Détecter les signaux chimiques du cerveau

Dans le cerveau humain, plus de 100 milliards de neurones communiquent entre eux en permanence par des voies électriques et chimiques. Alors que les chercheur·ses se sont généralement concentrés sur les aspects électriques de cette communication, Nako Nakatsuka, chercheuse principale à l'ETH Zurich, s'est aventurée sur le terrain relativement inexploré de la signalisation chimique. La détection chimique précise est une pièce essentielle, mais manquante, du puzzle lorsqu'il s'agit de comprendre le fonctionnement du cerveau. «Il y a tant de choses que nous ne comprenons pas encore sur nous-mêmes, comme par exemple pourquoi un jour nous nous réveillons tristes sans raison apparente», déclare Nakatsuka. «Tout cela dépend de la chimie de notre cerveau, que nous connaissons si peu».

Innovateur en biotechnologie

Le 30 juin 2021, Nako Nakatsuka a été nommée sur la liste des innovateur·ices de moins de 35 ans de la MIT Technology Review pour avoir inventé un biocapteur chimique qui aide les neuroscientifiques à mieux comprendre comment les cellules du cerveau communiquent au niveau moléculaire. Pour mieux comprendre le développement des maladies psychiatriques et neurodégénératives, «il est essentiel de prendre du recul et de s'interroger sur la façon dont les cellules saines du cerveau, ou neurones, communiquent», dit-elle. Les progrès de la recherche dans le domaine de la détection neurochimique ont été entravés par la difficulté de différencier des substances neurochimiques de structure similaire dans la mer de molécules interférentes d'un environnement cérébral complexe.

La reconnaissance en tant qu'innovatrice technologique a élargi le réseau de Nako Nakatsuka et a suscité non seulement un dialogue multidisciplinaire, mais aussi de nouvelles perspectives sur l'impact éthique et sociétal des nouvelles technologies. L'industrie a elle aussi été interpellée par le potentiel commercial passionnant que représente la possibilité de surveiller les niveaux neurochimiques.

«Les idées de Nako Nakatsuka ont le potentiel de révolutionner la biomédecine», déclare le professeur Janos Vörös, chercheur principal du laboratoire de biocapteurs et de bioélectronique de l'ETH Zurich. «Avec son enthousiasme sans limite, je suis convaincu qu'elle sera capable de créer de nouvelles plateformes de détection à base de nanomatériaux utiles pour les neurosciences et d'autres domaines scientifiques tels que les maladies infectieuses, le cancer et les diagnostics pour presque tout ce que nous souhaitons détecter.»

Nako Nakatsuka prévient: «Nous n'en sommes encore qu'aux premiers stades expérimentaux de cette recherche, alors ne vous attendez pas à pouvoir surveiller votre activité cérébrale sur votre montre Apple de sitôt.»

Un outil révolutionnaire pour comprendre le cerveau

Travailler à l'intersection de la chimie, de l'ingénierie et des neurosciences a permis à Nako Nakatsuka de mettre au point un biocapteur chimique qui représente une avancée potentielle significative pour faire progresser la science analytique dans toutes les disciplines. Elle déploie maintenant ses capteurs dans des laboratoires du monde entier où les chercheur·ses surveillent les neurotransmetteurs dans des échantillons biologiques vivants complexes, à des concentrations qu'il était auparavant impossible de mesurer à des résolutions nanométriques.

L'outil lui-même est une pipette en verre dotée d'une pointe de 10 nanomètres, si petite qu'elle est invisible à l'œil nu. En combinant des séquences d'ADN et deux électrodes, le capteur chimique permet aux chercheur·ses de détecter et de mesurer les substances neurochimiques lorsqu'elles traversent l'ouverture nanométrique de la pipette de verre. Nako Nakatsuka entend poursuivre le développement de sa technologie de biodétection et jeter les bases de futures applications en médecine préventive, ainsi que de stratégies de traitement des maladies du cerveau.

Ikigai – trouver une passion et un but

«Ma vie a été une série de coïncidences chanceuses», dit-elle, mais lorsque Nako Nakatsuka raconte sa vie, il s'agit clairement plus de passion que de coïncidence. Combinant souvent ses passions pour l'art, le sport et la science, elle a illustré le livre pour enfants A is for Atom, ABCs for Aspiring Chemists. Sa passion s'étend sur plusieurs générations: elle a joué dans les épisodes de «Kids Teach Science Experiments to a Real Scientist» et a incité sa grand-mère de 89 ans, aujourd'hui en pleine forme, à s'abonner à une salle de sport. De son point de vue, «le ciel est la limite lorsque vous aidez quelqu'un à croire qu'il peut faire quelque chose».

Pour Nako Nakatsuka, trouver le sens de sa vie ou «ikigai» a été une question de persévérance. «Les choses seront toujours difficiles à un moment ou à un autre, mais si je m'étais laissé consumer par ces pensées, je n'aurais pas pu aller de l'avant... c'est le cran pur qui nous permet de traverser les moments difficiles.» Née à Osaka, au Japon, et élevée à Tokyo, Nako Nakatsuka décrit sa vie familiale comme étant traditionnellement japonaise, à l'exception de la décision non conventionnelle de sa mère de l'inscrire à l'école internationale du Sacré-Cœur, une école anglophone réservée aux filles. En général, les enfants japonais fréquentent un système scolaire non confessionnel et mixte, qui met l'accent sur la langue, la culture et l'histoire japonaises. «Je pense que le fait d'être dans une école internationale et réservée aux filles m'a beaucoup aidée. Je n'ai jamais eu à me soucier de la dynamique socioculturelle des genres qui existe dans les écoles mixtes. Au lieu de me préoccuper de mon image, j'ai pu me concentrer sur mes études et mes objectifs sportifs. Je me suis sentie acceptée telle que j'étais, même si j'étais un peu intello.»

Un coup du sort

Nako Nakatsuka a trouvé des modèles féminins forts tout au long de sa vie. À l'Université Fordham de New York, la professeure Ipsita Banerjee l'a poussée à dépasser le programme de la licence en lui offrant une expérience de recherche pratique dans un laboratoire de bio-nanotechnologie axé sur l'ingénierie tissulaire. C'est là, alors qu'elle n'était encore qu'étudiante de premier cycle, qu'elle a obtenu la maternité partagée de ses premiers articles scientifiques évalués par des pairs. À l'Université de Californie de Los Angeles (UCLA), elle a eu pour mentor la professeure Anne Andrews, qui lui a appris à s'attaquer à des problèmes scientifiques visionnaires tout en perfectionnant ses compétences en matière de communication scientifique.

Mais c'est peut-être un coup du sort qui lui a fait visiter de manière impromptue le campus de l'UCLA à un professeur invité qui lui a décrit ses recherches à l'ETH Zurich comme l'une des meilleures expériences de sa carrière scientifique. Nako Nakatsuka avoue qu'à l'époque, elle n'avait jamais entendu parler de l'ETH Zurich, mais qu'elle a eu envie de poser sa candidature. Janos Vörös l'a invitée à un entretien et l'a soutenue dans sa candidature très compétitive à une bourse postdoctorale de l'ETH Zurich. Cette bourse a rendu possibles ses deux premières années à l'ETH Zurich. Elle raconte: «C'est lors de cette première visite à l'ETH Zurich pour l'entretien que je suis tombée amoureuse du Laboratoire de biocapteurs et de bioélectronique. Je me souviens avoir eu l'intuition que c'était un endrit pour moi.»