Publié le 2025-12-02 12:35:00. Des scientifiques ont mis au point une technique d’imagerie révolutionnaire utilisant les rayons X pour cartographier le tissu cérébral en 3D avec une résolution sans précédent, ouvrant de nouvelles perspectives pour la compréhension du cerveau et des maladies neurologiques.
- Une nouvelle méthode d’imagerie par rayons X permet de visualiser des échantillons de tissu cérébral plus épais et plus grands qu’auparavant, sans les découper en fines tranches.
- Cette avancée technologique, fruit d’une collaboration internationale, atteint une résolution de 38 nanomètres, comparable aux meilleures techniques de microscopie électronique.
- La mise à niveau de la Source de Lumière Suisse (SLS) promet d’accroître encore les capacités de cette technique, ouvrant la voie à l’étude de volumes cérébraux plus importants et à une meilleure compréhension de la connectomique.
La complexité du cerveau humain représente un défi majeur pour la science. Alors que nous connaissons relativement bien la composition et le fonctionnement d’organes comme le foie, la structure et les connexions des neurones cérébraux restent largement mystérieuses. « Le cerveau est l’un des systèmes biologiques les plus complexes au monde », explique Adrian Wanner, chef de groupe au sein du groupe de recherche en neurobiologie structurale de l’Institut Paul Scherrer PSI.
Son équipe s’intéresse plus particulièrement à la connectomique, l’étude des connexions neuronales. « Prenez le foie : nous connaissons environ 40 types de cellules. Nous savons comment elles sont disposées. Nous connaissons leurs fonctions. Ce n’est pas vrai pour le cerveau. Et donc, pourrait-on se demander, quelle est la différence entre le cerveau et le foie ? Ce n’est pas là la différence. Ce qui est vraiment différent, c’est la façon dont les cellules cérébrales sont organisées et connectées », précise-t-il.
Un seul millimètre cube de tissu cérébral contient environ 100 000 neurones, reliés par près de 700 millions de synapses et 4 kilomètres de fibres nerveuses. La manière dont ces neurones communiquent entre eux, via ces synapses, est essentielle au fonctionnement du cerveau et est impliquée dans des maladies telles que la maladie d’Alzheimer. Cependant, l’étude de cette architecture tridimensionnelle complexe est extrêmement difficile.
Jusqu’à présent, la technique de référence pour l’imagerie de l’ultrastructure cérébrale était la microscopie électronique en volume. Cette méthode nécessite de découper des échantillons de tissu cérébral en dizaines de milliers de tranches ultrafines, qui sont ensuite imagées individuellement et reconstruites par ordinateur. Ce processus est long, sujet aux erreurs et entraîne une perte d’informations.
Les rayons X offrent une alternative prometteuse, car ils peuvent pénétrer des échantillons beaucoup plus épais sans nécessiter de sectionnement. Cependant, l’imagerie par rayons X du tissu biologique présente des défis en termes de contraste. « Les puces informatiques sont constituées de fils de cuivre qui présentent naturellement un contraste élevé avec leur matériau d’intégration. Lorsque nous avons les éléments constitutifs de la vie – protéines, lipides, etc., contre une matrice dominée par l’eau, l’interaction des rayons X est très faible et il est plus difficile d’obtenir une haute résolution », explique Ana Diaz, scientifique au cSAXS (coherent Small Angle X-ray Scattering) de la SLS.
Pour améliorer le contraste, les scientifiques ont recours à la coloration des tissus cérébraux avec des métaux lourds. Cependant, ces métaux absorbent également les rayons X, ce qui peut déformer l’échantillon. Les matériaux d’inclusion utilisés pour stabiliser l’échantillon posent également problème, car ils se déforment sous l’effet des rayons X, endommageant l’ultrastructure du tissu cérébral.
Pour surmonter ces obstacles, l’équipe de Wanner et Diaz a développé une nouvelle approche basée sur l’utilisation d’une résine époxy, initialement conçue pour l’industrie aérospatiale et nucléaire, ainsi que pour les accélérateurs de particules, en raison de sa résistance exceptionnelle aux radiations. Cette résine est capable de s’infiltrer dans les tissus biologiques tout en préservant leur intégrité.
Ils ont également mis au point une platine spéciale permettant d’imager les échantillons refroidis à -178 degrés Celsius avec de l’azote liquide. Enfin, un algorithme de reconstruction compense les légères déformations qui peuvent encore se produire.
Grâce à cette méthode, les chercheurs ont pu étudier des échantillons de tissu cérébral de souris d’une épaisseur allant jusqu’à 10 microns (0,01 millimètre) avec une résolution de 38 nanomètres en trois dimensions. « Nous pensons qu’il s’agit d’une résolution record utilisant l’imagerie par rayons X sur un tissu biologique étendu », souligne Diaz.
À cette résolution, il est possible d’identifier de manière fiable les synapses et d’autres caractéristiques des neurones, telles que les axones et les dendrites. « Il ne s’agit pas d’informations révolutionnaires sur le cerveau : elles correspondent aux meilleurs résultats obtenus avec la microscopie électronique en volume de pointe – l’étalon-or actuel », précise Wanner. « Ce qui est excitant, c’est que cela marque le début de ce qui va arriver. »
La récente mise à niveau de la SLS, qui en fait un synchrotron de quatrième génération, devrait encore améliorer les performances de cette technique. La cohérence des rayons X, un facteur clé pour l’imagerie par ptychographie (une technique d’imagerie sans lentilles), sera multipliée par cent. « Avec cent fois plus de photons de rayons X frappant notre échantillon chaque seconde, nous pourrons – en principe – soit imager l’échantillon cent fois plus rapidement, soit imager des volumes cent fois plus grands », explique Diaz.
Les premiers rayons X ont été observés au cSAXS en juillet 2025, suite à la mise à niveau. Avec les obstacles techniques désormais surmontés, les scientifiques sont prêts à explorer des volumes de tissu cérébral plus importants et à approfondir notre compréhension du cerveau humain.