High-throughput serial two-photon tomography with BakingTray and BrainSaw

Pour comprendre le cerveau, les scientifiques doivent le voir en trois dimensions. Le cerveau n'est pas une carte plate, mais une forêt dense et emmêlée de connexions qui s'étendent à travers un volume de tissu. Pendant des décennies, les chercheurs ont lutté pour capturer ce volume complet sans détruire les relations mêmes qu'ils cherchent à étudier. Les méthodes traditionnelles consistent souvent à découper le cerveau en fines feuilles, à les monter sur des lames de verre et à tenter de reconstituer le puzzle plus tard. Ce processus est semé d'embûches : les coupes délicates peuvent se déchirer, se déformer ou se perdre, brisant la continuité du récit de la façon dont une partie du cerveau est connectée à une autre. Bien que d'autres techniques existent pour rendre le tissu transparent et l'imager en entier, elles nécessitent souvent des traitements chimiques complexes qui prennent des semaines et exigent un équipement spécialisé. Il existe un besoin pour une méthode qui soit rapide, fiable et capable de traiter de nombreux échantillons à la fois, permettant aux scientifiques de cartographier l'architecture du cerveau avec une grande précision tout en gardant le tissu intact pendant le processus d'imagerie.

Une équipe de chercheurs a développé une solution qui combine une technique d'imagerie puissante avec une nouvelle plateforme logicielle open-source pour rendre cela possible. Ils appellent leur système un « BrainSaw », un nom qui reflète sa fonction : il découpe et imagerie le cerveau simultanément. La technologie de base repose sur un microscope à deux photons, qui utilise un faisceau de lumière focalisé pour voir profondément à l'intérieur du tissu, associé à un vibratome, un dispositif qui découpe de fines tranches de tissu. Au lieu de retirer les tranches, le système imagerie la surface fraîche et exposée du bloc après chaque coupe. À mesure que le microscope capture l'image de la surface, la machine découpe cette couche, révélant une nouvelle surface en dessous, et le processus se répète des milliers de fois. Cela crée un film tridimensionnel fluide de l'organe entier. L'innovation de ce travail ne réside pas seulement dans le matériel, mais dans le logiciel qui le contrôle, appelé BakingTray. Ce logiciel agit comme le chef d'orchestre, dictant au microscope quand scanner, quand couper et comment assembler les millions d'images en un seul ensemble de données 3D utilisable.

Les chercheurs ont construit douze de ces systèmes à travers le monde, en commençant en 2016, et les ont mis au travail dans une installation très active au Sainsbury Wellestone Centre à Londres. Au fil des années, ces machines ont imagé plus de 7 000 échantillons, contribuant à des dizaines de publications scientifiques. Le système est conçu pour être suffisamment robuste pour fonctionner sans surveillance pendant des heures, souvent toute la nuit, permettant aux chercheurs de traiter plusieurs cerveaux lors d'une seule session. Le logiciel est assez flexible pour gérer différents types de microscopes et de configurations matérielles, ce qui signifie que les laboratoires peuvent construire leurs propres systèmes ou convertir des microscopes existants en ces imageurs à haut débit. L'équipe a démontré que le système est fiable, la grande majorité des sessions d'imagerie se terminant sans nécessiter de redémarrage. Lorsque des interruptions surviennent, elles sont généralement dues à des erreurs de l'utilisateur ou à des contretemps techniques prévisibles, et le système est conçu pour reprendre rapidement, souvent en moins d'une heure.

La puissance de cette approche est mieux illustrée par ce qu'elle permet aux scientifiques de faire. Une application majeure est de localiser le chemin précis d'une électrode qui a été insérée dans le cerveau d'un animal vivant pour enregistrer l'activité. En trempant l'électrode dans un colorant fluorescent avant l'insertion, la trace qu'elle laisse derrière elle brille sous le microscope. Le BrainSaw peut imager le cerveau entier, tracer le colorant et cartographier l'emplacement exact du site d'enregistrement en trois dimensions, éliminant ainsi les incertitudes quant à l'origine des données. Un autre usage clé est le comptage de cellules. Le système peut imager un cerveau entier avec une résolution assez fine pour voir les corps cellulaires individuels, et un logiciel automatisé peut ensuite compter chaque neurone marqué dans l'organe entier. Cela permet aux chercheurs de comparer le nombre de cellules entre différents animaux ou régions cérébrales avec un niveau de détail qui était auparavant impossible à atteindre à cette échelle.

Au-delà du simple comptage et du suivi, le système révèle comment différents types de cellules cérébrales se connectent les unes aux autres. Dans une expérience, les chercheurs ont ciblé des neurones inhibiteurs spécifiques dans une petite région du cerveau appelée le noyau genouillé latéral ventral. Ils ont utilisé un virus pour faire briller ces neurones et pour marquer leurs terminaisons synaptiques, les minuscules points où ils communent avec d'autres cellules. En imagerie l'ensemble du cerveau, ils ont pu voir non seulement où les neurones envoient leurs longs axones, mais aussi exactement où ces axones forment des connexions. Ils ont découvert que différents sous-types de ces neurones, même lorsqu'ils sont situés dans la même petite zone, projettent vers différentes parties du cerveau et forment des connexions selon des motifs distincts. Ce type de cartographie détaillée aide les scientifiques à comprendre comment des circuits spécifiques sont construits et comment ils pourraient fonctionner.

La technique est également assez polyvalente pour traiter des tissus qui ont été colorés après la mort de l'animal. Les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient imager des cerveaux de modèles murins de la maladie d'Alzheimer qui avaient été traités avec un colorant pour mettre en évidence les plaques amyloïdes, les amas de protéines associés à la maladie. Même si le tissu a dû être traité chimiquement pour le rendre réceptif au colorant, le système a pu imager le cerveau entier, révélant la distribution étendue de ces plaques. Cela démontre que la méthode n'est pas limitée aux animaux génétiquement modifiés mais peut être appliquée à un large éventail de questions biologiques, de l'étude du système immunitaire de la rate à la cartographie de la propagation des maladies.

Le succès du projet repose largement sur le logiciel, qui est gratuit et ouvert à tous. Les auteurs soulignent que, bien que le matériel nécessite des compétences pour être construit et entretenu, le logiciel élimine la barrière de la nécessité d'un code personnalisé pour chaque nouvelle configuration. Il permet à une communauté de chercheurs de partager des conceptions et des améliorations, créant ainsi une méthode standard pour effectuer ces tâches d'imagerie complexes. Le système n'est pas parfait ; il ne peut pas imager le cerveau d'un animal beaucoup plus grand comme un furet car la couverture externe dure du cerveau est trop difficile à couper, et il n'est pas conçu pour le grossissement extrême nécessaire pour tracer un seul axone jusqu'à sa branche la plus fine. Cependant, pour la vaste majorité des questions de neurosciences nécessitant une vue de l'ensemble du cerveau, il offre une voie rapide, fiable et accessible. En transformant un processus complexe et destructeur en un flux de travail rationalisé et automatisé, le BrainSaw et BakingTray ont rendu possible pour davantage de scientifiques d'explorer le cerveau en trois dimensions, transformant la tâche impossible de cartographier l'organe entier en une partie routinière de la recherche moderne.