Grâce aux rayons X, la cartographie cérébrale à haute résolution est à portée de main

«Le cerveau est l’un des systèmes biologiques les plus complexes au monde», rappelle Adrian Wanner, chef du groupe de recherche Neurobiologie structurale à l’Institut Paul Scherrer PSI. Son équipe s’efforce d’élucider la manière dont les neurones sont connectés entre eux. Un champ de recherche connu sous le nom de connectomique. 

«Prenez le foie, poursuit le chercheur. Nous savons qu’il abrite une quarantaine de types de cellules. Nous savons comment elles sont disposées et nous connaissons leurs fonctions. Ce n’est pas le cas pour le cerveau. Dès lors, on pourrait s’interroger: quelle est la différence entre le cerveau et le foie? Si l’on se penche sur un corps cellulaire dans le cerveau et un corps cellulaire dans le foie, ils ne sont pas faciles à distinguer l’un de l’autre. Ils ont tous les deux un noyau, un réticulum endoplasmique, la même machinerie intercellulaire, les mêmes molécules, les mêmes types de protéines. Il n’y a pas de différence. En revanche, la manière dont les cellules cérébrales sont organisées et connectées est complètement différente.» 

Parlons chiffres également: un millimètre cube de tissu cérébral contient quelque 100 000 neurones qui sont connectés entre eux par environ 700 millions de synapses et 4 kilomètres de «câblage».

La manière dont ces neurones sont connectés les uns aux autres par des synapses détermine la manière dont le cerveau fonctionne. Elle est également sous-jacente à des maladies comme la maladie d’Alzheimer. La complexité de ce câblage est extraordinairement difficile à étudier. «Si vous prenez un réseau neuronal composé de 17 neurones, il y a plus de façons de les connecter qu’il n’y a d’atomes dans l’univers, relève Adrian Wanner. On ne peut donc pas se contenter d’essayer de le modéliser. Il faut le mesurer.» 

Dans le contexte de cet immense problème, une avancée technologique majeure a été réalisée par Adrian Wanner et ses collègues à la Source de Lumière Suisse SLS, en collaboration avec le Francis Crick Institute au Royaume-Uni.

Les rayons X scrutent l’ultrastructure 

Actuellement, la technique de référence pour ce type d’imagerie est la microscopie électronique volumique. Comme les électrons ne pénètrent que de manière superficielle, il faut découper des tissus cérébraux de quelques millimètres cube en dizaines de milliers de sections ultrafines. Puis ces dernières sont imagées individuellement et reconstruites par ordinateur afin de cartographier la connectivité 3D des neurones à travers les coupes: un processus très souvent sujet aux erreurs et qui entraîne inévitablement une perte d’informations. 

Une solution réside dans les rayons X. Ils peuvent en effet pénétrer de plusieurs millimètres, voire de plusieurs centimètres, et permettraient donc en principe d’imager des morceaux de cerveau sans qu’il soit nécessaire de les sectionner. 

A la ligne de faisceau de la SLS, qui utilise la diffusion cohérente de rayons X aux petits angles (coherent small-angle X-ray scattering beamline en anglais ou cSAXS), des rayons X de haute brillance ont permis de visualiser des puces informatiques avec une résolution de tout juste 4 nanomètres. Un record du monde. «Mais avec les tissus biologiques, on se heurte au problème du contraste, explique Ana Diaz, scientifique à la ligne de faisceau cSAXS. Les puces informatiques sont faites de câbles de cuivre, qui sont naturellement très contrastés. Mais lorsque nous avons affaire à des éléments constitutifs de la vie – protéines, lipides et ainsi de suite – dans une matrice dominée par l’eau, l’interaction avec les rayons X est très faible et il est plus difficile d’obtenir une haute résolution.» 

Pour relever ces défis liés au contraste, les scientifiques colorent les tissus cérébraux en utilisant des métaux lourds. Mais en absorbant les rayons X, ces mêmes métaux lourds entraînent un autre problème: la déformation de l’échantillon. Le fait d’incorporer des matériaux peut stabiliser l’échantillon, mais ces mêmes matériaux présentent également des inconvénients: ils se déforment sous l’effet des rayons X, induisent la formation de bulles et détruisent la fine ultrastructure du tissu cérébral. 

Une résine pour l’industrie aérospatiale 

Afin de surmonter ce problème, Adrian Wanner, Ana Diaz et leurs collègues ont mis au point une nouvelle approche. Leur principal développement est une résine époxy capable d’infiltrer les tissus biologiques et qui offre en même temps une exceptionnelle tolérance aux radiations. Ce matériau est d’habitude utilisé dans l’aérospatiale, l’industrie nucléaire et les accélérateurs de particules. 

En complément, ils ont spécialement conçu une platine qui leur permet d’imager les échantillons refroidis à moins 178 degrés Celsius à l’aide d’azote liquide. Enfin, un algorithme de reconstruction compense les légères déformations qui surviennent malgré tout.

Avec cette approche, les scientifiques ont été en mesure d’étudier des tissus cérébraux de souris de 10 micromètres d’épaisseur et d’atteindre une résolution en 3D de 38 nanomètres. «Nous pensons avoir établi un record en matière de résolution obtenue grâce à l’imagerie par rayons X sur un tissu biologique étendu», affirme Ana Diaz. 

A cette résolution, ils ont pu identifier de manière fiable les synapses et d’autres caractéristiques des neurones et de leurs connexions, comme les axones et les dendrites. «Ce n’est pas une percée en termes d’informations sur le cerveau, mais cela correspond aux meilleurs résultats fournis par la microcopie électronique volumique qui est actuellement la norme de référence, ajoute Adrian Wanner. Ce qui est passionnant, c’est que cela marque le début de tout ce qui va suivre.» 

Les rayons X cohérents vont connaître un essor grâce à la mise à niveau de la SLS 

Même si un échantillon d’une dizaine de micromètres de tissu cérébral peut sembler bien mince, il est en réalité déjà plus épais que les lamelles étudiées à la microscopie électronique, et ce de plusieurs ordres de magnitude. Actuellement, le temps d’acquisition est un facteur limitant en termes de taille d’échantillon: recueillir suffisamment de données pour reconstituer une image à haute résolution peut prendre des jours. Ce goulet d’étranglement est lié aux rayons X.

Les scientifiques utilisent une technique appelée ptychographie: ce type d’imagerie n’utilise pas des lentilles, mais repose sur des rayons X cohérents. «Or c’est précisément sur la cohérence que nous allons pouvoir progresser avec la mise à niveau de la SLS», souligne Ana Diaz.

La SLS vient de faire l’objet d’une mise à niveau complète pour devenir un synchrotron de 4^e génération, le type de synchrotron le plus avancé au monde. Grâce à ces progrès technologiques, les expériences de ptychographie menées la ligne de faisceau cSAXS bénéficieront d’un flux de rayons X cohérents jusqu’à 100 fois plus élevé. 

«Avec 100 fois plus de photons de rayons X qui frappent notre échantillon chaque seconde, nous devrions en principe être en mesure soit d’imager l’échantillon 100 fois plus rapidement, soit d’imager des volumes 100 fois plus grands, explique Ana Diaz. Dans la pratique, nous devrons apprendre à procéder de manière efficace. Mais le potentiel est là.» 

Cette publication coïncide avec une étape importante pour la ligne de faisceau cSAXS: en juillet 2025, les premiers rayons X y ont été observés après la mise à niveau. Maintenant que les obstacles techniques à l’utilisation de la ptychographie à rayons X pour l’imagerie biologique ont été surmontés, la voie est ouverte à l’étude en 3D et à haute résolution d’échantillons beaucoup plus grands de tissu cérébral.