Paris, 20 janvier 2010

Un transistor organique ouvre la voie à de nouvelles générations de calculateurs neuro-inspirés
Pour la première fois, des chercheurs du CNRS(1) et du CEA(2) ont mis au point un transistor mimant à lui seul les fonctionnalités principales d'une synapse(3). Ce transistor organique réalisé à base de pentacène(4) et de nanoparticules d'or, nommé NOMFET (Nanoparticle-Organic Memory transistor), ouvre la voie à de nouvelles générations de calculateurs neuro-inspirés, capables de répondre de façon similaire au système nerveux. L'étude est publiée le 22 janvier 2010 dans la revue Advanced Functional Materials.
Dans le développement de nouvelles stratégies pour le traitement de l'information, une approche consiste à mimer le fonctionnement des systèmes biologiques, tels que les réseaux de neurones, pour réaliser des circuits électroniques aux capacités nouvelles. Dans le système nerveux, la synapse est la jonction entre deux neurones. Elle permet la transmission des messages électriques d'un neurone à l'autre et l'adaptation du message en fonction de la nature du signal entrant (plasticité). Par exemple, si la synapse reçoit des pulsions très rapprochées de signaux entrants, elle transmettra un potentiel d'action plus intense. Inversement, si les pulsions sont distantes, ce dernier sera plus faible.

C'est cette plasticité que les chercheurs ont réussi à mimer avec le transistor NOMFET.
Le transistor, élément de base d'un circuit électronique, peut être utilisé comme simple interrupteur – il peut alors transmettre ou non un signal – ou offrir de nombreuses fonctionnalités (amplification, modulation, codage...).

L'innovation du NOMFET réside dans la combinaison originale d'un transistor organique et de nanoparticules d'or. Ces nanoparticules encapsulées, fixées dans le canal du transistor et recouvertes de pentacène possèdent un effet mémoire leur permettant de mimer le fonctionnement d'une synapse lors de la transmission des potentiels d'action entre deux neurones. Cette propriété confère ainsi au composant électronique la capacité d'évoluer en fonction du système dans lequel il est placé. La performance est à comparer aux sept transistors CMOS (a minima) nécessaires jusqu'alors pour mimer cette plasticité.
Les dispositifs réalisés ont été optimisés jusqu'à des tailles nanométriques afin de pouvoir les intégrer à grande échelle. Les calculateurs neuro-inspirés ainsi réalisés sont capables de fonctions comparables à celles de notre cerveau.

Contrairement aux calculateurs en silicium utilisés en abondance dans les ordinateurs pour le calcul intensif, les calculateurs neuro-inspirés peuvent résoudre des problématiques beaucoup plus complexes comme la reconnaissance visuelle.

Notes :
(1) Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (CNRS / Université Lille1 / Université de Valenciennes / Isen Recherche)
(2) Institut CEA LIST, dédié à la recherche technologique sur les systèmes numériques
(3) La synapse désigne une zone de contact fonctionnelle qui s'établit entre deux neurones, ou entre un neurone et une autre cellule. Elle assure la conversion d'un potentiel d'action déclenché dans le neurone précédant la cellule qui transmet ce signal pour exercer une fonction.
(4) Composé chimique (C22H14) de la famille des hydrocarbures aromatiques polycycliques, formé de cinq noyaux benzéniques fusionnés linéairement. Sa structure conjuguée étendue et sa structure cristalline en font un bon semi-conducteur organique, de type p (donneur d'électrons).

Références :
An Organic Nanoparticle Transistor Behaving as a Biological Spiking Synapse. Fabien Alibart, Stéphane Pleutin, David Guérin, Christophe Novembre, Stéphane Lenfant, Kamal Lmimouni, Christian Gamrat et Dominique Vuillaume. Advanced Functional Materials. 22 janvier 2010.

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Paris, 23 décembre 2011

Une bactérie produisant des nano-aimants de greigite enfin cultivée en laboratoire

Un consortium international, impliquant des chercheurs du CEA1, du CNRS et des universités de la Méditerranée et Pierre et Marie Curie, ainsi que des chercheurs du DOE2 à Ames (USA), des universités du Nevada (USA), de Rio de Janeiro (Brésil), de San Luis Obispo (USA) et de Pannonia (Hongrie), vient de caractériser un nouveau groupe de bactéries magnétotactiques (MTB) capables de produire des nano-aimants de magnétite et de greigite3 en fonction des conditions environnementales. La caractérisation phylogénétique, physiologique et génomique de l'une de ces bactéries, nommée Desulfamplus magnetomortis BW-1, a été possible grâce à son isolement en culture et a permis ainsi d'identifier deux groupes de gènes essentiels à la formation des nano-aimants. Le premier groupe interviendrait dans la formation de nano-aimants de magnétite tandis que le second serait impliqué dans la production de nano-aimants de greigite. C'est la première fois qu'une bactérie magnétotactique produisant des cristaux de greigite est isolée en culture. Il s'agit d'une avancée majeure permettant d'élargir le champ des applications biotechnologiques de ces nanoaimants. Ces résultats sont publiés dans la revue Science du 23 décembre 2011.
Les bactéries magnétotactiques (MTB) possèdent un organite unique, appelé magnétosome, constitué de nano-cristaux magnétiques de greigite (Fe3S4) ou de magnétite (Fe3O4). Alignés comme une aiguille de boussole, ces nano-cristaux leur permettent de nager le long des lignes de champs magnétiques à la recherche du milieu le plus favorable pour leur croissance. Bien que très largement répandues dans la nature, les MTB restent difficiles à cultiver en laboratoire. Seules quelques souches de ces bactéries, capables de produire uniquement des nano-aimants de magnétite, ont pu être cultivées. Quant aux bactéries magnétotactiques formant des nano-cristaux de greigite, les chercheurs n'avaient à ce jour jamais réussi à les isoler.

Pour répondre à ce challenge, des chercheurs du CEA, du CNRS, des Universités de la Méditerranée et Pierre et Marie Curie, en collaboration avec leurs partenaires américains, brésiliens et hongrois, ont réalisé des prélèvements au Nevada et en Californie dans des milieux aquatiques constitués d'eau douce ou d'eau saumâtre. Ils ont montré la présence de bactéries magnétotactiques (MTB) produisant à la fois de la greigite et de la magnétite dans ces milieux. De plus, l'analyse phylogénétique4 de ces bactéries leur a permis d'identifier deux nouveaux genres inconnus appartenant à la classe Deltaproteobacteria, l'une des classes bactériennes les plus étudiées. Grâce à l'analyse d'échantillons provenant d'un bassin saumâtre de la vallée de la mort en Californie, les chercheurs ont réussi à isoler et à cultiver une bactérie, nommée Desulfamplus magnetomortis BW-1, appartenant à un de ces nouveaux genres bactériens et capable de produire à la fois de la greigite et de la magnétite. De manière générale, chez les MTB, la formation des magnétosomes est contrôlée génétiquement par un groupe de gènes, les gènes mam, qui sont spécifiques des bactéries magnétotactiques (MTB). Le séquençage du génome de la bactérie BW-1 a confirmé l'existence de ces gènes mam chez cette nouvelle espèce. Toutefois, chez BW-1, ces gènes s'organisent différemment et forment deux groupes de gènes distincts dans le génome. Le premier groupe est homologue aux gènes permettant chez les MTB la formation de nano-aimants de magnétite. Le second partage le plus de similarités avec des gènes impliqués dans la formation de nano-aimants de greigite. La formation des magnétosomes de magnétite et de greigite, chez la bactérie BW-1, serait donc régie par ces deux groupes de gènes dont l'expression serait régulée en fonction des conditions environnementales.

Un grand nombre d'applications biotechnologiques sont à l'étude pour l'utilisation des nanocristaux de magnétite produit par les MTB, notamment pour l'imagerie par résonnance magnétique, la dépollution ou l'utilisation de magnétosomes modifiés comme catalyseurs. La première mise en culture de cette nouvelle bactérie produisant de la greigite est une avancée majeure qui va permettre de caractériser ces nouveaux nanoaimants et d'élargir le champ des applications potentielles des magnétosomes.

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Paris, 12 mars 2012

Des briques moléculaires de la vie primitive découvertes dans une comète artificielle
Les premières molécules de la vie se forment naturellement dans les comètes : c'est ce que suggèrent des travaux menés par une équipe franco-allemande comprenant les groupes d'Uwe Meierhenrich et de Cornelia Meinert de l'Institut de chimie de Nice (Université Nice Sophia Antipolis/CNRS), et de Louis Le Sergeant d'Hendecourt de l'Institut d'astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Sud). Après avoir fabriqué une comète artificielle, les chercheurs ont analysé ses composants avec une technique unique au monde. Et il est apparu pour la première fois que les comètes pourraient renfermer des molécules qui constituaient la matière génétique primitive : des « acides diaminés » (1). Au croisement de la chimie, de la biologie, et de l'astrophysique, ces travaux soutiennent la thèse selon laquelle les briques élémentaires de la vie ne sont pas apparues sur Terre mais dans l'espace. Ils viennent d'être publiés dans la version en ligne de la revue ChemPlusChem.
Ces analyses s'inscrivent dans le cadre de la grande mission spatiale européenne « Rosetta ». Ce programme a pour objectif de faire atterrir en 2015 une sonde sur la comète Tchourioumov-Guerassimenko pour étudier la composition de son noyau. Pour essayer d'anticiper les résultats de Rosetta, les scientifiques ont imaginé fabriquer une comète artificielle, ou « glace interstellaire/cométaire simulée », et analyser ses constituants.

L'équipe de Louis Le Sergeant d'Hendecourt s'est chargée de fabriquer une micro-comète à l'Institut d'astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Sud) . Dans des conditions extrêmes semblables à celles de l'espace (-200°C et sous vide), les chercheurs ont condensé, sur un morceau solide de fluorure de magnésium (MgF2), des composés existant dans le milieu interstellaire : des molécules d'eau (H2O), d'ammoniac (NH3) et de méthanol (CH3OH). Cela, en irradiant le tout avec un rayonnement ultraviolet. Au bout de dix jours, ils ont obtenu quelques précieux microgrammes (10-6 grammes) de matière organique artificielle.
Cette matière organique interstellaire simulée a été ensuite analysée à l'Institut de chimie de Nice (Université Nice Sophia Antipolis/CNRS) par l'équipe d'Uwe Meierhenrich et de Cornelia Meinert. Cela, avec une technologie très performante : un « chromatographe multidimensionnel en phase gaz » (un « GCxGC/TOF-MS »). Installé à Nice en 2008, cet appareil permet de détecter dix fois plus de molécules dans un échantillon qu'un chromatographe traditionnel dit « monodimensionnel ».

Grâce à leur technologie, les chimistes ont pu identifier vingt-six acides aminés dans la comète artificielle. Là où les précédentes expériences internationales avaient trouvé seulement trois acides aminés. Plus important, ils ont aussi découvert ce que personne n'avait observé avant eux : six acides diaminés, dont - surtout - la N-(2-Aminoethyl)glycine. Un résultat révolutionnaire. Car ce dernier composé pourrait être un des constituants majeurs de l'ancêtre de l'ADN terrestre : la molécule d'acide peptidique nucléique (APN).

Primordiaux, ces résultats indiquent que les premières structures moléculaires de la vie auraient pu se former dans le milieu interstellaire et cométaire, avant d'atterrir sur la Terre primitive lors de la chute de météorites et de comètes.

L'étape suivante : déterminer les conditions de pression, de température, de pH, etc., dans lesquelles la N-(2-Aminoethyl)glycine a pu ensuite former de l'APN. Pour mener à bien ce nouveau projet, les chercheurs ont déjà commencé à constituer une collaboration avec deux grandes équipes, l'une américaine et l'autre, anglaise.

Notes :
(1) Acides diaminés : molécules formées de deux « groupes amines » (–NH2) et non d'un seul comme les acides aminés classiques qui constituent les protéines.

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Paris, 10 mai 2012

Les hormones thyroïdiennes régulent les cellules souches neurales
L'équipe de Barbara Demeneix, du laboratoire « Évolution des régulations endocriniennes » (Muséum national d'Histoire naturelle/CNRS), vient de mettre en évidence un nouveau rôle des hormones thyroïdiennes dans la régulation des cellules souches neurales chez la souris adulte. Ces résultats montrent l'importance de la régulation endocrinienne dans l'homéostasie de la niche neurogénique (1). Essentielles pour le développement du cerveau, les hormones thyroïdiennes peuvent causer le crétinisme (2) chez l'enfant si elles sont produites en quantités insuffisantes. Les chercheurs ont étudié le lien entre les hormones thyroïdiennes et la neurogenèse (3) chez la souris adulte. Leurs résultats montrent que l'expression de Sox2, gène clé impliqué dans la physiologie des cellules souches neurales, est directement régulée par les hormones thyroïdiennes dans une des niches neurogéniques du cerveau adulte. Ces travaux devraient à terme permettre de mieux comprendre certains troubles neurologiques associés à l'hypothyroïdie chez l'adulte ou la personne âgée. Ils viennent de paraître dans la revue Cell Stem Cell.
Les hormones thyroïdiennes sont essentielles pour le développement du cerveau. Une insuffisance en ces hormones est cause de crétinisme. Ceci illustre un des nombreux effets joués par les hormones thyroïdiennes et ce, à différentes étapes fondamentales du développement, notamment lors de la métamorphose (4) des amphibiens et de la période périnatale chez les  mammifères. Les troubles thyroïdiens atteignent 1 à 5 % de la population (une femme sur huit). Plusieurs processus clés dépendants des hormones thyroïdiennes lors du développement du cerveau, tels la neurogenèse et la plasticité synaptique, persistent chez l'adulte. S'ils touchent essentiellement des personnes adultes, les connaissances sur le rôle des hormones thyroïdiennes dans la physiologie du cerveau mature sont cependant parcellaires.

Chez l'humain adulte, des problèmes de thyroïde peuvent affecter la mémoire et l'humeur. Chez les mammifères, un défaut de neurogenèse peut également être associé à des troubles cognitifs. Les scientifiques du laboratoire « Évolution des régulations endocriniennes » ont ainsi analysé les liens entre les hormones thyroïdiennes et la neurogenèse chez la souris adulte. Ils ont pu démontrer que l'expression d'un gène clé, Sox2, impliqué dans la physiologie des cellules souches neurales, est directement régulée par les hormones thyroïdiennes dans une des niches neurogéniques du cerveau adulte. En effet, la T3, forme active des hormones thyroïdiennes, agit via le récepteur TRa1 dans les progéniteurs neuraux (5). Cette action favorise la prolifération et la différentiation des cellules souches neurales.

 Références :
Alejandra Lopez-Juarez, Sylvie Remaud, Zahra Hassani, Pascale Jolivet, Jacqueline Pierre Simons, Thomas Sontag, Kazuaki Yoshikawa, Jack Price, Ghislaine Morvan-Dubois and Barbara A. Demeneix. Thyroid Hormone Signaling Acts as a Neurogenic Switch by Repressing Sox2 in the Adult Neural Stem Cell Niche, Cell Stem Cell (2012), doi:10.1016/j.stem.2012.04.008

Les hormones thyroïdiennes engagent les cellules souches neurales adultes vers la différentiation. Trois types cellulaires majoritaires sont présents dans la niche neurogénique du cerveau de mammifère adulte : les cellules souches, les cellules progénitrices et les neuroblastes qui migrent vers les bulbes olfactifs. Les hormones thyroïdiennes (T3 via leur récepteur TRα1) répriment l'expression du gène Sox2, impliqué dans la prolifération des cellules souches, et engagent ainsi les progéniteurs à donner des neuroblastes.
Ces travaux devraient à terme permettre de mieux comprendre les pathologies cognitives associées à un déficit en hormones thyroïdiennes chez l'homme.

Notes :
(1) Les niches neurogéniques sont des régions définies du cerveau où sont localisées les cellules souches et les progéniteurs.
(2) Le crétinisme est une maladie due au manque d'hormones thyroïdiennes. Ses symptômes sont un développement physique et mental arrêtés, une dystrophie des os et des pièces molles, et un métabolisme de base diminué. Cette pathologie n'existe plus en France car l'hypothyroïdie congénitale est dépistée systématiquement à la naissance depuis plusieurs dizaines d'années.
(3) La neurogenèse désigne l'ensemble du processus de création d'un neurone fonctionnel du système nerveux.
(4) La métamorphose est une période de la vie d'un animal qui correspond au passage d'une forme larvaire à une forme juvénile ou adulte. Elle se manifeste le plus souvent par d'importants changements (histologiques, physiologiques, comportementaux, etc.), c'est un des stades critiques pour de nombreuses espèces, qui peut être affecté par certains polluants (perturbateurs endocriniens notamment).
(5) Les progéniteurs neuraux sont des cellules à forte capacité proliférative issues des cellules souches.