Au début, il faisait noir : le cerveau était une boîte noire, un mystère pour la science. Ensuite, une algue spéciale a permis aux lauréats du prix Nobel de médecine 2026 – Peter Hegemann, Georg Nagel et Karl Deisseroth – d’allumer une lumière bleue et d’« éclairer » les secrets les plus intimes du cerveau : comment les cellules nerveuses façonnent les souvenirs, les sentiments et les comportements. Et ce fut le tournant. La clé de tout est une protéine que les études des scientifiques primés ont transformée en un véritable interrupteur de mémoire et d’émotion.
Le prix Nobel récompense cette année l’optogénétique, une méthode qui a ouvert une nouvelle ère dans les neurosciences. Comme toujours, cela s’est produit grâce à un « relais » idéal des intuitions des chercheurs : Hegemann et Nagel ont découvert la « protéine extraordinaire » qui a tout déclenché, la canalrhodopsine, dans une algue unicellulaire, et Karl Deisseroth a transformé cette protéine en un interrupteur commandé par la lumière pour les cellules nerveuses.
La manière dont le cerveau gère les émotions, les comportements et les fonctions corporelles est depuis longtemps un mystère. Au XXe siècle, les chercheurs ont commencé à étudier quelles zones du cerveau influençaient quelles fonctions, mais les méthodes utilisées ne leur permettaient pas de démontrer des relations causales. L’image qu’ils avaient du cerveau était comme une carte sommaire, pleine de points d’interrogation et d’inconnues. Aujourd’hui, tout cela est en train de changer. « L’optogénétique offre des possibilités de cartographier le cerveau d’une manière dont nous ne pouvions que rêver autrefois », déclare Per Svenningsson, président du Comité Nobel de physiologie ou de médecine, dans la note officielle, plaidant en faveur du choix d’accorder une reconnaissance à ces découvertes.
Tout a commencé avec la curiosité de Peter Hegemann. Il se demandait comment Chlamydomonas, une algue unicellulaire, était capable de nager vers une source de lumière. Au début des années 2000, lui et Georg Nagel découvrent la canalrhodopsine, une protéine algale aux propriétés uniques, présente à la surface de la cellule. Lorsqu’elle est éclairée par la lumière bleue, un canal s’ouvre à travers la protéine. Les ions chargés pénètrent ensuite dans la cellule, créant une impulsion électrique. Les deux scientifiques ont découvert que, quelle que soit la cellule dans laquelle la protéine était insérée, ces cellules devenaient photosensibles. Karl Deisseroth est passé à l’étape suivante : il a introduit le gène de la canalrhodopsine dans les cellules nerveuses des rats et, en éclairant les cellules avec une lumière bleue, a réussi à déclencher un signal nerveux. Deisseroth a publié cette découverte révolutionnaire en 2005. Deux ans plus tard, il a fait fonctionner cet interrupteur commandé par la lumière sur les cellules nerveuses du cerveau de souris vivantes. Cette méthode de contrôle des signaux nerveux à l’aide de la lumière s’appelle désormais optogénétique et a rapidement acquis un impact mondial.
Grâce à l’optogénétique, les chercheurs ont pu découvrir les circuits neuronaux qui régulent des souvenirs, des sentiments et des comportements spécifiques liés aux troubles neurologiques et psychiatriques. En médecine clinique, les chercheurs utilisent cette méthode pour tenter de restaurer la vision chez les personnes ayant une déficience visuelle. Comprendre ces mécanismes a longtemps été un rêve pour les chercheurs. C’est un défi qui passionne l’être humain en général. « Pour moi, mon cerveau est le mécanisme le plus inexplicable – confiait l’écrivaine Virginia Woolf dans une lettre à un ami en 1932 – toujours en ébullition, bourdonnant, volant haut, rugissant, plongeant puis s’enfonçant dans la boue. Et pourquoi ? A quoi sert cette passion ? ».
Beaucoup partagent ces questions existentielles : comment cet organe, qui pèse à peine 1,3 kilogramme, peut-il contenir des souvenirs d’enfance, des rêveries et de la créativité ? Comment peut-il être source de joie, d’amour et de jalousie ? Comment contrôle-t-il votre rythme cardiaque, votre rythme respiratoire, votre cycle de sommeil ? L’optogénétique aide les scientifiques à percer ces mystères, élément après élément. La technique qui permet d’activer ou de désactiver l’activité de cellules nerveuses individuelles dans un cerveau vivant est désormais utilisée dans les laboratoires du monde entier pour cette mission. Et cela change radicalement notre compréhension.
Chaque jour apporte son lot de nouvelles découvertes qui aident à résoudre l’une des plus grandes énigmes de l’humanité : le fonctionnement de notre incroyable cerveau. Poursuivant ce rêve, les chercheurs ont réussi tout au long du XXe siècle à identifier les domaines qui régissent les différentes fonctions physiologiques. Une première carte qui apportait des connaissances précieuses, mais les méthodes disponibles à l’époque étaient plutôt rudimentaires et ne permettaient pas de démontrer qu’un type spécifique de cellule nerveuse était la cause directe d’une certaine sensation ou d’un certain comportement. L’image du cerveau qui en ressortait ressemblait donc à une photographie floue, manquant de nombreux détails. Parmi ceux qui espéraient disposer d’outils plus précis pour explorer le réseau de cellules nerveuses du cerveau – caractérisé par une complexité exceptionnelle – se trouvait également Francis Crick (prix Nobel de médecine en 1962), qui, quelques décennies après la découverte historique de la double hélice de l’ADN (1953), commença à étudier les mécanismes qui sous-tendent la conscience humaine. Il a imaginé des méthodes permettant d’activer des cellules nerveuses individuelles dans un cerveau vivant. Les signaux qui circulent dans les cellules nerveuses sont extrêmement rapides ; pour correspondre à cette vitesse, Crick a conclu que l’utilisation de la lumière serait probablement la solution idéale.
Ainsi, si les biologistes moléculaires pouvaient manipuler les cellules nerveuses pour qu’elles réagissent à la lumière, ils pourraient contrôler l’activité neuronale. Cette vision de l’avenir est désormais devenue réalité. Au début des années 1990, Hegemann, de l’Institut Max Planck de biochimie de Martinsried, a eu la bonne intuition en mélangeant les algues Chlamydomonas dans une boîte de Pétri. Le liquide a pris une légère couleur verte et lorsque les chercheurs ont éclairé un côté de la capsule, la couleur verte s’est déplacée vers la source de lumière. Les algues ont détecté la lumière grâce à une tache oculaire, un petit point orange à la surface de la cellule qui contient une molécule qui capte la lumière. Juste une demi-milliseconde après que la lumière ait atteint le point oculaire, une impulsion électrique s’est produite. Hegemann a formulé l’hypothèse qu’un seul complexe protéique était capable à la fois de capter la lumière et d’agir comme un canal ionique, mais sa proposition a été accueillie avec scepticisme. Le scientifique a tenté d’isoler la protéine photosensible, mais l’entreprise était loin d’être simple. Au tournant du nouveau millénaire, après des années d’échec, son groupe fait une découverte intéressante. Certains chercheurs japonais avaient cartographié l’ADN de Chlamydomonas et, parmi des milliers de gènes, l’équipe de Hegemann en a identifié 2 qui présentaient des similitudes avec des gènes déjà connus codant pour des protéines capables de capter la lumière. L’un d’entre eux pourrait-il contenir les instructions relatives à la protéine recherchée ?
Nagel répondra à cette question, qui a utilisé des ovocytes de grenouille pour étudier les protéines à l’Institut Max Planck de biophysique de Francfort. Le scientifique a injecté séparément des copies des 2 gènes dans différents lots, commençant ainsi à produire les 2 protéines inconnues en grande quantité. Il a ainsi pu découvrir que l’hypothèse formulée par Hegemann 10 ans plus tôt était exacte : il s’agissait bien de canaux ioniques qui s’ouvraient lorsqu’ils étaient exposés à la lumière. Ces protéines ont été nommées canalorhodopsine-1 et canalorhodopsine-2. La seconde a ouvert la voie à l’optogénétique. En 2003, Hegemann et Nagel ont publié leurs résultats, émettant l’hypothèse que la canalorhodopsine-2 pourrait être utilisée comme un outil puissant pour générer des impulsions électriques dans les cellules en utilisant la lumière. Puis, un jeune scientifique de l’Université de Stanford a pris le relais. Pour Deisseroth, la rencontre avec des patients psychiatriques dans les années 1990 a été décisive, au début de ses études de médecine, lorsqu’il envisageait de devenir neurochirurgien et effectuait une partie de sa formation dans une clinique psychiatrique. Il commence à se demander comment le cerveau peut fonctionner si différemment d’une personne à l’autre, obtient un doctorat en neurosciences et réalise que pour comprendre les pathologies rencontrées en clinique, il faut étudier le fonctionnement des cellules nerveuses d’un cerveau vivant. Lorsque Deisseroth a créé son propre groupe de recherche, il a commencé à rechercher une protéine qui pourrait être utilisée pour déclencher des impulsions électriques dans les cellules nerveuses. Il a appris la découverte de la canalorhodopsine-2 et a écrit à Nagel pour lui demander d’accéder à l’ADN qui codait la protéine et de l’introduire dans des cellules nerveuses de rat cultivées dans des boîtes de Pétri. Lorsque l’équipe a exposé les cellules nerveuses à la lumière bleue, elles ont immédiatement réagi. La découverte a été publiée en 2005. Ils avaient franchi une étape décisive, mais il restait encore un long chemin à parcourir.
Deisseroth a entamé diverses collaborations, notamment celles avec Hegemann et Nagel, et a partagé sa découverte avec d’autres chercheurs. D’autres protéines capables d’activer et de désactiver les cellules nerveuses sensibles à différentes longueurs d’onde de la lumière furent rapidement identifiées. En 2006, la méthode s’appelait optogénétique. Un an plus tard, Deisseroth réussit à activer les cellules nerveuses du cerveau de souris vivantes. Une autre étude importante remontant aux débuts de l’optogénétique a été publiée en 2012 avec Susumu Tonegawa (prix Nobel de médecine en 1987 pour ses découvertes en immunologie) : c’était la première expérience dans laquelle des chercheurs parvenaient à démontrer exactement quelles cellules nerveuses étaient nécessaires à une mémoire spécifique. Pour donner une idée de l’exploit, il suffit de penser que le cerveau humain adulte possède environ 90 milliards de cellules nerveuses, dont chacune établit des milliers de connexions avec d’autres cellules nerveuses. Grâce à la lumière, les chercheurs sont désormais capables d’activer ou de désactiver des circuits neuronaux individuels dans le cerveau. Ils peuvent rappeler des souvenirs, susciter des émotions, induire des comportements et étudier les types de neurones impliqués dans divers troubles psychiatriques et neurologiques, de la dépression à la maladie d’Alzheimer et de Parkinson. Ainsi, par exemple, les circuits qui régulent la perception de la douleur, les comportements sociaux, la soif, la prise alimentaire, les mécanismes de récompense et l’attention ont été identifiés. Et des cellules nerveuses responsables de diverses fonctions ont été identifiées, depuis le contrôle du rythme circadien jusqu’à l’apparition de la fièvre. L’optogénétique a également permis de mieux comprendre la manière dont le système nerveux interagit avec différentes cellules d’autres parties de l’organisme. Deisseroth a montré que le rythme cardiaque peut influencer les émotions : si le cœur est obligé de travailler plus fort, il peut accentuer les sentiments d’anxiété. D’autres chercheurs ont identifié des cellules dans l’intestin qui peuvent expliquer pourquoi certaines personnes préfèrent consommer du sucre plutôt que des édulcorants. Ce ne sont que quelques exemples. Et l’espoir de nouveaux traitements médicaux commence également à se concrétiser : dans le cadre d’essais cliniques en cours, on tente par exemple de restaurer la vision chez les personnes aveugles à cause d’une rétinite pigmentaire. Et on espère que l’optogénétique pourra même améliorer les implants cochléaires. Les évolutions possibles sont nombreuses, tout comme les pages encore à écrire.
