Démêler les liens entre le cerveau et l’intestin

Ingénieurs du MIT développent une technologie à base de fibres pour sonder les connexions entre le cerveau et l’appareil digestif

Le cerveau et le tractus digestif sont en communication constante, échangeant des signaux qui régulent l’alimentation et d’autres comportements. Ce réseau de communication complexe influence également notre état mental et a été impliqué dans de nombreux troubles neurologiques.

Des ingénieurs du MIT ont conçu une nouvelle technologie pour sonder ces connexions. En utilisant des fibres incorporant divers capteurs ainsi que des sources lumineuses pour une stimulation optogénétique, les chercheurs ont démontré leur capacité à contrôler les circuits neuronaux reliant l’intestin et le cerveau chez les souris.

Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont démontré qu’ils pouvaient induire chez les souris des sensations de satiété ou des comportements de recherche de récompense en manipulant les cellules de l’intestin. Dans leurs travaux futurs, ils espèrent explorer certaines corrélations qui ont été observées entre la santé digestive et des troubles neurologiques tels que l’autisme et la maladie de Parkinson.

« Ce qui est passionnant ici, c’est que nous disposons désormais d’une technologie capable de réguler la fonction intestinale et des comportements tels que l’alimentation. Plus important encore, nous avons la possibilité de commencer à accéder aux interactions entre l’intestin et le cerveau avec la précision de la milliseconde offerte par l’optogénétique, et nous pouvons le faire sur des animaux en mouvement », déclare Polina Anikeeva, professeure Matoula S. Salapatas en science des matériaux et en ingénierie, professeure de sciences cérébrales et cognitives, directrice du centre cerveau-corps K. Lisa Yang, directrice adjointe du laboratoire de recherche électronique du MIT et membre de l’Institut de recherche cérébrale McGovern du MIT.

Anikeeva est l’auteure principale de cette nouvelle étude publiée aujourd’hui dans la revue Nature Biotechnology. Les auteurs principaux de l’article sont Atharva Sahasrabudhe, doctorant au MIT, Laura Rupprecht, chercheuse postdoctorale à l’université Duke, Sirma Orguc, chercheuse postdoctorale au MIT, et Tural Khudiyev, ancien chercheur postdoctoral au MIT.

La connexion cerveau-corps

L’année dernière, l’Institut McGovern a lancé le centre cerveau-corps K. Lisa Yang pour étudier les interactions entre le cerveau et les autres organes du corps. Les recherches menées au centre visent à comprendre comment ces interactions influencent le comportement et la santé générale, dans le but de développer des thérapies futures pour diverses maladies.

« Il y a une interaction continue et bidirectionnelle entre le corps et le cerveau », explique Anikeeva. « Pendant longtemps, nous avons pensé que le cerveau était un tyran qui envoie des signaux aux organes et contrôle tout. Mais maintenant, nous savons qu’il y a aussi un retour d’information vers le cerveau, et ce retour pourrait contrôler certaines fonctions que nous avons auparavant attribuées exclusivement au contrôle neural central. »

Dans le cadre des travaux du centre, Anikeeva s’est intéressée à sonder les signaux qui circulent 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 à la fois par la communication neuronale et la libération d’hormones.

Il a été difficile de démêler les effets hormonaux et neuronaux car il n’existait pas de moyen rapide de mesurer les signaux neuronaux, qui se produisent en millisecondes.

« Pour pouvoir réaliser une optogénétique intestinale et ensuite mesurer les effets sur la fonction cérébrale et le comportement, ce qui nécessite une précision à la milliseconde, nous avions besoin d’un dispositif qui n’existait pas. Nous avons donc décidé de le créer », explique Sahasrabudhe, qui a dirigé le développement des sondes intestinales et cérébrales.

L’interface électronique conçue par les chercheurs est constituée de fibres flexibles capables d’effectuer différentes fonctions et pouvant être insérées dans les organes d’intérêt. Pour créer ces fibres, Sahasrabudhe a utilisé une technique appelée tirage thermique, qui lui a permis de créer des filaments polymères aussi fins qu’un cheveu humain, pouvant être incrustés d’électrodes et de capteurs de température.

Les filaments contiennent également des dispositifs microscopiques émettant de la lumière, qui peuvent être utilisés pour stimuler optogénétiquement les cellules, ainsi que des canaux microfluidiques pour administrer 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 pouvant être enfoncées profondément dans le cerveau. Pour les organes digestifs tels que l’intestin, ils ont conçu des fibres plus délicates et élastiques qui n’endommagent pas la muqueuse des organes tout en résistant à l’environnement hostile du tractus digestif.

« Pour étudier l’interaction entre le cerveau et le corps, il est nécessaire de développer des technologies qui puissent interagir à la fois avec les organes d’intérêt et le cerveau, tout en enregistrant des signaux physiologiques avec un rapport signal/bruit élevé », explique Sahasrabudhe. « Nous devons également être en mesure de stimuler sélectivement différents types de cellules dans les deux organes chez les souris afin de tester leurs comportements et d’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 temporairement fixé à l’animal pendant une expérience. Ce circuit de contrôle sans fil a été développé par Orguc, boursier Schmidt Science, et Harrison Allen, anciennement étudiant au MIT, conseillés conjointement par le laboratoire d’Anikeeva et le laboratoire d’Anantha Chandrakasan, doyen de l’école d’ingénierie du MIT et professeur Vannevar Bush de génie électrique et d’informatique.

Influencer le comportement

À l’aide de cette interface, les chercheurs ont réalisé une série d’expériences pour démontrer qu’ils pouvaient influencer le comportement en manipulant à la fois 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 (VTA), qui libère de la dopamine. Ils ont placé des souris dans une cage avec trois compartiments, et lorsque les souris entraient dans un compartiment particulier, les chercheurs activaient les neurones à dopamine. Cette explosion de dopamine rendait les souris plus enclines à retourner dans ce compartiment à la recherche de récompenses dopamine.

Ensuite, les chercheurs ont cherché à voir s’ils pouvaient également induire ce comportement de recherche de récompense en agissant sur l’intestin. Pour cela, ils ont utilisé les fibres dans l’intestin pour libérer du saccharose, ce qui a également déclenché la libération de dopamine dans le cerveau et incité les animaux à rechercher le compartiment dans lequel le saccharose avait été administré.

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 contournant le saccharose et en stimulant optogénétiquement les terminaisons nerveuses de l’intestin qui fournissent des informations au nerf vague, qui contrôle la digestion et d’autres fonctions corporelles.

« Encore une fois, nous avons obtenu ce comportement de préférence de lieu que l’on observe généralement avec une stimulation cérébrale, mais cette fois sans toucher le cerveau. Nous stimulons simplement l’intestin et observons le contrôle de la fonction centrale à partir de la périphérie », explique Anikeeva.

Sahasrabudhe a travaillé en étroite collaboration avec Rupprecht, chercheuse postdoctorale 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 optogénétiquement les cellules produisant la cholecystokinine, une hormone qui favorise la satiété. Lorsque cette libération d’hormones était activée, l’appétit des animaux était supprimé, même s’ils avaient jeûné pendant plusieurs heures. Les chercheurs ont également démontré un effet similaire lorsqu’ils stimulaient les cellules produisant un peptide appelé PYY, qui réduit normalement l’appétit après la consommation d’aliments très riches.

Les chercheurs prévoient maintenant d’utiliser cette interface pour étudier les affections neurologiques qui sont supposées avoir 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 des troubles gastro-intestinaux, tandis que l’anxiété et le syndrome du côlon irritable partagent des risques génétiques.

« Nous pouvons maintenant commencer à poser des questions plus précises sur les liens entre les systèmes digestif et cérébral », déclare Anikeeva. « Est-ce qu’il y a une interaction réciproque entre l’anxiété et les maladies intestinales ? Si nous pouvons commencer à étudier cela de manière plus systématique, nous pourrions essayer de trouver des moyens de traiter ces conditions en utilisant des interventions qui visent à réguler le cerveau via l’intestin. »

Cette recherche a été financée par la Fondation K. Lisa Yang et Hock E. Tan, le bureau du secrétaire adjoint à la recherche et à la technologie du MIT, les National Institutes of Health, la fondation McKnight et la fondation Simons.

Source : https://news.mit.edu/2023/unraveling-connections-between-brain-gut-0622

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