ils ont utilisé des fibres dans l’intestin pour libérer du saccharose, ce qui a également activé la libération de dopamine dans le cerveau et incité les animaux à rechercher la chambre dans laquelle ils se trouvaient lorsque le saccharose a été délivré.
Ensuite, en collaboration avec des collègues de l’université Duke, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient induire le même comportement de recherche de récompense en omettant le saccharose et en stimulant par optogénétique les terminaisons nerveuses de l’intestin qui alimentent le nerf vague, lequel contrôle la digestion et d’autres fonctions de l’organisme.
« Une fois de plus, nous avons obtenu ce comportement de préférence pour un lieu que les gens avaient précédemment observé avec la stimulation dans le cerveau, mais maintenant nous ne touchons pas le cerveau. Nous stimulons simplement l’intestin et nous observons le contrôle de la fonction centrale à partir de la périphérie », explique Anikeeva.
Sahasrabudhe a travaillé en étroite collaboration avec Rupprecht, postdoc dans le groupe du professeur Diego Bohorquez à Duke, pour tester la capacité des fibres à contrôler les comportements alimentaires. Ils ont découvert que les dispositifs pouvaient stimuler par optogénétique les cellules qui produisent la cholécystokinine, une hormone qui favorise la satiété. Lorsque la libération de cette hormone était activée, l’appétit des animaux était supprimé, même s’ils étaient à jeun depuis plusieurs heures. Les chercheurs ont également démontré un effet similaire lorsqu’ils ont stimulé des cellules produisant un peptide appelé PYY, qui coupe normalement l’appétit après la consommation d’aliments très riches.
Les chercheurs envisagent maintenant d’utiliser cette interface pour étudier les maladies neurologiques dont on pense qu’elles ont un lien entre l’intestin et le cerveau. Par exemple, des études ont montré que les enfants autistes sont beaucoup plus susceptibles que leurs pairs d’être diagnostiqués avec un dysfonctionnement gastro-intestinal, tandis que l’anxiété et le syndrome du côlon irritable partagent des risques génétiques.
« Nous pouvons maintenant commencer à nous demander s’il s’agit de coïncidences ou s’il existe un lien entre l’intestin et le cerveau. Et peut-être avons-nous la possibilité d’exploiter ces circuits intestin-cerveau pour commencer à gérer certaines de ces affections en manipulant les circuits périphériques d’une manière qui ne « touche » pas directement le cerveau et qui est moins invasive », explique Anikeeva.
Référence : « Multifunctional microelectronic fibers enable wireless modulation of gut and brain neural circuits » par Atharva Sahasrabudhe, Laura E. Rupprecht, Sirma Orguc, Tural Khudiyev, Tomo Tanaka, Joanna Sands, Weikun Zhu, Anthony Tabet, Marie Manthey, Harrison Allen, Gabriel Loke, Marc-Joseph Antonini, Dekel Rosenfeld, Jimin Park, Indie C. Garwood, Wei Yan, Farnaz Niroui, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan, Diego V. Bohórquez et Polina Anikeeva, 22 juin 2023, Nature Biotechnology.
DOI: 10.1038/s41587-023-01833-5
Cette recherche a été financée en partie par le Hock E. Tan and K. Lisa Yang Center for Autism Research et le K. Lisa Yang Brain-Body Center, le National Institute of Neurological Disorders and Stroke, le National Science Foundation (NSF) Center for Materials Science and Engineering, le NSF Center for Neurotechnology, le National Center for Complementary and Integrative Health, un National Institutes of Health Director’s Pioneer Award, le National Institute of Mental Health, et le National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases.