Par Mengyao et henry, depuis 凹非寺
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À l'instant, le prix Nobel 2026 de physiologie ou médecine vient d'être décerné !
Karl Deisseroth, Peter HegemannetGeorg Nagelsont les trois scientifiques lauréats conjointement.
La raison donnée par le comité Nobel est — la récompense de leurs découvertes sur les canaux ioniques contrôlés par la lumière et sur l'optogénétique.
Ce que les trois lauréats ont fondé ensemble, c'est l'une des percées méthodologiques les plus importantes des 20 dernières années en neurosciences :l'optogénétique(Optogenetics).
Sa percée la plus fondamentale : permettre aux scientifiques d'activer ou d'inhiber avec précision, à l'aide de la lumière, des types spécifiques de neurones à l'échelle de la milliseconde.
Auparavant, les chercheurs ne pouvaient souvent qu'observer qu'une région du cerveau ou un groupe de neurones s'activait de manière synchrone lors de la formation de souvenirs, de changements émotionnels, du contrôle moteur ou de l'apparition d'un comportement donné.
L'optogénétique a changé cela.
Les chercheurs peuvent manipuler activement l'activité de neurones spécifiques, puis observer si le comportement se produit, s'affaiblit ou disparaît en conséquence, faisant ainsi passer de nombreuses questions de l'observation de corrélations à la vérification de relations de cause à effet.
Cette méthode est ensuite devenue rapidement un outil essentiel pour l'étude des circuits neuronaux, et a été largement utilisée pour la mémoire, la récompense, la dépendance, le contrôle moteur, ainsi que pour l'étude des mécanismes de nombreuses maladies neurologiques et psychiatriques.
Et le point de départ de cette révolution des outils en neurosciences provient en fait d'une algue verte unicellulaire qui nage en poursuivant la lumière.
De l'interrupteur optique d'une algue verte au contrôle des neurones
Le point de départ de la voie technologique de l'optogénétique est en réalité tout à fait inattendu — une algue verte.
Certaines algues vertes unicellulaires changent de direction de nage en fonction de la lumière. Pour y parvenir, elles doivent disposer en leur sein d'un mécanisme capable de convertir rapidement la « lumière » en « signal électrique ».
Il s'agit essentiellement d'un canal ionique contrôlé par la lumière : lorsque la lumière l'atteint, le canal s'ouvre, les ions traversent la membrane cellulaire, et le potentiel de membrane change en conséquence.
Transposé aux neurones, ce qui est intéressant, c'est que la transmission d'informations par les neurones repose déjà sur les flux ioniques et les variations du potentiel de membrane.
Ainsi, dès lors qu'on insère ce canal ionique « qui s'ouvre à la lumière » dans des neurones, on peut en théorie contrôler directement par la lumière le moment où les neurones déchargent.
Ce qu'ont fait Peter Hegemann et Georg Nagel, c'est véritablement pousser cette porte.
Hegemann a longtemps étudié comment l'algue verte unicellulaire Chlamydomonas reinhardtii perçoit la lumière.
Cette algue verte n'a pas d'yeux, et pourtant elle nage en poursuivant la lumière ; Hegemann a donc très tôt conscience qu'elle pourrait receler une protéine capable de convertir directement un stimulus lumineux en signal électrique.
En 2002, Hegemann, Nagel et leurs collaborateurs ont identifié la première Channelrhodopsine.
En 2003, ils ont davantage caractérisé la Channelrhodopsin-2, c'est-à-dire ChR2, confirmant qu'il s'agit d'un canal cationique pouvant être ouvert directement par la lumière.
Ainsi fut trouvé un « interrupteur optique » présent naturellement dans une algue verte.
Ensuite, Karl Deisseroth en a véritablement fait un outil pour les neurosciences.
En 2005, l'équipe de Deisseroth a introduit la ChR2 dans des neurones de mammifères et a découvert qu'il suffisait d'une illumination par lumière bleue pour induire des potentiels d'action dans les neurones avec une précision de l'ordre de la milliseconde.
À ce stade, l'optogénétique était véritablement née, et les chercheurs pouvaient en outre recourir à des méthodes génétiques pour faire exprimer cette protéine photosensible uniquement par des types spécifiques de neurones.
Ainsi, une chose autrefois très difficile à réaliser est devenue soudainement opérationnelle —
sélectionner une catégorie de neurones, leur installer un « interrupteur optique », puis utiliser la lumière pour contrôler précisément quand ils s'activent et quand ils se taisent.
L'aspect le plus important de l'optogénétique, c'est qu'elle a résolu un problème de longue date en neurosciences : comment passer de « voir l'activité du cerveau » à « vérifier qui contrôle réellement le comportement ».
Par la suite, cette méthode a été largement utilisée pour étudier la mémoire, le sommeil, la récompense, la toxicomanie, le mouvement, l'anxiété, la dépression, le comportement social, ainsi que divers circuits cérébraux liés aux maladies neurologiques et psychiatriques.
Son plus grand avantage est également très clair : elle permet non seulement de cibler des types cellulaires spécifiques, mais offre aussi une très haute précision spatiale, tout en permettant un contrôle temporel à l'échelle de la milliseconde.
Au cours des 20 dernières années, les chercheurs ont continué à modifier la Channelrhodopsin.
Certaines versions répondent plus rapidement, d'autres peuvent être activées par des lumières de différentes couleurs, certaines servent à « activer » les neurones, d'autres à « désactiver » les neurones.
C'est pourquoi, dans le communiqué officiel du prix Nobel de cette année, les deux parties ont été délibérément mentionnées côte à côte : « light-gated ion channels » et « optogenetics ».
La première partie correspond aux découvertes et aux travaux sur les mécanismes des canaux ioniques contrôlés par la lumière menés par Hegemann, Nagel et d'autres.
La seconde partie correspond aux travaux de Deisseroth et d'autres qui ont réellement introduit ces outils moléculaires dans le système nerveux et en ont fait un ensemble technologique capable de manipuler les circuits neuronaux.
Les contributions des trois personnes, mises bout à bout, constituent en réalité un parcours très complet —
d'abord trouver l'« interrupteur photochimique » dans les algues vertes, puis l'installer dans les neurones, et enfin permettre aux scientifiques, pour la première fois, de contrôler avec précision des cellules spécifiques du cerveau à l'aide de la lumière.
Trois scientifiques ont assemblé les trois pièces les plus cruciales du puzzle de l'optogénétique
Karl Alexander Deisseroth (en chinois : 卡尔·亚历山大·代塞尔罗思)
Karl Alexander Deisseroth (1971-11-18) est un neuroscientifique, psychiatre et ingénieur en biologie américain. Il est actuellement professeur de génie biologique ainsi que de psychiatrie et sciences du comportement à l'Université Stanford, et chercheur au Howard Hughes Medical Institute.
Son parcours est typiquement à cheval entre la médecine, les neurosciences et l'ingénierie.
En 1992, Deisseroth est diplômé de l'Université Harvard en sciences biochimiques, puis il a intégré le programme MD-PhD de Stanford, obtenant un doctorat en neurosciences en 1998 et un doctorat en médecine en 2000.
Ce qui l'a véritablement placé au centre de l'optogénétique, c'est le travail réalisé en 2005.
À l'époque, Deisseroth, avec Edward Boyden, Zhang Feng et d'autres, a introduit la Channelrhodopsin-2, c'est-à-dire la ChR2, dans des neurones de mammifères, puis a découvert que —
il suffisait d'une illumination par lumière bleue pour contrôler avec une précision de l'ordre de la milliseconde la production de potentiels d'action par les neurones.
Cette étape a directement transformé les « canaux ioniques contrôlés par la lumière », auparavant présents dans les micro-organismes, en un outil utilisable pour manipuler le système nerveux.
Par la suite, l'équipe de Deisseroth a continué à faire progresser l'optogénétique et a développé des techniques de clarification tissulaire et d'imagerie telles que CLARITY.
Sa contribution est donc très claire : il a réellement introduit les canaux ioniques contrôlés par la lumière dans les neurosciences, faisant de « contrôler les neurones avec la lumière » une méthode utilisable à grande échelle.
Peter Hegemann｜彼得·黑格曼
Peter Hegemann (1954-12-11) est un biophysicien allemand. Il est actuellement professeur de biophysique expérimentale à l'Université Humboldt de Berlin et titulaire de la chaire Hertie de neurosciences.
Par rapport à Deisseroth, Hegemann a suivi une voie de recherche fondamentale plus pure.
Né à Münster en Allemagne, il a étudié la chimie et la biochimie successivement à l'Université de Münster et à l'Université de Munich, et a achevé son doctorat en 1984 à l'Institut Max-Planck de biochimie.
À partir de 1993, il a été professeur à l'Université de Ratisbonne, avant de rejoindre l'Université Humboldt de Berlin.
Depuis des décennies, Hegemann étudie une question qui semble très fondamentale : comment les microalgues unicellulaires perçoivent-elles la lumière ?
Ces recherches ont ensuite directement mené à la Channelrhodopsin.
Avec Georg Nagel et d'autres, il a découvert et caractérisé la channelrhodopsine, démontrant que cette protéine peut intégrer en une seule molécule la perception de la lumière et le contrôle des flux d'ions.
Pour l'optogénétique, cette étape a représenté la découverte de la « pièce » la plus essentielle.
Sans ce canal ionique contrôlé par la lumière présent naturellement, toute la technologie de « contrôle des neurones par la lumière » n'aurait jamais pu voir le jour.
Georg Nagel｜格奥尔格·纳格尔
Georg Nagel, né en 1953, est biophysicien allemand et actuellement professeur à l'Université de Wurtzbourg ; il étudie depuis longtemps les photorécepteurs microbiens, les protéines membranaires ainsi que les outils de l'optogénétique.
Nagel est né à Weingarten, en Allemagne ; il a étudié la biologie et la biophysique à l'Université de Constance et a obtenu son doctorat à l'Université de Francfort en 1988.
Par la suite, il a effectué des recherches postdoctorales à l'Université Yale et à l'Université Rockefeller, puis a dirigé pendant longtemps un groupe de recherche à l'Institut Max Planck de biophysique.
Sa contribution la plus décisive se concentre sur les années où l'identité de la Channelrhodopsin a véritablement été « clouée au pilori ».
En 2002 et en 2003, Nagel avec Hegemann et d'autres ont successivement identifié et caractérisé la Channelrhodopsin-1 et la Channelrhodopsin-2.
Parmi celles-ci, la ChR2 est particulièrement cruciale.
Ils ont démontré que la ChR2 est elle-même un canal cationique pouvant être directement activé par la lumière, et qu'une fois introduite dans des cellules de mammifères, l'illumination suffit à dépolariser la membrane cellulaire.
Cette étape a pratiquement fourni directement la voie technique ultérieure : puisque la lumière peut modifier l'activité électrique de la membrane cellulaire via la ChR2, en l'insérant dans des neurones, on a la possibilité de contrôler directement la décharge des neurones.
Hegemann et Nagel ont trouvé et élucidé l'« interrupteur optique » lui-même, tandis que Deisseroth a réellement inséré cet « interrupteur optique » dans des neurones et l'a développé en optogénétique.
Grâce à cette succession d'avancées, le système technologique complet d'aujourd'hui permettant d'étudier le cerveau par la lumière a pu voir le jour.
Liens de référence :
[1]
Profil de Karl Deisseroth : https://med.stanford.edu/profiles/karl-deisseroth
[2]
Page du prix Brain Prize 2013 pour l'optogénétique, Peter Hegemann : https://brainprize.org/winners/optogenetics-2013/peter-hegemann
[3]
Page du groupe de Peter Hegemann, professeur : https://www.biologie.hu-berlin.de/de/gruppenseiten/expbp/groupmembers/prof.-hegemann-peter