L’étude des signaux neuronaux rapides est traditionnellement le domaine de l’électrophysiologie, qui permet de mesurer l’activité électrique des neurones avec une grande précision temporelle. Cependant, cette méthode peut être limitée par des distorsions liées aux tissus biologiques. En revanche, les signaux magnétiques associés aux courants neuronaux ne sont pas déformés par les tissus biologiques et portent une information directionnelle potentiellement riche.
Ainsi, une alternative émergente est la magnétophysiologie, qui mesure les champs magnétiques générés par l’activité des cellules excitables (et ici des neurones).
Jusqu’ici, les mesures magnétiques non invasives (comme la magnétoencéphalographie, MEG) se limitent à l’échelle macroscopique du cerveau entier. Les signaux magnétiques des potentiels d’action individuels de neurones in vivo n’avaient jamais été mesurés auparavant, notamment en raison de la difficulté d’avoir des capteurs de champs magnétiques très sensibles et intégrables sur une sonde de très petites dimensions.
L’étude menée ici [1] présente la première démonstration expérimentale de l’enregistrement in vivo des signatures magnétiques des potentiels d’action de neurones isolés, réalisée sur le rat anesthésié. Elle combine des capteurs magnétiques miniaturisés avec des enregistrements électriques classiques pour valider l’origine neuronale des signaux observés.
Les capteurs magnétiques utilisés présentent de la magnétorésistance géante (ou GMR pour Giant Magneto-Resistance), phénomène physique issu des principes de l’électronique de spin, où à la fois la charge de l’électron mais aussi son spin, contribuent au transport électrique.
Ces capteurs sont sensibles dans la gamme du nanotesla (10-9T) et ont été précédemment utilisés pour de la magnétophysiologie du muscle [2] et d’ensemble de neurones [3]. De plus ils sont ici fabriqués à l’extrémité d’un substrat aminci à une épaisseur de 25 µm, taillé en pointe, pour permettre une insertion dans les tissus avec un impact minimal sur les cellules.
Figure 1 : Schéma du principe de la mesure : l’activité neuronale se traduit par l’activation d’un potentiel d’action, qui est mesuré par une électrode standard en tungstène, et simultanément par deux capteurs magnétiques de type GMRs fabriqués sur une sonde compatible avec la mesure in vivo. Les deux signatures, électrique et magnétique, du potentiel d’action sont moyennées autour de la valeur du pic électrique.
Ici, les signaux magnétiques ont été extraits et corrélés avec les potentiels d’action électriques de neurones individuels, à travers une méthode de tri (Spike sorting) et de moyennage des signaux. Les signaux obtenus pour plusieurs enregistrements différents ont des amplitudes dans la gamme du nanotesla (voir Fig. 2C), ce qui est assez élevé par rapport à certaines valeurs données par modélisation. A noter que l’étude a montré également la nécessité d’une identification et sélection des signaux appropriés pour éviter la création d’artefacts.
Figure 2 : A. Moyennes des signaux autour des pics de signaux électriques (Spike-triggered averages -STAs) mesurés sur l’électrode (haut), sur le capteur GMR 1 (bas) et le capteur GMR 2 (milieu), représentées suivant la distribution moyenne de la forme d’onde et de l’intervalle entre les pics (Inter Spike Interval -ISI) pour une unité type après tri des pics. En rouge : GMR alimentée (DC On), bleu : GMR non alimentée (DC Off). Le nombre de pics détectés est indiqué dans l’encart. La zone ombrée représente l’erreur type. Une signature magnétique claire peut être observée sur le capteur 1 uniquement dans la condition DC-on, ce qui valide la présence d’un signal magnétique et non d’un couplage capacitif. B. Analyse de corrélation des signaux électriques et magnétiques. En haut à gauche : les 2 ms centrales du pic électrique (STA) d’une unité unique bien isolée. En haut à droite : la STA magnétique correspondante sur le capteur 1. Valeurs de corrélation croisée pour des décalages de +/− 10 échantillons autour du moment du pic de la STA électrique par rapport à la STA magnétique. La distribution des valeurs de corrélation qui en résulte est visible dans le graphique du bas. C. Tableau de l’intensité du signal en nanotesla(crête à crête) pour les signaux magnétiques significatifs pour 4 séries (unit) de mesure, qui correspondent à 4 enregistrements et positions différents. (d’après [1]).
Ce travail constitue une preuve de principe que les champs magnétiques produits par un seul neurone peuvent être mesurés dans un cerveau vivant, en associant des technologies magnétiques émergentes aux méthodes électriques établies. Cela ouvre plusieurs perspectives ; d’une part de nouvelles approches multimodales pour étudier l’activité cérébrale au niveau local, d’autre part la possibilité de développer des outils de mesure qui profitent à la fois des avantages électriques (haute résolution temporelle) et magnétiques (moins de distorsion par les tissus) et enfin, de potentiels nouveaux outils, combinant les deux types d’information dans des cadres cliniques (implants chroniques, épilepsie…).
[1] https://doi.org/10.1152/jn.00491.2024
[2] https://doi.org/10.1038/srep39330
[3] https://doi.org/10.1016/j.neuron.2017.08.012
Contact CEA : Myriam Pannetier Lecoeur, SPEC/LNO.
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