Le comité Nobel de l'Institut Karolinska a décerné lundi 5 octobre le prix de médecine à Karl Deisseroth, professeur à l'université Stanford, Peter Hegemann, de l'université Humboldt de Berlin, et Georg Nagel, de l'université de Wurtzbourg. Ils sont récompensés pour leurs découvertes sur des protéines capables de réagir à la lumière, qui permettent aujourd'hui d'allumer ou d'éteindre des neurones à volonté. Cortex Média vous explique tout.
Une histoire d'algue
L'histoire a commencé loin du cerveau, avec une algue particulière : Chlamydomonas reinhardtii. Cette algue verte, formée d'une seule cellule, nage grâce à deux petits filaments appelés flagelles. Elle se dirige vers la lumière dont elle a besoin pour se nourrir, et s'en éloigne quand celle-ci devient trop forte. Pour s'orienter, elle possède une tache oculaire, une sorte d'œil très simple dont le fonctionnement restait un mystère pour les chercheurs.
Dans les années 1980, le biologiste allemand Peter Hegemann s'intéresse à cet « œil ». Avec ses collègues, il découvre que la molécule qui capte la lumière appartient à la famille des rhodopsines. Ce sont des protéines proches de celles que l'on trouve dans notre propre œil, et qui fonctionnent grâce au rétinal, une protéine fabriquée à partir de la vitamine A.
Peter Hegemann remarque que chez l'algue, un éclair de lumière produit un courant électrique presque instantanément. Dans l'œil humain le signal passe par plusieurs étapes avant de partir vers le cerveau. Il imagine alors une explication audacieuse pour l'époque : chez cette algue, une seule et même protéine servirait à la fois à détecter la lumière et à laisser passer le courant électrique.
Il faut attendre le début des années 2000 pour le prouver. Georg Nagel, spécialiste de l'activité électrique des cellules, travaille alors à l'Institut Max-Planck de biophysique de Francfort. Il sait faire produire des protéines par des œufs de grenouille, puis mesurer le courant qui les traverse. En 2002, les deux chercheurs montrent qu'une de ces protéines, qu'ils baptisent channelrhodopsine, s'ouvre comme une petite porte dès qu'on l'éclaire et laisse passer des particules électriquement chargées. Un an plus tard, ils décrivent une seconde version, la channelrhodopsine-2, qui réagit à la lumière bleue et fonctionne aussi dans les cellules de mammifères. Ils comprennent tout de suite l'intérêt de leur découverte : si l'on place cette protéine dans n'importe quelle cellule, on pourra l'activer simplement en l'éclairant.
De la recherche à la pratique
C'est l'Américain Karl Deisseroth qui va transformer cette idée en véritable outil. Psychiatre, il soigne des patients atteints de dépression sévère et dirige en parallèle un laboratoire à Stanford. Il constate que les médicaments et les électrodes agissent sur tous les neurones d'une zone du cerveau à la fois, sans faire de tri, alors que ces neurones n'ont pas tous le même rôle. En 2005, avec deux jeunes chercheurs de son équipe, Edward Boyden et Feng Zhang, il introduit la channelrhodopsine-2 dans des neurones grâce à un virus modifié qui sert de transporteur. Résultat : de courts flashs de lumière bleue suffisent à faire réagir les neurones, au rythme choisi par les chercheurs. Beaucoup pensaient qu'une protéine d'algue ne pourrait pas fonctionner dans un neurone. Ils avaient tort.
Dans les années qui suivent, l'équipe de Stanford perfectionne la méthode. En 2007, elle utilise une autre protéine sensible à la lumière jaune, qui permet cette fois de faire taire les neurones au lieu de les activer. Elle parvient aussi à faire entrer la lumière dans le cerveau de souris grâce à de fines fibres optiques, ce qui permet d'observer directement comment leur comportement change. Les chercheurs peuvent même choisir de ne rendre sensibles à la lumière qu'un seul type de neurones, par exemple ceux qui produisent la dopamine. Karl Deisseroth donne un nom à cette technique : l'optogénétique, contraction d'optique et de génétique.
Cette méthode a changé la façon de faire de la recherche sur le cerveau. Avant, les scientifiques pouvaient seulement constater qu'une zone s'activait pendant un comportement. Désormais, ils peuvent allumer un groupe précis de neurones pour voir s'il provoque ce comportement, ou l'éteindre pour voir s'il l'empêche. Des milliers d'études menées sur des animaux ont ainsi permis de mieux comprendre la peur, le plaisir, le sommeil, la mémoire ou encore l'addiction.
Chez l'humain, les progrès sont plus lents, car il faut modifier les gènes de certaines cellules pour les rendre sensibles à la lumière. Un premier succès a pourtant été annoncé en 2021 par l'équipe du professeur José-Alain Sahel, entre l'Institut de la Vision à Paris et l'université de Pittsburgh. Un patient presque aveugle, atteint d'une maladie de la rétine, a pu de nouveau repérer des objets grâce à cette technique, associée à des lunettes spéciales. D'autres recherches portent sur l'épilepsie et la douleur chronique.
En récompensant ces trois chercheurs, le comité Nobel salue une aventure scientifique partie d'une question toute simple. Comment une algue microscopique trouve la lumière ?
