Qu’est-ce que le cerveau humain, sinon un palimpseste immense et naturel ? Mon cerveau est un palimpseste, et le vôtre aussi, lecteur. Des couches innombrables d’idées, d’images, de sentiments sont tombées successivement sur votre cerveau, aussi doucement que la lumière. Il a semblé que chacune ensevelissait la précédente. Mais aucune en réalité n’a péri », décrivait, visionnaire, Charles Baudelaire dans Les Paradis artificiels (1860).
Cette lumière qui s’insinuait dans le cerveau des lecteurs, par la grâce du poète, pleut aujourd’hui bel et bien sur l’encéphale d’innombrables souris, mouches, singes ou poissons à travers le monde, par la volonté des chercheurs. Dans des milliers de laboratoires, une traînée de poudre chatoyante – bleue, verte, jaune ou rouge – semble se répandre, dans l’œil ou le cerveau de ces animaux, grâce à une jeune fée Clochette, prodigieusement habile.
Cette fée, c’est l’optogénétique. Elle tire ses singuliers pouvoirs d’un pacte inattendu entre deux elfes, le génie génétique et l’optique. Leur savante alliance rend les neurones sensibles à la lumière. Mais pas tous : la force de cet outil, c’est qu’il permet de cibler certains neurones, en fonction de leur emplacement ou de leur type. Un exploit, dans ce dédale qu’est le cerveau.
Au départ, un rêve
La lumière, pour le poète, était une métaphore de la mémoire. Pour les chercheurs aujourd’hui, elle devient… une arme de manipulation de la mémoire ! Sur le palimpseste du cerveau d’ingénus rongeurs, ils ont effacé de douloureux souvenirs ; ils y ont même « écrit » de faux souvenirs…
« Ces cinq dernières années, l’optogénétique a permis un formidable essor des connaissances sur la façon dont les circuits de neurones s’organisent pour régir les comportements, les perceptions sensorielles, les mouvements, la mémoire ou la peur, s’enthousiasme Claire Wyart, de l’Institut du cerveau et de la moelle épinière (ICM) à Paris. Au plan thérapeutique, l’enjeu le plus prometteur tient aux efforts menés pour restaurer une forme de vision chez des patients aveugles. »
Cette technique aux superpouvoirs, la revue Science l’a qualifiée en 2010 de « percée technologique de la décennie ». En 2013, le prestigieux Brain Prize a été attribué aux six inventeurs de l’optogénétique, « une technique révolutionnaire pour avancer dans la compréhension du cerveau et de ses désordres ». Au départ, le rêve de l’optogénétique, c’est celui du Prix Nobel Francis Crick, codécouvreur de l’ADN. Dès 1979, il a prédit que, pour progresser dans l’étude du cerveau, il faudrait pouvoir activer et désactiver des neurones à la demande. Ajoutant, en 1999, que pour ce faire, « le signal idéal serait la lumière ».
Cet espoir se concrétisera en 2005, grâce à « deux alliés inattendus : une algue et une bactérie », explique le professeur Christian Lüscher, de l’université de Genève. Trois ans plus tôt, en 2002, les biophysiciens Hegemann, Nagel et Bamberg annonçaient avoir percé – après quinze ans d’efforts – le secret du tropisme vers la lumière d’une algue unicellulaire, Chlamydomonas reinhardtii. Sa membrane est dotée d’une « opsine », une molécule en forme de canal qui joue le rôle d’un commutateur optique : en présence de lumière verte, le canal s’ouvre, laisse entrer dans la cellule des ions positifs et propulse l’algue vers la lumière. En 2003, le trio décrivait le rôle d’une opsine, CR2, qui s’ouvre sous l’effet d’une lumière bleue.
Dès ce moment, le trio saisit le potentiel de sa découverte. Il en propose deux applications, l’activation des neurones et la restauration visuelle. Un brevet sera déposé parl’Institut Max-Planck à Francfort, dès 2002. C’est alors qu’entre en scène un psychiatre américain, Karl Deisseroth, de l’université Stanford (Californie), et son post-doctorant, Edward Boyden – aujourd’hui au Massachusetts Institute of Technology (MIT), à Boston. Grâce à un virus, ils introduisent le gène de l’opsine CR2 dans des neurones de souris en culture. Un succès : les neurones répondent à la lumière. Ce travail sera publié, en 2005, dans Nature Neuroscience. Cité plus de 2 100 fois, il propulsera les deux Américains sur le devant de la scène.
Restait à trouver le moyen d’inhiber les neurones. Entre en jeu le « second allié » : une archéobactérie qui fournit une autre protéine, l’halorhodopsine. Activée par une lumière jaune, cette protéine laisse pénétrer des ions négatifs dans le neurone, inhibant son activité.
Mais comment cibler les « bons » neurones, ceux dont on veut contrôler l’activité ? C’est là qu’intervient le génie génétique. Le gène d’une de ces opsines est placé sous le contrôle d’une « adresse génétique » qui permet de le diriger vers les bons neurones. Le tout est introduit dans un virus qui sert de vecteur. Injecté dans l’œil ou le cerveau d’un animal modèle, il infecte les neurones. Seuls ceux qui sont ainsi ciblés produisent la fameuse opsine. Avec une lumière de la bonne couleur (bleue ou jaune), on peut ainsi activer ou inhiber uniquement les neurones qui ont produit, et intégré dans leurs membranes, ces précieuses opsines. En 2006, Deisseroth nommera « optogénétique » cet ingénieux système. Il est aujourd’hui utilisé dans des laboratoires du monde entier et, comme c’est souvent le cas pour ce type d’innovations révolutionnaires, il se retrouve au cœur d’intenses querelles de paternité.
Stimuler les cellules de la rétine
L’enjeu médical le plus évident est la restauration de la vision. Un des pionniers est le médecin-mathématicien suisse Botond Roska, de l’Institut Friedrich-Miescher de recherche biomédicale à Bâle. « Un ovni, très inventif », dit Claire Wyart. En 2008, il parvient à rétablir une perception visuelle chez des souris aveugles en réactivant, par optogénétique, des cellules en aval des photorécepteurs – les cellules de la rétine qui reçoivent la lumière. En 2010, avec l’équipe de José-Alain Sahel, directeur de l’Institut de la vision à Paris, il copublie dans Science une étude montrant comment restaurer l’activité de photorécepteurs chez des souris aveugles, ainsi que sur des rétines humaines post mortem.
« Même quand les photorécepteurs de l’œil dégénèrent, il reste des cellules de la rétine qui peuvent capter un signal visuel et le transmettre au cerveau », explique Serge Picaud, de l’Institut de la vision. D’où l’idée de les stimuler par optogénétique. Le principe : on injecte dans l’œil un virus capable d’amener le gène d’une opsine jusqu’aux cellules de la rétine. Une lumière activera alors les cellules ayant intégré ces molécules. Mais il y a un hic : ces cellules restent incapables d’ajuster leurs réponses à l’intensité lumineuse. « C’est pourquoi les patients doivent porter des lunettes à réalité augmentée, munies d’une caméra qui enregistre la scène visuelle et la projette sur leur rétine », explique José-Alain Sahel.
Autre obstacle : la lumière bleue peut induire des lésions oculaires. A l’Institut de la vision, les chercheurs ont donc testé une opsine modifiée, sensible à la lumière infrarouge – moins toxique pour l’œil. Le résultat a été publié en septembre dans EMBO Molecular Medicine : avec cette lumière infrarouge, on peut restaurer des réponses à la lumière dans le circuit visuel de souris aveugles.
« Certains patients répondront-ils mieux à l’optogénétique qu’à des implants rétiniens ? Les essais cliniques le diront », explique Serge Picaud. L’objectif n’est pas de restaurer une vision complète, mais « de redonner aux patients aveugles une certaine autonomie, par exemple en leur permettant de lire sur un écran ». En 2016, un premier essai clinique a été lancé par la start-up Retrosenses (rachetée par Allergan). Mi-2017, un autre essai devrait démarrer « chez une douzaine de patients aveugles atteints de rétinopathie pigmentaire », précise José-Alain Sahel, qui conduira cet essai avec Botond Roska et la société GenSight Biologics.
La cardiologie explore le potentiel de cet outil. Les cellules du cœur sont excitables. En septembre 2016, une équipe allemande a montré comment, chez la souris, l’optogénétique peut stopper les fibrillations ventriculaires, ces tornades électriques qui balaient le cœur – entraînant une mort subite dans 95 % des cas, chez l’homme. Deux obstacles majeurs subsistent. « Il faudrait d’abord modifier génétiquement les cellules du cœur, puis passer la barrière du thorax pour amener la lumière jusqu’au cœur », note Michel Haïssaguerre, du CHU de Bordeaux. D’autant que « le besoin médical n’est pas criant : les défibrillateurs implantables sont sans cesse améliorés ».
L’optogénétique ouvre aussi une formidable fenêtre sur les circuits de neurones qui gouvernent des fonctions-clés. « Elle permet de comprendre les relations entre les émotions primaires et leurs substrats anatomiques et cellulaires, résume Pierre-Marie Lledo, de l’Institut Pasteur. Les émotions positives et négatives apparaissent gérées et stockées dans des circuits très chevauchants. »
Et la mémoire ? « Comprendre son codage dans le cerveau, c’est un des Graal de l’optogénétique », relève Karim Benchenane, de l’Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (ESPCI). Une série de découvertes, en 2012 et 2013, a fait le tour du monde. Le Prix Nobel Susumu Tonegawa, à l’Institut Riken (Tokyo) et au MIT (Cambridge), est parvenu à modifier, par optogénétique, les souvenirs stockés dans l’hippocampe de rongeurs.
Son équipe a d’abord placé des souris dans un « contexte A ». Puis, ils les ont mises dans un « contexte B », toujours en leur administrant un petit choc électrique. En même temps, ils ont enregistré l’activité des neurones activés dans ce contexte B. En réactivant ensuite par optogénétique ces mêmes neurones dans un autre contexte, la souris se comportait comme si elle était dans le contexte B : elle avait peur. Ensuite, les chercheurs ont apparié ce contexte B à un autre contexte C. « Ils sont parvenus à faire croire au rongeur que ce contexte C faisait peur, alors que la souris n’avait jamais eu peur dans cette situation », expliqueGabriel Lepousez, de l’Institut Pasteur.
Ce travail a eu une suite. En 2015, ces mêmes chercheurs ont repéré (en les enregistrant) les neurones activés dans une situation positive pour la souris. Ensuite, dans un contexte négatif pour l’animal, ils ont réactivé ces mêmes neurones – réveillant ainsi une mémoire positive. Résultat : ils ont supprimé les comportements dépressifs liés à ce contexte négatif.
A l’Institut Pasteur, Gabriel Lepousez utilise l’optogénétique pour comprendre le système olfactif. Confirmant ce que Proust avait si bien décrit, avec sa madeleine : l’olfaction est particulièrement sensible à notre vécu. « Lors des étapes précoces de codage des odeurs, ce système reçoit plus d’informations intérieures que d’informations extérieures. » D’où cette question : percevons-nous la réalité, ou ce que notre cerveau a envie de percevoir ?
L’addiction est un autre objet d’étude privilégié pour l’optogénétique. « L’addiction est une maladie liée à un gain de fonction des neurones », explique Christian Lüscher, pionnier de ce domaine à Genève. Son équipe a montré comment une exposition à la cocaïne, chez la souris, renforce à l’excès certaines synapses (des synapses activées par le glutamate, le principal système excitateur du cerveau), dans une structure cérébrale profonde impliquée dans le circuit de la récompense. « En corrigeant ce remodelage par optogénétique, nous sommes parvenus, chez la souris, à normaliser le comportement pathologique de recherche de cocaïne. » Chez l’homme, il n’est pas (encore ?) possible d’utiliser l’optogénétique pour agir sur le cerveau : la technique est trop invasive (les os du crâne ne laissant pas passer la lumière). Mais ces recherches pourraient permettre d’atténuer les effets secondaires de la « stimulation cérébrale profonde », une thérapie de la maladie de Parkinson, notamment.
Comment la locomotion des vertébrés est-elle contrôlée ? A cette question, l’optogénétique a offert ses lumières. Jusqu’ici, la locomotion semblait principalement contrôlée par le cerveau, qui envoie des commandes à la moelle épinière, et par des voies réflexes. « Mais nous avons découvert une troisième voie : c’est une boucle sensori-motrice qui se trouve dans la moelle épinière », raconte Claire Wyart. Les neurones sensoriels de cette voie « goûtent » le contenu du liquide céphalo-rachidien qui les baigne. Ils en intègrent des signaux mécaniques et chimiques. Puis ils contrôlent la locomotion et la posture, par le biais de leurs projections sur la moelle épinière. Identifiée chez le poisson zèbre, cette voie est conservée chez la souris et le macaque. « Dans quelle mesure, par cette voie, nos états physiologiques internes – une maladie, une douleur, une réaction inflammatoire, un manque de sommeil… – peuvent-ils moduler la locomotion ? », s’interroge la chercheuse.
Téléguider les cellules
Comprendre la biologie des cellules, et pas seulement des neurones, est une application émergente de l’optogénétique. Notamment en cancérologie. « A l’aide d’un couple de protéines végétales qui s’associent sous l’effet de la lumière bleue, nous pouvons “téléguider” les cellules. Cette méthode nous aide à comprendre la migration et l’invasion des tissus par les cellules tumorales », explique Mathieu Coppey, de l’Institut Curie (Paris).
Reste que la nature n’a pas cru bon d’équiper nos neurones de protéines d’algues ou de bactéries sensibles à la lumière. D’où cette question : les activations de neurones obtenues par optogénétique reflètent-elles leur activité naturelle ? « Comme toute technique à ses débuts, c’était un peu une approche “bazooka”, remarque Claire Wyart. On a décelé plusieurs artéfacts. » Par exemple, la lumière tend à activer tous les neurones d’un coup, dans la région ciblée, un peu comme une réponse épileptique. Dans la réalité, les neurones sont activés selon un ordre spatial et temporel riche.
C’est pourquoi les chercheurs rivalisent d’ingéniosité pour raffiner cet outil. Valentina Emiliani, physicienne au CNRS, développe ainsi des techniques d’holographie en 3D pour « sculpter la lumière », et ne l’amener qu’en des endroits très précis. Cela devrait permettre de ne suivre ou de n’activer qu’un seul neurone à la fois. D’autres pistes d’améliorations tiennent à ces fameuses opsines. « Les meilleures viennent du laboratoire d’Edward Boyden », dit Claire Wyart. C’est lui qui a mis au point des opsines sensibles à la lumière infrarouge, qui pénètre mieux les tissus.
L’optogénétique commence à être utilisée chez le singe. En septembre, un travail marquant a été publié dans Cell. L’équipe de Wolfram Schultz, à Cambridge (Royaume-Uni), a biaisé un apprentissage chez le macaque, en lui donnant l’illusion d’une récompense. Comment ? En activant par optogénétique, lors d’un choix, les neurones du circuit de la récompense (les neurones à dopamine). L’enjeu : comprendre ce qui se joue dans les dérèglements de l’humeur, les troubles addictifs…
Des résultats aussi fascinants que dérangeants. Où nous apparaissons comme les jouets de l’activité électrique, plus ou moins manipulable, de quelques poignées de neurones…
Mais pourquoi les circuits de la motricité et de la récompense sont-ils si entremêlés, dans notre cerveau ? Ce n’est pas un hasard. Car pour qu’une espèce survive, ses individus doivent en priorité s’alimenter, se reproduire, réagir à une agression. Une sélection s’est donc opérée, au fil de l’évolution, en faveur d’un système qui récompense l’exécution de ces fonctions vitales. L’évolution nous aurait-elle manipulés ? Si enchanteurs soient-ils, ses stratagèmes n’ont rien à envier aux ruses des chercheurs, quand ils bernent leurs cobayes. On peut se consoler : si subterfuge il y a, nous en sommes les victimes consentantes, et parfois lucides.
Une invention à la paternité disputée
L’histoire de l’invention de l’optogénétique semblait aussi lumineuse que les lasers qui allument les neurones. Mais quelques ombres sont venues brouiller ce récit. Fin 2013, l’Académie des sciences de Suède réunissait à Stockholm les pionniers de l’optogénétique. Entre le trio allemand (les biophysiciens Hegemann, Nagel et Bamberg, qui ont déposé un brevet en 2002) et le duo américain (Deisseroth et Boyden), il y aurait eu de vifs échanges sur l’antériorité de cette invention…
Autre imbroglio : le 1er septembre, le site biomédical STAT révélait la contribution méconnue d’un chercheur, Zhuo-Hua Pan, de l’université de Detroit. Il aurait soumis à la revue Nature, dès novembre 2004, les résultats d’un travail montrant l’intérêt du canal membranaire photosensible CR2 pour restaurer la vision. En vain. Nature Neuroscience l’aurait aussi refusé. Sept mois plus tard, ce journal publiait les résultats de Deisseroth et Boyden.
Ces tensions ne sont pas sans en évoquer d’autres – bien plus âpres – sur la « paternité » d’une invention au succès planétaire. On songe à la guerre des brevets qui plombe l’invention du fameux outil de modification des génomes Crispr-Cas9… Ironie de l’histoire, Feng Zhang (MIT), qui a travaillé avec Deisseroth et Boyden, a contribué à ces deux technologies révolutionnaires, à l’antériorité disputée. Mais, avec l’optogénétique, les revendications sont restées très « soft ». « Cet outil montre comment l’innovation scientifique peut être nourrie par un accès libre à une technologie », se réjouit Gabriel Lepousez, de l’Institut Pasteur (Paris).
