résumé: Les chercheurs ont conçu une technique qui leur permet d’étudier et de contrôler les circuits neuronaux entre l’intestin et le cerveau, démontrant leur capacité à influencer les sentiments de satiété ou le comportement de recherche de récompense chez la souris.
L’interface utilisait des fibres flexibles intégrées à des capteurs, des capteurs de température et des sources lumineuses pour stimuler l’optogénétique. L’objectif est d’utiliser cette technologie pour explorer les liens entre la santé digestive et les troubles neurologiques tels que l’autisme et la maladie de Parkinson.
Ce travail ouvre la possibilité de gérer ces conditions en manipulant les circuits périphériques de manière non invasive.
Faits marquants:
- Des chercheurs du MIT ont développé une technologie qui utilise des fibres intégrées dans des capteurs pour contrôler les circuits neuronaux entre l’intestin et le cerveau, influençant les comportements alimentaires des souris.
- Cette technologie pourrait donner un aperçu de la relation entre la santé digestive et les troubles neurologiques tels que l’autisme et la maladie de Parkinson.
- La recherche est prometteuse pour la gestion non invasive des conditions neurologiques en manipulant les circuits périphériques.
source: Massachusetts Institute of Technology
Le cerveau et le système digestif sont en communication constante, transmettant des signaux qui aident à contrôler l’alimentation et d’autres comportements. Ce vaste réseau de communication affecte également notre état mental et a été impliqué dans de nombreux troubles neurologiques.
Les ingénieurs du MIT ont maintenant conçu une nouvelle technique qui peut être utilisée pour examiner ces connexions.
En utilisant des fibres fusionnées avec une variété de capteurs, ainsi que des sources de lumière pour stimuler l’optogénétique, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient contrôler les circuits neuronaux qui relient l’intestin et le cerveau chez la souris.
Dans une nouvelle étude, les chercheurs montrent qu’ils peuvent induire des sentiments de satiété ou un comportement de recherche de récompense chez la souris en manipulant les cellules intestinales.
Dans des travaux futurs, ils espèrent explorer certaines des associations qui ont été observées entre la santé digestive et les troubles neurologiques tels que l’autisme et la maladie de Parkinson.
« Ce qui est excitant ici, c’est que nous avons maintenant une technologie qui peut piloter les fonctions et les comportements intestinaux tels que l’alimentation. Plus important encore, nous avons la capacité de commencer à accéder à la diaphonie intestin-cerveau avec une précision optogénétique de la milliseconde, et nous pouvons le faire dans le comportement animal. . » Polina Anikieva, professeur de Matula S. Salapatas en science et génie des matériaux, professeur de sciences cérébrales et cognitives, codirecteur du laboratoire de recherche en électronique du MIT et membre du McGovern Institute for Brain Research du MIT.
Anikeeva est l’auteur principal de la nouvelle étude, qui paraît aujourd’hui dans Biotechnologie naturelle. Les principaux auteurs de l’article sont Atharva Sahasrabudhe, étudiante diplômée du MIT, Laura Rupprecht, post-doctorante au MIT, Sirma Orguc, post-doctorante au MIT, et Tural Khudiyev, post-doctorante au MIT.
La connexion cerveau-corps
L’année dernière, l’Institut McGovern a lancé le Kai Lisa Yang Mind-Body Center pour étudier l’interaction entre le cerveau et les autres organes du corps. La recherche au centre vise à faire la lumière sur la façon dont ces interactions contribuent à façonner le comportement et la santé publique, dans le but de développer de futurs traitements pour diverses maladies.
« Il y a une diaphonie bidirectionnelle constante entre le corps et le cerveau », explique Anikeeva.
Pendant longtemps, nous avons pensé que le cerveau était un despote qui envoie des signaux aux organes et contrôle tout. Mais nous savons maintenant qu’il y a beaucoup plus de rétroactions qui retournent au cerveau, et il est possible que ces rétroactions contrôlent certaines des fonctions que nous attribuions auparavant exclusivement au contrôle nerveux central. »
Anikeeva, qui dirige le nouveau centre, s’est intéressée à l’examen des signaux qui passent entre le cerveau et le système nerveux intestinal, également appelé système nerveux entérique.
Les cellules sensorielles de l’intestin influencent la faim et la satiété par la communication neuronale et la sécrétion d’hormones.
Démêler ces influences hormonales et neurales a été difficile car il n’y avait pas de bon moyen de mesurer rapidement les signaux neuraux, qui se produisent en quelques millisecondes.
« Pour pouvoir effectuer une optogénétique intestinale, puis mesurer les effets sur la fonction cérébrale et le comportement, ce qui nécessite une précision à la milliseconde, nous avions besoin d’un appareil qui n’existait pas. Nous avons donc décidé de le fabriquer », explique Suhasrebodh, qui a dirigé le développement. des sondes intestinales cérébrales.
L’interface électronique conçue par les chercheurs est constituée de fibres flexibles qui peuvent remplir diverses fonctions et peuvent être insérées dans les organes concernés.
Pour créer les fibres, Sahasrabudhe a utilisé une technique appelée thermographie, qui lui a permis de créer des brins de polymère, aussi fins qu’un cheveu humain, qui pourraient être combinés avec des électrodes et des capteurs de température.
Les fils portent également de minuscules dispositifs photo-émetteurs qui peuvent être utilisés pour stimuler les cellules avec l’optogénétique et des canaux microfluidiques qui peuvent être utilisés pour l’administration de médicaments.
Les propriétés mécaniques des fibres peuvent être personnalisées pour une utilisation dans 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 les intestins, ils ont conçu une fibre plus délicate et extensible qui n’endommage pas la muqueuse des organes mais qui reste suffisamment solide pour résister à l’environnement hostile du système digestif.
« Pour étudier l’interaction entre le cerveau et le corps, il est nécessaire de développer des techniques capables d’interagir avec les organes d’intérêt ainsi qu’avec le cerveau en même temps, tout en enregistrant des signaux physiologiques avec un rapport signal sur bruit élevé, » il dit.
« Nous devons également être capables 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 pour être contrôlées sans fil, à l’aide d’un circuit de contrôle externe qui peut être temporairement fixé à l’animal pendant l’expérience.
Ce circuit de radiocommande a été développé par Orguc, Schmidt Science Fellow, et Harrison Allen ’20, MEng ’22, qui ont co-conseillé entre le laboratoire d’Anikeeva et le laboratoire d’Anantha Chandrakasan, doyenne de la MIT School of Engineering et Vannevar Bush Professor of Electrical Ingénierie et informatique.
comportement de conduite
À l’aide de cette interface, les chercheurs ont mené une série d’expériences pour prouver qu’ils pouvaient influencer le comportement en manipulant aussi bien l’intestin que le cerveau.
Tout d’abord, ils ont utilisé des fibres pour délivrer une stimulation optogénétique à une partie du cerveau appelée zone tegmentale ventrale (VTA), qui libère de la dopamine. Ils ont mis des souris dans une cage à trois chambres, et lorsque les souris sont entrées dans une chambre spécifique, les chercheurs ont activé les neurones dopaminergiques.
L’explosion de dopamine qui en a résulté a rendu les souris plus susceptibles de retourner dans cette pièce à la recherche d’une récompense de dopamine.
Ensuite, les chercheurs ont essayé de voir s’ils pouvaient également déclencher un comportement de recherche de récompense en affectant 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 pièce dans laquelle ils se trouvaient lorsque le saccharose a été administré.
Ensuite, en travaillant avec des collègues de l’Université Duke, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient induire le même comportement de recherche de récompense en sautant le saccharose et en stimulant les terminaisons nerveuses de l’intestin qui alimentent le nerf vague, qui contrôle la digestion et d’autres fonctions corporelles.
« Encore une fois, nous avons ce comportement de préférence de lieu que les gens voyaient plus tôt avec la stimulation dans le cerveau, mais maintenant nous ne touchons plus le cerveau. Nous stimulons simplement l’intestin et surveillons le contrôle de la fonction centrale depuis la périphérie », explique Anikeeva.
Sahasrabudhe a travaillé en étroite collaboration avec Rupprecht, un chercheur postdoctoral du groupe du professeur Diego Bohorquez à Duke, pour tester la capacité des fibres à contrôler les comportements alimentaires. Ils ont découvert que les appareils peuvent stimuler les cellules qui produisent la cholécystokinine, une hormone qui favorise la satiété.
Lorsque cette hormone était activée, l’appétit des animaux était supprimé, même s’ils avaient jeûné pendant plusieurs heures. Les chercheurs ont également montré un effet similaire lorsqu’ils ont stimulé les cellules pour produire un peptide appelé PYY, qui supprime normalement l’appétit après avoir mangé des aliments très riches.
Les chercheurs envisagent maintenant d’utiliser cette interface pour étudier les affections neurologiques supposées être liées au cerveau et à l’intestin. Par exemple, des études ont montré que les enfants autistes sont plus susceptibles que leurs pairs d’être diagnostiqués avec des anomalies gastro-intestinales, 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 existe-t-il un lien entre l’intestin et le cerveau ? Et il peut y avoir une opportunité pour nous de puiser dans ces circuits intestin-cerveau pour commencer à gérer certaines de ces conditions en manipulant les circuits périphériques d’une manière qui ne « touche » pas directement le cerveau et qui est moins invasive », explique Anikeeva.
Financement: La recherche a été financée en partie par le Hock E. Tan and K.Lisa Yang Center for Autism Research et le K. Foundation (NSF) Center for Materials Science and Engineering, le NSF Center for Neurotechnology, le National Center for Complementary and Integrative Health , le NIH Director’s Pioneer Award et les National Institutes of Health For Mental Health, National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases.
Autour de cette actualité de la recherche se trouve l’axe cerveau-intestin
auteur: Sarah Mc Donnel
source: Massachusetts Institute of Technology
communication: Sarah McDonnell – Institut de technologie du Massachusetts
image: Image créditée à Neuroscience News
Recherche originale : libre accès.
« Les fibres microélectroniques multifonctionnelles permettent la modulation sans fil des circuits neuronaux dans l’intestin et le cerveauÉcrit par Polina Anikeeva et al. Biotechnologie naturelle
un résumé
Les fibres microélectroniques multifonctionnelles permettent la modulation sans fil des circuits neuronaux dans l’intestin et le cerveau
Les progrès dans la compréhension de la signalisation interosseuse intercerveau sont entravés par le manque de dispositifs implantables appropriés pour sonder la neurophysiologie du cerveau et des organes périphériques pendant le comportement.
Nous décrivons ici des interfaces neuronales multifonctionnelles qui combinent l’évolutivité et la polyvalence mécanique des fibres à base de polymères étirées thermiquement avec le développement de puces microélectroniques pour des organes aussi divers que le cerveau et l’intestin.
Notre approche utilise des fibres continues d’un mètre de long qui peuvent intégrer des sources lumineuses, des électrodes, des capteurs thermiques et des canaux microfluidiques dans une empreinte miniature. Couplées à des contrôleurs fabriqués sur mesure, les fibres fournissent sans fil de la lumière pour l’optogénétique et transmettent des données pour l’enregistrement physiologique.
Nous validons cette technique en modulant la voie de récompense limbique médiale dans le cerveau de la souris. Nous appliquons ensuite les fibres dans la lumière intestinale anatomiquement difficile et démontrons le contrôle radio des cellules épithéliales sensorielles qui dirigent les comportements alimentaires.
Enfin, nous montrons que la stimulation optogénétique du reflux vagal de la lumière de l’intestin est suffisante pour évoquer un phénotype de récompense chez les souris non retenues.
