WHOLISTIC permet de suivre l’activité cellulaire dans l’ensemble d’un poisson-zèbre vivant

La physiologie ne se joue pas organe par organe : activité nerveuse, circulation sanguine, digestion et réponses sensorielles peuvent évoluer simultanément. Or, les méthodes d’imagerie sur organisme vivant se concentrent souvent sur un tissu ou un organe isolé.

C’est le problème auquel s’attaque WHOLISTIC, pour WHole Organism Live Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity. Développée chez de jeunes poissons-zèbres (Danio rerio) transparents, cette approche permet de suivre, en temps réel et à l’échelle de quelques secondes, des dynamiques cellulaires dans l’ensemble du corps. Elle combine microscopie de fluorescence en 3D, capteurs de calcium et analyse informatique. 2

Voir un organisme comme un système coordonné

La transparence des larves de poisson-zèbre rend leurs tissus internes accessibles à l’imagerie optique. Les animaux utilisés expriment largement des capteurs de calcium : les variations de fluorescence servent alors d’indicateur des changements de calcium à l’intérieur des cellules. 2

Ce signal est précieux pour repérer des changements d’état cellulaire, mais il faut en préciser la limite : il ne mesure pas directement les connexions synaptiques et ne démontre pas, à lui seul, qu’une cellule a causé la réponse d’une autre. 2

WHOLISTIC réunit trois éléments :

• une imagerie volumique par fluorescence, qui enregistre à répétition un volume tridimensionnel de l’animal plutôt qu’un seul plan ; 2
• un marquage du calcium dans de nombreux types de cellules, au-delà des seuls neurones ; 2
• un traitement computationnel, incluant l’apprentissage automatique, pour identifier les structures cellulaires actives et organiser des enregistrements très volumineux en motifs interprétables. 2

L’intérêt est autant conceptuel que technique : les chercheurs peuvent désormais examiner l’activité du corps comme celle d’un système intégré et repérer, dans une même expérience, des relations candidates entre organes. 2

Ce que les enregistrements ont révélé

En cas de manque d’oxygène, le flux sanguin se redistribue

Lors d’une hypoxie — une baisse de la disponibilité en oxygène — WHOLISTIC a mis en évidence des dynamiques coordonnées associées à une modification de la circulation. La galerie de Janelia montre notamment une diminution du flux sanguin dans la région mésentérique, tandis que le flux augmente en direction du cerveau et du cœur. 8

Cette observation rend visible, dans une même préparation, l’articulation entre réponses nerveuses et cardiovasculaires. Elle est cohérente avec une priorisation de l’apport d’oxygène aux organes vitaux. En revanche, le circuit causal précis reste à établir par des expériences ciblées. 28

Moelle épinière et cellules épendymaires

La plateforme a aussi détecté des dynamiques coordonnées dans la moelle épinière et dans les cellules épendymaires, qui tapissent le système ventriculaire. Ces résultats élargissent la carte de l’activité au-delà des approches centrées exclusivement sur les neurones. 2

L’activité des cellules épendymaires liée à certains états pourrait avoir un rapport avec la physiologie du sommeil. Il s’agit toutefois d’une piste de recherche, et non d’une démonstration : des corrélations de calcium ne suffisent pas à attribuer une fonction au sommeil. 2

La kétamine n’agit pas uniquement dans le tissu nerveux

Les effets d’un médicament peuvent concerner plusieurs types cellulaires et franchir les frontières entre compartiments anatomiques. Avec WHOLISTIC, les chercheurs ont étudié une exposition aiguë à la kétamine et observé des effets impliquant à la fois le tissu nerveux et les méninges, les enveloppes qui entourent le système nerveux central. 2

L’exemple illustre l’apport de l’imagerie à l’échelle du corps : une mesure limitée aux neurones risquerait de manquer des réponses dans les tissus non neuronaux voisins. 2

Des cellules associées au cartilage sensibles au froid

Des expériences de refroidissement ont également mis en évidence des réponses calciques dans des cellules associées au cartilage. Cette observation suggère que les réponses à la température ne se limitent pas au système nerveux et ouvre la voie à l’étude de possibles fonctions sensorielles de tissus non neuronaux. 2

Pourquoi cette méthode compte

WHOLISTIC étend à l’ensemble du corps la logique de l’imagerie du cerveau entier chez le poisson-zèbre. Dès 2013, cette dernière avait montré qu’un vertébré transparent pouvait permettre l’enregistrement simultané de l’activité neuronale à l’échelle de tout le cerveau. La nouvelle méthode élargit l’observation à plusieurs systèmes d’organes et types cellulaires à la fois. 52

Elle peut donc être particulièrement utile pour des questions qui dépassent un organe unique : coordination entre cerveau et circulation en situation de stress, effets d’un médicament dans des tissus neuronaux et non neuronaux, ou encore signaux sensoriels portés par des cellules qui ne sont pas traditionnellement considérées comme nerveuses. 2

WHOLISTIC ne fournit pas une carte causale complète de l’organisme. Sa force est plutôt de produire une carte d’activité à l’échelle du corps entier, capable de faire émerger des relations à tester ensuite avec des manipulations plus sélectives. 2

Une approche appelée à s’étendre

Janelia présente ces travaux comme une ressource reposant sur la microscopie avancée et l’analyse computationnelle ; son site WHOLISTIC propose notamment des visualisations de la redirection du flux sanguin liée à l’hypoxie. 28

L’approche pourrait aussi être utile au-delà des larves de poisson-zèbre. Le petit poisson Danionella est un modèle prometteur : même adulte, il reste suffisamment petit pour permettre des enregistrements à l’échelle du cerveau entier, avec des comportements plus développés. Par ailleurs, Janelia indique que son protocole de microscopie par expansion du corps entier fonctionne sur des spécimens adultes de Danionella. 114

La prudence d’interprétation reste essentielle : l’imagerie calcique révèle des dynamiques cellulaires corrélées, non des connexions directes ni des mécanismes causaux établis. Mais en rendant observables des hypothèses qui traversent plusieurs organes chez un vertébré vivant, WHOLISTIC ouvre une nouvelle fenêtre sur la physiologie intégrée. 2