Un nouveau capteur utilise l’IRM pour détecter la lumière au plus profond du cerveau

À l’aide d’un capteur IRM spécialisé, des chercheurs du MIT ont montré qu’ils pouvaient détecter la lumière au plus profond de tissus tels que le cerveau.

L’imagerie de la lumière dans les tissus profonds est extrêmement difficile car, à mesure que la lumière pénètre dans les tissus, une grande partie est soit absorbée, soit diffusée. L’équipe du MIT a surmonté cet obstacle en concevant un capteur qui convertit la lumière en un signal magnétique détectable par IRM (imagerie par résonance magnétique).

Ce type de capteur pourrait être utilisé pour cartographier la lumière émise par des fibres optiques implantées dans le cerveau, telles que les fibres utilisées pour stimuler les neurones lors d’expériences optogénétiques. Avec un développement ultérieur, il pourrait également s’avérer utile pour surveiller les patients qui reçoivent des thérapies à base de lumière pour le cancer, selon les chercheurs.

« Nous pouvons imaginer la distribution de la lumière dans les tissus, et c’est important parce que les personnes qui utilisent la lumière pour stimuler les tissus ou pour mesurer à partir des tissus ne savent souvent pas exactement où va la lumière, où elles stimulent ou où se trouve la lumière. provenir de. Notre outil peut être utilisé pour répondre à ces inconnues », déclare Alan Jasanoff, professeur au MIT en génie biologique, en sciences du cerveau et cognitives, et en sciences et ingénierie nucléaires.

Jasanoff, qui est également chercheur associé au McGovern Institute for Brain Research du MIT, est l’auteur principal de la étudierqui paraît aujourd’hui dans Nature Génie biomédical. Jacob Simon PhD ’21 et post-doctorante au MIT Miriam Schwalm sont les auteurs principaux de l’article, et Johannes Morstein et Dirk Trauner de l’Université de New York sont également les auteurs de l’article.

Une sonde sensible à la lumière

Les scientifiques utilisent la lumière pour étudier les cellules vivantes depuis des centaines d’années, remontant à la fin des années 1500, lorsque le microscope optique a été inventé. Ce type de microscopie permet aux chercheurs de scruter l’intérieur des cellules et de fines tranches de tissu, mais pas au plus profond d’un organisme.

« L’un des problèmes persistants de l’utilisation de la lumière, en particulier dans les sciences de la vie, est qu’elle ne pénètre pas très bien dans de nombreux matériaux », déclare Jasanoff. « Les matériaux biologiques absorbent la lumière et diffusent la lumière, et la combinaison de ces éléments nous empêche d’utiliser la plupart des types d’imagerie optique pour tout ce qui implique une focalisation dans les tissus profonds. »

Pour surmonter cette limitation, Jasanoff et ses étudiants ont décidé de concevoir un capteur capable de transformer la lumière en un signal magnétique.

« Nous voulions créer un capteur magnétique qui réagisse localement à la lumière et qui n’est donc pas soumis à l’absorbance ou à la diffusion. Ensuite, ce détecteur de lumière peut être imagé à l’aide de l’IRM », dit-il.

Le laboratoire de Jasanoff a déjà développé des sondes IRM qui peuvent interagir avec une variété de molécules dans le cerveau, y compris la dopamine et le calcium. Lorsque ces sondes se lient à leurs cibles, cela affecte les interactions magnétiques des capteurs avec les tissus environnants, atténuant ou éclaircissant le signal IRM.

Pour fabriquer une sonde IRM sensible à la lumière, les chercheurs ont décidé d’enfermer des particules magnétiques dans une nanoparticule appelée liposome. Les liposomes utilisés dans cette étude sont fabriqués à partir de lipides photosensibles spécialisés que Trauner avait précédemment développés. Lorsque ces lipides sont exposés à une certaine longueur d’onde de lumière, les liposomes deviennent plus perméables à l’eau, ou « fuyants ». Cela permet aux particules magnétiques à l’intérieur d’interagir avec l’eau et de générer un signal détectable par IRM.

Les particules, que les chercheurs ont appelées rapporteurs de nanoparticules liposomales (LisNR), peuvent passer de perméables à imperméables selon le type de lumière auquel elles sont exposées. Dans cette étude, les chercheurs ont créé des particules qui fuient lorsqu’elles sont exposées à la lumière ultraviolette, puis redeviennent imperméables lorsqu’elles sont exposées à la lumière bleue. Les chercheurs ont également montré que les particules pouvaient répondre à d’autres longueurs d’onde de lumière.

« Cet article présente un nouveau capteur permettant la détection de photons par IRM à travers le cerveau. Ce travail éclairant introduit une nouvelle voie pour relier les études de neuroimagerie axées sur les photons et les protons », déclare Xin Yu, professeur adjoint de radiologie à la Harvard Medical School, qui n’a pas participé à l’étude.

Lampe de cartographie

Les chercheurs ont testé les capteurs dans le cerveau des rats, plus précisément dans une partie du cerveau appelée striatum, qui est impliquée dans la planification du mouvement et la réponse à la récompense. Après avoir injecté les particules dans tout le striatum, les chercheurs ont pu cartographier la distribution de la lumière d’une fibre optique implantée à proximité.

La fibre qu’ils ont utilisée est similaire à celles utilisées pour la stimulation optogénétique, donc ce type de détection pourrait être utile aux chercheurs qui effectuent des expériences optogénétiques dans le cerveau, dit Jasanoff.

« Nous ne nous attendons pas à ce que tous ceux qui font de l’optogénétique l’utilisent pour chaque expérience – c’est plutôt quelque chose que vous feriez de temps en temps, pour voir si un paradigme que vous utilisez produit vraiment le profil de lumière que vous pensez qu’il devrait être », dit Jasanoff.

À l’avenir, ce type de capteur pourrait également être utile pour surveiller les patients recevant des traitements impliquant la lumière, comme la thérapie photodynamique, qui utilise la lumière d’un laser ou d’une LED pour tuer les cellules cancéreuses.

Les chercheurs travaillent actuellement sur des sondes similaires qui pourraient être utilisées pour détecter la lumière émise par les luciférases, une famille de protéines incandescentes souvent utilisées dans les expériences biologiques. Ces protéines peuvent être utilisées pour révéler si un gène particulier est activé ou non, mais actuellement, elles ne peuvent être imagées que dans des tissus superficiels ou des cellules cultivées dans une boîte de laboratoire.

Jasanoff espère également utiliser la stratégie utilisée pour le capteur LisNR pour concevoir des sondes IRM capables de détecter des stimuli autres que la lumière, tels que des substances neurochimiques ou d’autres molécules présentes dans le cerveau.

« Nous pensons que le principe que nous utilisons pour construire ces capteurs est assez large et peut également être utilisé à d’autres fins », dit-il.

La recherche a été financée par les National Institutes of Health, la Fondation G. Harold et Leila Y. Mathers, une bourse Friends of the McGovern du McGovern Institute for Brain Research, le programme de formation en génie neurobiologique du MIT et une bourse individuelle Marie Curie de la Commission européenne.

Écrit par Anne Trafton

Source: Massachusetts Institute of Technology