Si le système nerveux humain était une vaste carte 3D répartie dans tout le corps, la majeure partie de cette carte serait longtemps restée invisible. Les scientifiques pouvaient voir des cellules individuelles ou des régions floues du cerveau, mais ils ne pouvaient pas suivre une seule fibre nerveuse depuis le bout d’un doigt, en passant par les muscles et les os, jusqu’à la moelle épinière, tout en préservant toute la structure intacte.
« Nous voulions simplement voir à quoi ressemble réellement un seul neurone sensoriel. Personne n’avait jamais fait cela auparavant », a déclaré Zhao Hu, chercheur associé à l’Institut chinois de recherche sur le cerveau (CIBR), à CGTN.
Poussée par cette curiosité, l’équipe dirigée par Zhao s’est lancée dans un ambitieux voyage de recherche. Pour atteindre cet objectif, ils ont repoussé les limites des technologies existantes et ont créé une série de nouveaux outils en cours de route. Et ces premiers « sous-produits » ont évolué au-delà de leur rôle de soutien, révélant progressivement une valeur scientifique et pratique à part entière.
Avant que les chercheurs puissent examiner en profondeur les tissus biologiques, ceux-ci doivent d’abord être rendus transparents.
« Les tissus biologiques sont en réalité semi-transparents par nature », a déclaré Zhao. « Il y a deux raisons pour lesquelles les tissus semblent opaques. La première est que des éléments comme les pigments, le sang et les os bloquent la lumière. L’autre, plus importante, est la diffusion. Notre corps contient de nombreux matériaux avec différents indices de réfraction, comme l’eau et les lipides. Lorsque la lumière rencontre tous ces différents matériaux, elle se disperse au lieu de passer directement à travers », a-t-il expliqué.
Bien que les technologies d’élimination des tissus aient considérablement progressé ces dernières années, elles se heurtent toujours à deux goulots d’étranglement majeurs lorsqu’elles sont appliquées à de grands échantillons tels qu’un cerveau entier ou même un corps entier. Premièrement, les tissus ne peuvent pas être rendus parfaitement transparents, ce qui entraîne une détérioration de la qualité de l’image avec la profondeur. Deuxièmement, les objectifs de microscope à haute résolution ont des distances de travail limitées, ce qui les empêche d’imager des spécimens épais.
Pour surmonter ces limitations, l’équipe de Zhao a développé une nouvelle approche connue sous le nom de Transparent Embedding Solvent System (TESOS).
« Les protéines – les principaux éléments constitutifs de notre corps – sont en réalité transparentes », a déclaré Zhao. « C’est tout ce qui les entoure qui rend les tissus opaques. En éliminant l’eau et les lipides qui contribuent à la diffusion de la lumière et en introduisant une solution éclaircissante qui égalise les indices de réfraction, les tissus deviennent soudainement remarquablement transparents. »
Le tissu nettoyé est ensuite noyé dans une résine transparente et durcie, créant une structure stable ressemblant à de l’ambre.
Cette conception résout simultanément deux problèmes de longue date. Il permet une imagerie de haute qualité en profondeur dans les tissus tout en augmentant considérablement la résistance mécanique – de plus de 150 fois dans le tissu cérébral – permettant un découpage précis et une imagerie continue sans déformation.
« Une fois que le tissu devient transparent, nous pouvons utiliser des systèmes d’imagerie tridimensionnelle tels que des microscopes confocaux pour numériser couche par couche et reconstruire sa structure interne en 3D », a déclaré Zhao.
« Lorsque nous construisons les microscopes que nous envisageons, nous proposons constamment de nouvelles idées », a déclaré Zhao. « Je souhaite peut-être modifier un composant ou créer quelque chose d’entièrement nouveau. Mais je ne connais pas la construction mécanique, l’usinage ni même le dessin technique. Je n’ai qu’une idée. »
Il lui suffisait de contacter le centre d’instrumentation du CIBR et de décrire ce qu’il avait en tête. Les ingénieurs aideraient ensuite à concevoir, fabriquer et affiner les composants nécessaires pour les concrétiser. Selon Zhao, bon nombre des technologies développées au cours du projet n’auraient pas été possibles sans ce niveau de soutien institutionnel.
Récemment, l’équipe a achevé ce qu’elle considère comme le premier projet d’imagerie cérébrale entière de souris au monde à une résolution de 30 nanomètres.
« L’ensemble de données final représentait environ 2 pétaoctets », a déclaré Zhao. « La quantité de données est presque inimaginable. Le simple fait de les stocker devient un défi. »
Pour gérer ces ensembles de données, ils ont développé de toutes pièces de nouveaux algorithmes de compression de données et des logiciels de traitement.
« De nombreuses nouvelles technologies ont émergé de ce projet », a déclaré Zhao. « De nouveaux microscopes, de nouvelles méthodes de traitement des échantillons, de nouvelles techniques d’étiquetage et de nouveaux systèmes logiciels. Certains d’entre eux commencent à évoluer vers des applications allant au-delà du projet initial. »
De telles réalisations, a-t-il souligné, auraient été impossibles à réaliser pour un seul laboratoire.
« Les conditions offertes par le CIBR sont extrêmement uniques. Il n’existe qu’une poignée d’endroits dans le monde qui peuvent offrir ce type d’environnement », a noté Zhao.
La valeur de TESOS va bien au-delà de la production d’images saisissantes. Cette technologie pourrait devenir une infrastructure fondamentale pour les neurosciences et la recherche biomédicale.
La méthode TESOS devrait aider les scientifiques à établir des schémas de câblage détaillés du cerveau et du corps, tout en fournissant de nouvelles informations sur les maladies neurologiques.
« Notre plus grande vision est d’appliquer l’imagerie transparente tridimensionnelle à la pathologie médicale », a-t-il déclaré.
La pathologie traditionnelle n’examine que de fines tranches de tissu, laissant la majeure partie d’un spécimen invisible. L’équipe de Zhao explore une nouvelle approche : rendre des échantillons entiers transparents et les visualiser en trois dimensions, une stratégie qui pourrait améliorer la précision et l’efficacité du diagnostic.
Ce qui a commencé comme un effort visant simplement à voir le système nerveux plus clairement pourrait à terme remodeler la façon dont les scientifiques et les médecins perçoivent la biologie elle-même.
