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Résumé: Un nouveau microscope personnalisé a permis aux chercheurs de suivre l’activité d’un seul neurone dans tout le cortex visuel.

La source: HHMI

À l’aide d’un microscope conçu sur mesure pour scruter le cerveau de la souris, les scientifiques ont suivi l’activité de neurones uniques dans tout le cortex visuel.

Ces enregistrements, réalisés dans les dixièmes de secondes après que les animaux ont vu un signal sur un écran, exposent la dynamique complexe impliquée dans la compréhension de ce que les yeux voient.

Dans une combinaison sans précédent d’ampleur et de détails, les résultats décrivent le comportement de plus de 21 000 neurones au total chez six souris sur cinq jours, rapporte l’équipe du chercheur de l’Institut médical Howard Hughes Mark Schnitzer dans la revue Nature le 18 mai 2022.

Son équipe est la première à avoir un aperçu de l’activité des cellules individuelles se produisant en même temps dans huit parties du cerveau impliquées dans la vision.

“Les gens ont déjà étudié ces zones du cerveau, mais les études d’imagerie antérieures n’avaient pas de résolution cellulaire sur l’ensemble du cortex visuel”, explique Schnitzer, neuroscientifique à l’Université de Stanford.

L’œuvre met en lumière la séquence dramatique d’événements qui se déroulent dans le cerveau depuis l’instant où il reçoit des messages des yeux jusqu’à ce qu’il décide comment réagir à cette vue. L’approche d’imagerie approfondie mais fine des chercheurs leur a permis de collecter un ensemble “incroyable” de données, déclare Tatiana Engel, neuroscientifique informatique au Cold Spring Harbor Laboratory qui n’a pas participé à l’étude.

Alors que des études antérieures ont déjà exploré des aspects de ce processus, tels que les variations de l’activité des neurones uniques et la coordination entre des zones cérébrales plus larges, cette recherche offre une nouvelle vision plus large, dit-elle. “L’échelle à laquelle ils sont capables d’aborder ces sujets est très impressionnante.”

Lorsque les yeux voient une image, ils envoient des signaux électriques qui se retrouvent dans le cortex visuel, la couche externe ridée du cerveau près de l’arrière de la tête. Là, les signaux déclenchent une vague d’activité alors que les neurones travaillent ensemble pour enregistrer une image, l’évaluer et décider comment y répondre.

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Pour capturer l’activité à travers le cortex visuel, Schnitzer et ses collègues ont construit un microscope personnalisé avec un large champ de vision. Leur système pourrait également capturer des détails à une résolution de quelques millièmes de millimètre, suffisamment petite pour détecter des neurones uniques. En utilisant des souris génétiquement modifiées avec des neurones qui émettent une fluorescence lors de l’envoi de signaux, l’équipe a pu surveiller l’activité de ces cellules.

Au cours des expériences de l’équipe, les souris devaient faire un choix basé sur l’un des deux repères visuels. L’un incitait les animaux à lécher un bec verseur pour de l’eau sucrée, l’autre signal indiquait « ne pas lécher ». Les souris ont effectué plusieurs de ces tests pendant cinq jours.

Avec des enregistrements réalisés à partir du cerveau des souris, l’équipe a posé une question simple : que se passe-t-il dans le cerveau lorsque nous voyons quelque chose ? Leurs résultats exposent ce processus invisible à une résolution temporelle de quelques fractions de seconde et dévoilent des nuances surprenantes.

L’œuvre met en lumière la séquence dramatique d’événements qui se déroulent dans le cerveau depuis l’instant où il reçoit des messages des yeux jusqu’à ce qu’il décide comment réagir à cette vue. L’image est dans le domaine public

Les scientifiques, par exemple, savaient déjà que les neurones individuels se comportent de manière variable lorsqu’ils répondent aux signaux visuels transmis par les yeux. Mais les expériences de l’équipe de Schnitzer ont révélé une tendance à ce comportement peu fiable. Ce modèle pourrait permettre aux zones cérébrales recevant les signaux des neurones de les comprendre et d’interpréter avec précision la scène visuelle.

Les chercheurs ont également documenté comment, environ 200 millisecondes après l’apparition du signal visuel, les animaux ont changé de vitesse mentale : les messages des yeux ont provoqué un réarrangement massif dans l’activité de différentes zones du cerveau. Environ 500 millisecondes après, cette poussée s’est calmée et l’activité est devenue plus stable et reconnaissable.

Ensuite, environ 600 millisecondes plus tard, un autre signal est apparu, activant les huit zones du cerveau. Ce signal encodait la décision de l’animal de rester immobile ou d’aller chercher l’eau sucrée. Les chercheurs ont appris à lire le signal, afin de pouvoir prédire quelle réponse la souris ferait.

“C’est fascinant de voir tout ce que le cerveau fait dans les instants qui suivent immédiatement la perception du stimulus par les yeux”, déclare Schnitzer.

À propos de cette actualité de la recherche en neurosciences visuelles

Auteur: Bureau de presse
La source: HHMI
Contacter: Bureau de presse – HHMI
Image: L’image est dans le domaine public

Recherche originale : Accès fermé.
“Fiabilité émergente dans le codage cortical sensoriel et la communication inter-zone” par Mark Schnitzer et al. Nature


Abstrait

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Cela montre les synapses étiquetées avec des flèches sur un neurone

Fiabilité émergente dans le codage cortical sensoriel et la communication inter-zone

Une discrimination sensorielle fiable doit découler de représentations neuronales haute fidélité et de la communication entre les zones cérébrales. Cependant, la façon dont le traitement sensoriel néocortical surmonte la variabilité substantielle des réponses sensorielles neuronales reste indéterminée.

Ici, nous avons imagé l’activité neuronale dans huit zones néocorticales simultanément et pendant cinq jours chez des souris effectuant une tâche de discrimination visuelle, produisant des enregistrements longitudinaux de plus de 21 000 neurones.

Les analyses ont révélé une séquence d’événements à travers le néocortex à partir d’un état de repos, jusqu’aux premiers stades de la perception et à travers la formation d’une réponse à la tâche. Au repos, le néocortex avait un modèle de connexions fonctionnelles, identifié par des ensembles de zones qui partageaient des cofluctuations d’activité.

Environ 200 ms après le début du stimulus sensoriel, ces connexions se sont réorganisées, différentes zones partageant des cofluctuations et des informations liées à la tâche.

Au cours de cet état de courte durée (durée d’environ 300 ms), la transmission de données sensorielles inter-zones et la redondance de l’encodage sensoriel ont culminé, reflétant une augmentation transitoire des fluctuations corrélées entre les neurones liés à la tâche.

Environ 0,5 s après le début du stimulus, la représentation visuelle a atteint une forme plus stable, dont la structure était robuste aux importantes variations quotidiennes des réponses des cellules individuelles. Environ 1 s après la présentation du stimulus, un mode de fluctuation global transmettait la réponse à venir de la souris à chaque zone examinée et était orthogonal aux modes transportant des données sensorielles.

Dans l’ensemble, le néocortex prend en charge les performances sensorielles grâce à de brèves élévations de la redondance du codage sensoriel près du début de la perception, des codes de population neuronale qui sont robustes à la variabilité cellulaire et des modes de fluctuation inter-zones répandus qui transmettent des données sensorielles et des réponses aux tâches dans des canaux non interférents.