Une des plus grandes découvertes du domaine des neurosciences n'est pas née dans un service de neurologie... mais dans une algue verte unicellulaire. Son nom : Chlamydomonas reinhardtii ou « levure verte ». Cette microalgue est capable, pour optimiser sa photosynthèse, de se déplacer vers la lumière. Mais comment fait-elle pour capter les rayons lumineux ? Au début des années 1980, c'était un véritable mystère...

Le mystère de l’algue qui « voit » la lumière

À cette époque, Peter Hegemann, un jeune doctorant allemand, étudie la structure et la fonction d'une protéine transporteuse, une « halorhodopsine », présente dans des organismes microscopiques appelés haloarchaea, une archée qui évolue dans les milieux salés. Le scientifique comprend que cette molécule est impliquée dans la capacité des haloarchaea à transporter les ions chlorures d'un milieu peu concentré vers un milieu plus concentré, donc contre le gradient.

En 1984, il tombe sur un article suggérant que les protéines de la famille des rhodopsines, dont fait partie celle qu'il est en train d'étudier, pourraient servir de détecteur de lumière chez l'algue Chlamydomonas reinhardtii. Hegemann contacte ce chercheur et le rejoint pour travailler avec lui le temps de son postdoc. C'est à ce moment-là de la recherche fondamentale pure.

De retour en Allemagne, Hegemann continue de travailler sur les rhodopsines et, en s'intéressant à une autre algue verte, découvre qu'une stimulation lumineuse provoque chez elle une réponse électrique rapide causée par le passage d'ions à travers une protéine membranaire. Il propose l'hypothèse que ce canal et la rhodopsine font partie d'un seul et même complexe protéique.

Une protéine capable de transformer la lumière en courant

Au début des années 2000, Hegemann va initier une collaboration avec un autre chercheur allemand : le biophysicien Georg Nagel. Ensemble, ils vont parvenir à isoler et caractériser une famille de protéines membranaires baptisées « channelrhodopsines ». Contrairement aux pigments visuels animaux, qui nécessitent des cascades complexes de signalisation intracellulaire impliquant des protéines G pour ouvrir des canaux ioniques secondaires, la channelrhodopsine fonctionne de manière autonome, à la fois comme récepteur de lumière et comme pore ionique.

Lorsqu'elle absorbe un photon de lumière bleue, le pore de la channelrhodopsine s'ouvre brusquement en quelques millisecondes. Des ions chargés positivement (cations comme le sodium ou le calcium) envahissent alors l'intérieur de la cellule, générant instantanément une impulsion électrique à travers la membrane.

Mais c'est ce qu'ils vont faire ensuite qui va véritablement ouvrir un nouveau champ de recherches. Hegemann et Nagel transfèrent la channelrhodopsine dans d'autres cellules que les cellules d'algues et constatent que celles-ci acquièrent automatiquement une sensibilité à la lumière.

Quand les neurones deviennent sensibles à la lumière

La découverte attire immédiatement l'attention d'un troisième chercheur, américain cette fois : Karl Deisseroth, neuroscientifique et bioingénieur à l'université de Stanford. Comme les neurones communiquent entre eux par des courants électriques de l'ordre de la milliseconde - on parle de potentiels d'action - provoqués par l'entrée d'ions sodium via des canaux membranaires, ce scientifique se demande s'il pourrait être possible de convertir ou modifier la génétique des neurones afin qu'ils puissent exprimer ces protéines et devenir eux-mêmes sensibles à la lumière.

En 2005, il publie un article dans lequel il démontre qu'il est parvenu à transférer le gène de la channelrhodopsine in vitro, dans des cellules nerveuses de rats. Il suffisait d'un peu de lumière bleue pour provoquer une impulsion électrique.

Un interrupteur pour contrôler le cerveau

Mais la partie la plus révolutionnaire, c'est quand il va parvenir à exprimer ce gène chez des souris vivantes dont les neurones se sont mis à produire cette protéine. Concrètement, en implantant une fibre optique dans le cerveau des rongeurs, on dispose d'un interrupteur permettant de modifier spécifiquement l'activité de neurones d'intérêt. Cette approche, nommée « optogénétique » a complètement transformé la manière de faire des neurosciences.

Première mondiale : un aveugle retrouve partiellement la vue grâce à l'optogénétique

En effet, le cerveau est constitué de nombreux types cellulaires différents et les deux grandes questions des neurosciences modernes sont « Qui fait quoi ? » et « Quel type de population neuronale contrôle quel type de fonction ? » En ayant la possibilité de modifier génétiquement des types cellulaires dont les chercheurs veulent connaître les fonctions, on a entre les mains un outil extrêmement puissant pour dire « cette fonction, elle est contrôlée par ce type cellulaire » et pour cartographier la fonction des neurones du cerveau.

Si les trois chercheurs Peter Hegemann, Georg Nagel et Karl Deisseroth ont reçu, lundi 5 octobre, le prix Nobel de médecine 2026, c'est que l'optogénétique permet de montrer comment les cellules nerveuses façonnent les souvenirs, les émotions et les comportements dans le cerveau. Elle offre ainsi des possibilités inédites de « cartographie du cerveau dont nous ne pouvions autrefois que rêver », a déclaré Per Svenningsson, le président du comité Nobel de médecine.

L'histoire de l'optogénétique rappelle que les découvertes les plus transformatrices peuvent naître d'une question qui semble au départ très éloignée de leur application finale, et cette triple nomination... que la recherche fondamentale mérite absolument de continuer à être financée.