Modèles numériques de la stimulation optique de neurones assistée par nanoparticules plasmoniques

La stimulation de neurones par laser émerge depuis plusieurs années comme une alternative aux techniques plus traditionnelles de stimulation artificielle. Contrairement à celles-ci, la stimulation lumineuse ne nécessite pas d'interagir directement avec le tissu organique, comme c'est le cas pour une stimulation par électrodes, et ne nécessite pas de manipulation génétique comme c'est le cas pour les méthodes optogénétiques. Plus récemment, la stimulation lumineuse de neurones assistée par nanoparticules a émergé comme un complément à la stimulation simplement lumineuse. L'utilisation de nanoparticules complémentaires permet d'augmenter la précision spatiale du procédé et de diminuer la fluence nécessaire pour observer le phénomène. Ceci vient des propriétés d'interaction entre les nanoparticules et le faisceau laser, comme par exemple les propriétés d'absorption des nanoparticules. Deux phénomènes princpaux sont observés. Dans certains cas, il s'agit d'une dépolarisation de la membrane, ou d'un potentiel d'action. Dans d'autres expériences, un influx de calcium vers l'intérieur du neurone est détecté par une augmentation de la fluorescence d'une protéine sensible à la concentration calcique. Certaines stimulations sont globales, c'est à dire qu'une perturbation se propage à l'ensemble du neurone : c'est le cas d'un potentiel d'action. D'autres sont, au contraire, locales et ne se propagent pas à l'ensemble de la cellule. Si une stimulation lumineuse globale est rendue possible par des techniques relativement bien maîtrisées à l'heure actuelle, comme l'optogénétique, une stimulation uniquement locale est plus difficile à réaliser. Or, il semblerait que les méthodes de stimulation lumineuse assistées par nanoparticules puissent, dans certaines conditions, offrir cette possibilité. Cela serait d'une grande aide pour conduire de nouvelles études sur le fonctionnement des neurones, en offrant de nouvelles possibilités expérimentales en complément des possibilités actuelles. Cependant, le mécanisme physique à l'origine de la stimulation lumineuse de neurones, ainsi que celui à l'orgine de la stimulation lumineuse assistée par nanoparticules, n'est à ce jour pas totalement compris. Des hypothèses ont été formulées concernant ce mécanisme : il pourrait être photothermique, photomécanique, ou encore photochimique. Il se pourrait également que plusieurs mécanismes soient à l'oeuvre conjointement, étant donné la variété des observations. La littérature ne converge pas à ce sujet et l'existence d'un mécanisme commun aux différentes situations n'a pas été démontrée.

Abstract

For several years, laser light has been used as an alternative means of artificially stimulating neurons. Unlike more traditional methods, this technique does not require a direct interaction with the organic tissue, such as those based on electrical stimulation. In addition, no genetic manipulation is needed, as it is required in optogenetic frameworks. More recently, nanoparticles have been added to the experimental process of light stimulation of neurons. These particles allow for a better spatial control of the method and potentially necessitate smaller fluences to trigger a neuron reaction, thanks to the specific properties of the interaction between a laser light and nanoparticles, such as absorption. This stimulation consists in two main phenomena. In some cases, depolarisation of the neuron membrane occurs, or an action potentiel can even be triggered. In other cases, an inward calcium influx is detected by the fluorescence of a calcium sensitive protein. On the one hand, some of these stimulations are global, which means that a perturbation of the neuron propagates to the whole cell. Action potentials belong to this category of stimulation. On the other hand, some stimulations remain local and do not propagate any further. Whereas a global stimulation with light is relatively well achieved with contemporary methods such as optogenetics, a local stimulation is more difficult to evoke. Nanoparticle assisted light stimulation techniques seem to provide this possibility, which would open new opportunities of experimental studies on the biophysics of neurons. However, the physical mechanism responsible for the light stimulation and the nanoparticle assisted light stimulation of neurons is not yet completely understood. Several hypothesis have been proposed to explain the experimental results : photothermal, photomechanical, or photochemical mechanisms have been mentioned. Furthermore, a simultaneous combination of several of these mechanisms could be responsible for the effect. The existence of a common mechanism for all experiments has not been determined yet in the literature. The most popular assumption is the one of a photothermal mechanism, which seems to be the most likely experimentally. We analyse this possibility and we propose theoretical models to compare numerical calculations to experimental observations. Firstly, we study models based on thermosensitive ion channels. Ion channels are proteins populating the cell membrane and are essential to many biological processes. Several methods exist to evaluate the effect of temperature on ion channels, such as Hodgkin-Huxley models, thermodynamic models and Markov models.