Une souris court sur un tapis roulant intégré à un couloir de réalité virtuelle. Dans son esprit, elle se voit en train de courir dans un tunnel avec un motif de lumières distinctif devant elle. Grâce à un entraînement, la souris a appris que si elle s’arrête aux lumières et garde cette position pendant 1,5 seconde, elle recevra une récompense, un petit verre d’eau. Ensuite, elle peut se précipiter vers un autre jeu de lumières pour recevoir une autre récompense.
Cette configuration est à la base d’une recherche publiée en juillet dans Cell Reports par les neuroscientifiques Elie Adam, Taylor Johns et Mriganka Sur du Massachusetts Institute of Technology. Elle explore une question simple : Comment le cerveau des souris, des humains et d’autres mammifères fonctionne-t-il assez rapidement pour nous arrêter sur un coup de tête ? Les nouveaux travaux révèlent que le cerveau n’est pas câblé pour transmettre un ordre d’arrêt brusque de la manière la plus directe ou intuitive. Au lieu de cela, il utilise un système de signalisation plus complexe basé sur des principes de calcul. Cet arrangement peut sembler excessivement compliqué, mais il s’agit d’une façon étonnamment intelligente de contrôler des comportements qui doivent être plus précis que ne peuvent l’être les commandes du cerveau.
Le contrôle de la mécanique simple de la marche ou de la course est assez facile à décrire : La région locomotrice mésencéphalique (MLR) du cerveau envoie des signaux aux neurones de la moelle épinière, qui envoient des impulsions inhibitrices ou excitatrices aux motoneurones gouvernant les muscles de la jambe : Stop. Allez-y. Stop. Go. Chaque signal est un pic d’activité électrique généré par les ensembles de neurones qui tirent.
L’histoire devient toutefois plus complexe lorsque des objectifs sont introduits, par exemple lorsqu’un joueur de tennis veut courir jusqu’à un endroit précis du terrain ou qu’une souris assoiffée regarde au loin une récompense rafraîchissante. Les biologistes ont compris depuis longtemps que les objectifs prennent forme dans le cortex cérébral du cerveau. Comment le cerveau traduit-il un objectif (arrêter de courir à cet endroit pour obtenir une récompense) en un signal précisément programmé qui indique au MLR de freiner ? Sridevi Sarma, neuroscientifique à l’université Johns Hopkins, explique : “Depuis des décennies, on étudie les caractéristiques de notre cerveau qui nous rendent si agiles, rapides et robustes. &rdquo ;
The Fast and the Furriest
Pour comprendre la réponse, les chercheurs ont surveillé l’activité neuronale du cerveau d’une souris tout en chronométrant le temps qu’il fallait à l’animal pour décélérer de la vitesse maximale à l’arrêt complet. Ils s’attendaient à voir un signal inhibiteur affluer dans la RML, déclenchant l’arrêt quasi instantané des jambes, comme un interrupteur électrique éteignant une ampoule.
Le neuroscientifique Mriganka Sur et ses collègues ont découvert que dans le cerveau d’une souris, une commande physique précise était codée dans l’intervalle entre les pics de deux signaux neuronaux. Il n’y a pas d’information dans la hauteur des pics”, a-t-il déclaré.
Photographie : Webb Chappell ;
Mais une divergence dans les données a rapidement sapé cette théorie. Les chercheurs ont observé un signal d’arrêt circulant dans la RLM lorsque la souris ralentissait, mais ce signal n’était pas assez intense pour expliquer la rapidité avec laquelle l’animal s’est arrêté.
“Si vous prenez simplement des signaux d’arrêt et que vous les envoyez dans la RML, l’animal s’arrêtera, mais les mathématiques nous disent que l’arrêt ne sera pas assez rapide,&rdquo ; a déclaré Adam. Nous pensions que c’était ce que le cortex ferait, passer de 0 à 1 avec un signal rapide. Ce n’est pas le cas, c’est là que réside le problème.
Les chercheurs savaient donc qu’un autre système de signalisation devait être à l’œuvre. Pour le trouver, ils ont à nouveau examiné l’anatomie du cerveau de la souris. Entre le cortex où naissent les buts et le MLR qui contrôle la locomotion se trouve une autre région, le noyau sous-thalamique (STN). On savait déjà que le STN est relié au MLR par deux voies : L’une envoie des signaux excitateurs et l’autre des signaux inhibiteurs. Les chercheurs se sont aperçus que la RML réagissait à l’interaction entre les deux signaux plutôt que de dépendre de la force de l’un ou l’autre.
