Activer le cerveau grâce à la lumière : le prix Nobel de physiologie ou de médecine 2026

Le 5 octobre, l'Assemblée Nobel du Karolinska Institutet a annoncé que le prix Nobel de physiologie ou de médecine 2026 était décerné à Karl Deisseroth, Peter Hegemann et Georg Nagel pour leurs découvertes sur les canaux ioniques activés par la lumière et l'optogénétique. L’optogénétique est une méthode qui permet aux chercheurs d’activer ou de désactiver des cellules nerveuses individuelles au sein d’un cerveau vivant à l’aide de la lumière ; elle a été utilisée pour étudier comment les neurones sont à l’origine des souvenirs, des émotions et des comportements. L'histoire commence avec une algue verte qui nage vers le soleil. Comment un organisme vivant dans un étang s'est-il retrouvé cité dans une motivation du prix Nobel, et qu'est-ce que cela a changé pour l'humanité jusqu'à présent ?

Un souhait formulé par écrit en 1979

Le cerveau humain contient environ 86 milliards de neurones de types très variés, serrés les uns contre les autres et interconnectés d’une manière que nous essayons encore de comprendre. Pendant la majeure partie du XXe siècle, les chercheurs pouvaient « écouter » ces cellules à l’aide d’électrodes ou les stimuler avec un courant électrique. Le problème avec une électrode, c’est qu’elle excite tout ce qui se trouve à sa portée, qu’il s’agisse de la cellule visée, de ses voisines ou des fibres qui passent par là par hasard. En 1979, Francis Crick écrivait qu’un obstacle majeur pour les neurosciences était l’impossibilité de contrôler un type de neurone sans affecter les autres. Il a ensuite suggéré que la lumière pourrait remplir cette fonction, puisqu’un faisceau peut être dirigé vers une cible et activé ou désactivé en quelques millisecondes. Les neurones, cependant, ne réagissent pas à la lumière. Il faudrait leur conférer cette capacité.

Une algue sensible à la lumière

Peter Hegemann a consacré une grande partie du début de sa carrière à chercher à comprendre comment Chlamydomonas reinhardtii, une algue verte unicellulaire, détecte la lumière. La cellule possède un minuscule œil et nage vers une lumière modérée, qui alimente sa photosynthèse, tout en s’éloignant d’une lumière trop intense. Hegemann et ses collègues ont observé que l’algue réagissait en quelques millisecondes, bien plus rapidement que ne le permettrait une chaîne de réactions chimiques. Cette vitesse suggérait que le capteur de lumière était lui-même un canal ionique situé dans la membrane cellulaire.

Vers l’an 2000, des séquences du génome de l’algue ont commencé à apparaître dans les bases de données publiques. Hegemann et Georg Nagel, un biophysicien qui travaillait sur les canaux ioniques à Francfort avec Ernst Bamberg, ont identifié deux gènes qui ressemblaient aux pigments photosensibles des microbes. Nagel les a introduits dans des œufs de grenouille et dans des cellules humaines en culture, a allumé une lampe et a mesuré un courant électrique. La première protéine, décrite en 2002, laissait passer les protons. La seconde, publiée en 2003 et baptisée « channelrhodopsine-2 », s’ouvrait sous l’effet de la lumière bleue et laissait passer dans la cellule des ions chargés positivement, tels que le sodium.

En termes simples, les neurones communiquent entre eux par le biais d’impulsions électriques, produites lorsque des ions circulent à travers des canaux situés dans leur membrane. La channelrhodopsine est un canal doté d’un verrou photosensible. La lumière bleue l’ouvre, permettant aux ions d’entrer ; s’ils sont en nombre suffisant, le neurone déclenche une décharge.

Auteur : Buchen, L. Neuroscience : Éclairer le cerveau. Nature 465, 26–28 (2010). https://doi.org/10.1038/465026a ;

D’une curiosité à un outil

Karl Deisseroth, psychiatre et bio-ingénieur à Stanford, traitait des patients souffrant de dépression et d’autres troubles, et savait à quel point les connaissances dans ce domaine étaient limitées concernant les circuits neuronaux impliqués. En 2005, son laboratoire, avec notamment Edward Boyden et Feng Zhang parmi les auteurs, a introduit le gène de la channelrhodopsine-2 dans des neurones de mammifères à l’aide d’un virus. Lorsque des impulsions de lumière bleue atteignaient les cellules, celles-ci se déclenchaient avec une précision de l’ordre de la milliseconde et se taisaient dès que la lumière cessait. Les résultats ont été publiés dans *Nature Neuroscience*, l’une des revues les plus prestigieuses du domaine.

C’est le ciblage génétique qui a permis de transformer cette découverte en un outil. En associant le gène à des séquences de contrôle actives dans un seul type de cellule, les chercheurs se sont assurés que seules ces cellules produisaient la protéine. La lumière peut alors être transmise à une souris via une fibre optique implantée dans le crâne, et seules les cellules marquées réagissent. Des travaux ultérieurs ont permis d’ajouter des protéines qui inhibent les neurones au lieu de les exciter, ainsi que des variantes réagissant à d’autres couleurs et s’activant plus rapidement ou plus lentement. Disposant à la fois d’un interrupteur « marche » et d’un interrupteur « arrêt », il est possible de tester un circuit pour déterminer s’il est nécessaire à un comportement, mais aussi s’il est suffisant pour le déclencher.

Ce que ce commutateur a révélé

Que peut-on apprendre lorsqu’on est capable d’activer une poignée de cellules ? En 2007, l’exposition à la lumière des neurones producteurs d’orexine situés dans l’hypothalamus a réveillé des souris endormies. En 2012, le groupe de Susumu Tonegawa a marqué les neurones qui étaient actifs pendant que les souris apprenaient à craindre une chambre. La réactivation de ces cellules par la lumière a provoqué le gel des animaux dans une autre chambre, inoffensive, ce qui a démontré qu’un souvenir pouvait être activé artificiellement. Dans des modèles de la maladie de Parkinson, le laboratoire de Deisseroth a rapporté en 2009 que la stimulation des connexions provenant du cortex soulageait les symptômes, ce qui a donné un indice sur la manière dont la stimulation cérébrale profonde, un traitement déjà utilisé chez les patients, pourrait produire son effet.

La même logique a été appliquée à l’anxiété, à l’alimentation, à la douleur, à la dépendance et au comportement social. Chaque expérience établit un lien entre un comportement et un groupe défini de cellules, et c’est ce lien qui constitue la cible d’un médicament ou d’une intervention chirurgicale.

Auteur : Buchen, L. Neuroscience : Éclairer le cerveau. Nature 465, 26–28 (2010). https://doi.org/10.1038/465026a ;

De la souris au patient

L’utilisation clinique est beaucoup plus récente. En 2021, une équipe dirigée par José-Alain Sahel et Botond Roska a rapporté dans *Nature Medicine* le cas d’un homme aveugle atteint de rétinite pigmentaire qui avait retrouvé une partie de sa vision. Un virus avait introduit une variante de la channelrhodopsine dans les cellules de sa rétine, et il portait des lunettes qui transformaient les images d’une caméra en impulsions de lumière ambrée. Après plusieurs mois d’entraînement, il était capable de localiser et de compter des objets posés sur une table et aurait même pu distinguer les bandes d’un passage piéton. Des chercheurs tels que Tobias Moser, à Göttingen, travaillent sur des implants cochléaires optiques, qui pourraient distinguer les fréquences sonores avec une plus grande précision que les dispositifs électriques utilisés aujourd’hui.

Les réserves sont toutefois importantes. Le résultat obtenu au niveau de la rétine ne concerne qu’un seul patient et une récupération partielle. Atteindre les neurones situés au plus profond du cerveau humain nécessite une thérapie génique et une source lumineuse placée dans le tissu, deux procédures qui comportent des risques dont une étude sur des souris n’a pas à rendre compte. L’optogénétique est, pour l’instant, bien plus un outil de laboratoire qu’un traitement.

Un prix à trois noms

Un prix Nobel ne peut être décerné qu’à trois lauréats au maximum, or cette histoire implique davantage de personnes. Ernst Bamberg a collaboré avec Nagel aux expériences qui ont permis de caractériser la channelrhodopsine. Edward Boyden a participé à l’article de 2005 qui a permis d’introduire cette protéine dans les neurones. Gero Miesenböck avait démontré dès 2002 que les neurones de la mouche porteurs de protéines photosensibles pouvaient être contrôlés par la lumière, à l’aide d’un ensemble différent de gènes. Déterminer quelles découvertes méritent de monter sur le devant de la scène est une question à laquelle le Comité Nobel répond chaque année, et chaque année, cette réponse laisse des collègues sur le carreau.