Les découvertes qui transcendent les frontières font partie des plus grands délices de la recherche scientifique, mais de tels sauts sont souvent négligés car ils dépassent la pensée conventionnelle. Prenons, par exemple, une nouvelle découverte pour traiter la démence qui défie la sagesse reçue en combinant deux domaines de recherche auparavant indépendants: les ondes cérébrales et les cellules immunitaires du cerveau, appelées microglie. C’est une découverte importante, mais elle nécessite toujours l’adhésion et la compréhension des chercheurs pour atteindre son véritable potentiel. L’histoire des ondes cérébrales montre pourquoi.
En 1887, Richard Caton a annoncé sa découverte des ondes cérébrales lors d’une réunion scientifique. « Lisez mon article sur les courants électriques du cerveau », a-t-il écrit dans son journal personnel. « Il a été bien reçu mais pas compris par la plupart du public. »Même si les observations de Caton sur les ondes cérébrales étaient correctes, sa pensée était trop peu orthodoxe pour que d’autres puissent la prendre au sérieux. Face à un tel désintérêt, il abandonna ses recherches et la découverte fut oubliée pendant des décennies.
Flash avant octobre 2019. Lors d’un rassemblement de scientifiques que j’ai aidé à organiser lors de la réunion annuelle de la Society for Neuroscience à Chicago, j’ai demandé si quelqu’un connaissait les recherches récentes de neuroscientifiques du Massachusetts Institute of Technology qui avaient trouvé une nouvelle façon de traiter la maladie d’Alzheimer en manipulant la microglie et les ondes cérébrales. Personne n’a répondu.
J’ai compris: Les scientifiques doivent se spécialiser pour réussir. Les biologistes qui étudient la microglie n’ont pas tendance à lire des articles sur les ondes cérébrales, et les chercheurs en ondes cérébrales ignorent généralement la recherche gliale. Une étude qui relie ces deux disciplines traditionnellement distinctes pourrait ne pas gagner du terrain. Mais cette étude avait besoin d’attention: aussi incroyable que cela puisse paraître, les chercheurs ont amélioré le cerveau des animaux atteints de la maladie d’Alzheimer simplement en utilisant des lumières LED qui clignotaient 40 fois par seconde. Même le son joué à cette fréquence charmée, 40 hertz, a eu un effet similaire.
Aujourd’hui, les ondes cérébrales sont un élément essentiel de la recherche en neurosciences et du diagnostic médical, bien que les médecins ne les aient jamais manipulées pour traiter les maladies dégénératives auparavant. Ces champs électromagnétiques oscillants sont produits par des neurones du cortex cérébral déclenchant des impulsions électriques lorsqu’ils traitent l’information. Tout comme les gens tapant des mains en synchronie génèrent des applaudissements rythmiques tonitruants, l’activité combinée de milliers de neurones qui tirent ensemble produit des ondes cérébrales.
Ces ondes se présentent sous différentes formes et dans de nombreuses fréquences différentes. Les ondes alpha, par exemple, oscillent à des fréquences de 8 à 12 hertz. Ils se déclenchent lorsque nous fermons les yeux et éteignons la stimulation externe qui stimule l’activité des ondes cérébrales à plus haute fréquence. Les ondes gamma à oscillation rapide, qui se réverbèrent à des fréquences de 30 à 120 hertz, présentent un intérêt particulier dans la recherche sur la maladie d’Alzheimer, car leur période d’oscillation est bien adaptée à la période de centième de seconde de la signalisation synaptique dans les circuits neuronaux. Les ondes cérébrales sont importantes dans le traitement de l’information car elles peuvent influencer le déclenchement neuronal. Les neurones déclenchent une impulsion électrique lorsque la différence de tension entre l’intérieur et l’extérieur du neurone atteint un certain point de déclenchement. Les pics et creux des oscillations de tension dans les ondes cérébrales poussent le neurone plus près du point de déclenchement ou plus loin de celui-ci, stimulant ou inhibant ainsi sa tendance au feu. La montée de tension rythmique regroupe également les neurones, les faisant s’allumer en synchronie alors qu’ils « roulent » sur différentes fréquences d’ondes cérébrales.
Je le savais déjà beaucoup, alors pour mieux comprendre le nouveau travail et ses origines, j’ai fait appel à Li-Huei Tsai, neuroscientifique au MIT. Elle a dit que l’idée d’utiliser l’une de ces fréquences pour traiter la maladie d’Alzheimer est venue d’une curieuse observation. « Nous avions remarqué dans nos propres données, et dans celles d’autres groupes, que la puissance du rythme de 40 hertz et la synchronie sont réduites dans les modèles murins de la maladie d’Alzheimer”, a-t-elle déclaré, ainsi que chez les patients atteints de la maladie. Apparemment, si vous souffrez de la maladie d’Alzheimer, votre cerveau ne produit pas de fortes ondes cérébrales à cette fréquence particulière. En 2016, son étudiante diplômée Hannah Iaccarino a estimé que l’augmentation de la puissance de ces ondes gamma affaiblies serait peut-être utile pour traiter cette démence sévère et irréversible.
Pour augmenter la puissance des ondes gamma, l’équipe s’est tournée vers la stimulation optogénétique, une technique novatrice qui permet aux chercheurs de contrôler comment et quand les neurones individuels se déclenchent en faisant briller des lasers directement dans eux, via des câbles à fibres optiques implantés dans le cerveau. L’équipe de Tsai a stimulé les neurones du cortex visuel de souris atteintes de la maladie d’Alzheimer, ce qui leur a permis de déclencher des impulsions à 40 hertz. Les résultats, publiés en 2016 dans Nature, ont montré une réduction marquée des plaques amyloïdes, une caractéristique de la maladie.
C’était une bonne indication que ces ondes cérébrales pourraient aider, mais l’équipe de Tsai savait qu’une approche optogénétique n’était pas une option pour les humains atteints de la maladie, en raison de préoccupations éthiques. Ils ont commencé à chercher d’autres moyens d’augmenter l’activité des ondes gamma du cerveau. Emery Brown, collègue du MIT de Tsai, l’a pointée vers un article plus ancien montrant que vous pouvez augmenter la puissance des ondes gamma dans le cerveau d’un chat simplement en le regardant fixement sur un écran éclairé par une lumière stroboscopique scintillant à certaines fréquences, y compris 40 hertz. « Hannah et nos collaborateurs ont construit un système pour essayer cette stimulation sensorielle chez la souris, et cela a fonctionné”, m’a dit Tsai. La pensée est que les lumières clignotantes fouettent les ondes gamma parce que l’entrée sensorielle rythmique met les circuits neuronaux « à bascule” à cette fréquence, comme lorsque les gens sortent une voiture coincée d’une ornière en poussant ensemble en rythme.
En fait, les lumières stroboscopiques ont eu un effet supplémentaire sur les souris: elles ont également éliminé les plaques amyloïdes. Mais il n’était pas clair exactement comment la stimulation optogénétique ou la thérapie par la lumière clignotante pouvaient le faire.
Suite à un indice d’Alois Alzheimer lui-même, les chercheurs ont rapidement déplacé leur attention des neurones vers la microglie. Dans la première description d’Alzheimer de tissus cérébraux prélevés sur des patients atteints de ”démence présénile », qu’il a examinée au microscope au tournant du 20e siècle, il a noté que les dépôts de plaques amyloïdes étaient entourés de ces cellules immunitaires. Des recherches ultérieures ont confirmé que la microglie engloutissait les plaques marquant le cerveau de ces patients.
Tsai et ses collègues ont décidé de vérifier ces cellules immunitaires chez les animaux dont ils avaient stimulé les ondes cérébrales. Ils ont observé que la microglie chez tous les animaux traités avait augmenté de taille et qu’un plus grand nombre d’entre eux digéraient des plaques amyloïdes.
Comment ces cellules ont-elles su faire cela? Contrairement aux cellules immunitaires de la circulation sanguine, qui ignorent les transmissions neuronales, la microglie du cerveau est à l’écoute des rythmes de l’activité électrique dans le cerveau. Alors que les cellules immunitaires dans la circulation sanguine et la microglie dans le cerveau ont toutes deux des capteurs cellulaires pour détecter les maladies et les blessures, la microglie peut également détecter les neurones déclenchant des impulsions électriques. C’est parce qu’ils ont les mêmes récepteurs de neurotransmetteurs que les neurones utilisent pour transmettre des signaux par les synapses. Cela donne à la microglie la capacité d' »écouter” les informations circulant dans les réseaux de neurones et, lorsque ces transmissions sont perturbées, de prendre des mesures pour réparer les circuits. Ainsi, les ondes cérébrales droites peuvent conduire la microglie à consommer les dépôts de protéines toxiques.
« Je trouve que cette intersection est l’un des résultats les plus passionnants et intrigants de notre travail”, m’a dit Tsai. Son équipe a rapporté l’année dernière dans Neuron que la prolongation de la lumière stroboscopique LED clignotante pendant trois à six semaines a non seulement éliminé les plaques toxiques dans le cerveau des souris, mais a également empêché les neurones de mourir et même préservé les synapses, que la démence peut détruire.
L’équipe voulait savoir si d’autres types d’entrées sensorielles rythmiques pouvaient également faire vibrer les circuits neuronaux comme une voiture coincée, produisant des ondes gamma qui se traduisaient par moins de plaques amyloïdes. Dans une étude élargie sur les cellules, ils ont rapporté que, tout comme le fait de voir des flashs à 40 hertz entraînait moins de plaques dans le cortex visuel, la stimulation sonore à 40 hertz réduisait la protéine amyloïde dans le cortex auditif. D’autres régions ont été touchées de la même manière, notamment l’hippocampe — crucial pour l’apprentissage et la mémoire — et les souris traitées ont obtenu de meilleurs résultats aux tests de mémoire. L’exposition des souris aux deux stimuli, un spectacle de lumière synchronisé avec un son pulsatoire, a eu un effet encore plus puissant, réduisant les plaques amyloïdes dans les régions du cortex cérébral, y compris la région préfrontale, qui exerce des fonctions exécutives de niveau supérieur qui sont altérées dans la maladie d’Alzheimer.
J’ai été étonné, alors juste pour m’assurer que je ne m’enthousiasmais pas trop de la possibilité d’utiliser des lumières et des sons clignotants pour traiter les humains, j’ai parlé à Hiroaki Wake, un neuroscientifique de l’Université de Kobe au Japon qui n’était pas impliqué dans le travail. « Ce serait fantastique! » dit-il. « Le traitement peut également être efficace pour un certain nombre de troubles neurodégénératifs comme la maladie de Parkinson et la SLA”, où la microglie joue également un rôle. Il note cependant que si le lien entre la microglie et les oscillations cérébrales est bien fondé, le mécanisme biologique par lequel la stimulation à 40 hertz pousse la microglie à éliminer les plaques et à sauver les neurones de la destruction reste inconnu.
Tsai a déclaré que le mystère pourrait bientôt être résolu. Une équipe de chercheurs du Georgia Institute of Technology, dont Annabelle Singer, vétéran du Tsai lab, a présenté une possibilité dans un article de février. Ils ont rapporté que chez des souris normales, la stimulation gamma avec des lumières LED induisait rapidement une microglie à générer des cytokines, des protéines que les neurones (et les cellules immunitaires en général) utilisent pour se signaler les uns les autres. Ils sont l’un des principaux régulateurs de la neuroinflammation en réponse aux lésions cérébrales et aux maladies, et la microglie les a libérés étonnamment rapidement, en seulement 15 à 60 minutes après la stimulation. « Ces effets sont plus rapides que vous ne le voyez avec de nombreux médicaments qui ciblent la signalisation immunitaire ou l’inflammation”, a déclaré Singer.
Les cytokines se présentent sous de nombreuses formes, et l’étude a révélé que pour que la microglie produise différents types, il fallait des fréquences spécifiques. ”La stimulation neuronale n’active pas seulement la signalisation immunitaire », a déclaré Singer. Il a fallu un rythme particulier pour produire ces protéines particulières. « Différents types de stimulation pourraient être utilisés pour régler la signalisation immunitaire comme vous le souhaitez. »
Cela signifie que les médecins pourraient potentiellement traiter différentes maladies simplement en variant les rythmes lumineux et sonores qu’ils utilisent. Les différents stimuli entraîneraient les neurones à produire des fréquences d’ondes cérébrales appropriées, provoquant la libération de types spécifiques de cytokines par la microglie voisine, qui indiquent à la microglie en général comment travailler à réparer le cerveau.
Bien sûr, il peut encore s’écouler un certain temps avant que de tels traitements ne soient disponibles pour les patients. Et même alors, il peut y avoir des effets secondaires. ”La stimulation sensorielle rythmique affecte probablement de nombreux types de cellules du tissu cérébral », a déclaré Tsai. « La façon dont chacun d’eux détecte et réagit aux oscillations gamma est inconnue. »Wake a également souligné que la stimulation rythmique pouvait faire plus de mal que de bien, car de tels stimuli pouvaient induire des convulsions, fréquentes dans de nombreux troubles psychiatriques et neurodégénératifs.
Pourtant, les avantages potentiels sont grands. L’équipe de Tsai vient de commencer à évaluer sa méthode à la lumière stroboscopique sur les patients, et ils sont sûrs d’être rejoints par d’autres à mesure que de plus en plus de chercheurs apprendront ce travail prometteur. (La plupart des experts à qui j’ai parlé n’étaient pas au courant de cette recherche jusqu’à ce que je demande.)
Tout comme de nouvelles espèces surgissent aux frontières entre les écosystèmes, de nouvelles sciences peuvent s’épanouir à l’interface entre les disciplines. Il faut un œil aiguisé pour le repérer, mais comme l’a constaté Richard Caton, cela peut également nécessiter un peu de persuasion pour convaincre les autres.