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Une nouvelle étude révèle que nos cellules cérébrales reposent sur un circuit de neurones inhibiteurs pour garantir que les mêmes images sont représentées de manière cohérente.
Une étude sur des souris regardant des films montre que nos cellules cérébrales s’appuient sur un circuit de neurones inhibiteurs pour garantir que les mêmes images sont représentées de manière cohérente.
Lorsqu’il s’agit de traiter la vision, le cerveau est plein de bruit. L’information se déplace des yeux à travers de nombreuses connexions dans le cerveau. Idéalement, la même image serait représentée de manière fiable de la même manière à chaque fois, mais à la place, différents groupes de cellules du cortex visuel peuvent être stimulés par les mêmes scènes. Alors, comment le cerveau assure-t-il finalement la fidélité dans le traitement de ce que nous voyons ? Une équipe de neuroscientifiques du Picower Institute for Learning and Memory à AVEC découvert en regardant le cerveau de souris pendant qu’elles regardaient des films.
Ce que les chercheurs ont découvert, c’est que tandis que des groupes de neurones « excitateurs » réagissent lorsque des images apparaissent, les représentant ainsi dans le cortex visuel, l’activité entre deux types de neurones « inhibiteurs » se combine dans un circuit soigneusement agencé en coulisses pour renforcer la fiabilité nécessaire. Les chercheurs ont non seulement pu voir et analyser les modèles de fonctionnement de ces neurones, mais une fois qu’ils ont appris comment le circuit fonctionnait, ils ont également pris le contrôle des cellules inhibitrices pour manipuler directement la manière dont les cellules excitatrices représentaient les images de manière cohérente.
“La question de la fiabilité est extrêmement importante pour le traitement de l’information et en particulier pour la représentation – pour rendre la vision valide et fiable”, déclare Mriganka Sur, professeur de neurosciences à Newton au département des sciences du cerveau et de la cognition du MIT et auteur principal de la nouvelle étude dans le Journal des neurosciences. “Les mêmes neurones devraient s’activer de la même manière lorsque je regarde quelque chose, de sorte que la prochaine fois et chaque fois que je le regarde, cela soit représenté de manière cohérente.”
Le chercheur Murat Yildirim et l’ancien étudiant diplômé Rajeev Rikhye ont dirigé l’étude, qui a nécessité un certain nombre de prouesses techniques. Pour observer des centaines de neurones excitateurs et deux neurones inhibiteurs différents au travail, par exemple, ils devaient les concevoir pour qu’ils clignotent dans des couleurs distinctes sous différentes couleurs de lumière laser dans leur microscope à deux photons. Prendre le contrôle des cellules à l’aide d’une technologie appelée « optogénétique » a nécessité d’ajouter encore plus de manipulations génétiques et de couleurs laser. De plus, pour donner un sens à l’activité cellulaire qu’ils observaient, les chercheurs ont créé un modèle informatique du circuit tripartite.
“C’était passionnant de pouvoir combiner tous ces éléments expérimentaux, y compris plusieurs couleurs laser différentes, pour pouvoir répondre à cette question”, a déclaré Yildirim.
Représentation fiable
L’observation principale de l’équipe était que lorsque les souris regardaient les mêmes films à plusieurs reprises, la fiabilité de la représentation parmi les cellules excitatrices variait avec les niveaux d’activité de deux neurones inhibiteurs différents. Lorsque la fiabilité était faible, l’activité parmi les neurones inhibiteurs exprimant la parvalbumine (PV) était élevée et l’activité parmi les neurones exprimant la somatostatine (SST) était faible. Lorsque la fiabilité était élevée, l’activité PV était faible et l’activité SST était élevée. Ils ont également vu que l’activité SST suivait l’activité PV dans le temps après que l’activité excitatrice soit devenue peu fiable.
Les neurones PV inhibent l’activité excitatrice pour contrôler leur gain, explique Sur. S’ils ne le faisaient pas, les neurones excitateurs deviendraient saturés au milieu d’un flot d’images entrantes et ne parviendraient pas à suivre. Mais cette suppression de gain se fait apparemment au prix de rendre moins fiable la représentation des mêmes scènes par les mêmes cellules, suggère l’étude. Les neurones SST quant à eux, peuvent inhiber l’activité des neurones PV. Dans le modèle informatique de l’équipe, ils ont représenté le circuit tripartite et ont pu voir que l’inhibition des neurones SST des neurones PV se déclenche lorsque l’activité excitatrice est devenue peu fiable.
« Il s’agissait d’une recherche très innovante pour la thèse de doctorat de Rajeev », déclare Sur.
L’équipe a pu montrer directement cette dynamique en prenant le contrôle des cellules PV et SST grâce à l’optogénétique. Par exemple, lorsqu’ils augmentent l’activité SST, ils pourraient rendre plus fiable l’activité neuronale non fiable. Et lorsqu’ils augmentaient l’activité photovoltaïque, ils pouvaient ruiner la fiabilité si elle était présente.
Mais surtout, ils ont également constaté que les neurones SST ne peuvent pas assurer la fiabilité sans la présence de cellules photovoltaïques. Ils émettent l’hypothèse que cette coopération est nécessaire en raison des différences dans la façon dont les cellules SST et PV inhibent les cellules excitatrices. Les cellules SST inhibent uniquement l’activité des cellules excitatrices via des connexions, ou «synapses», sur les vrilles épineuses appelées dendrites qui s’étendent loin du corps cellulaire, ou «soma». Les cellules PV inhibent l’activité au niveau du corps cellulaire excitateur lui-même. La clé pour améliorer la fiabilité est de permettre plus d’activité au niveau du corps cellulaire. Pour ce faire, les neurones SST doivent donc inhiber l’inhibition apportée par les cellules PV. Pendant ce temps, la suppression de l’activité dans les dendrites pourrait réduire le bruit entrant dans la cellule excitatrice à partir des synapses avec d’autres neurones.
“Nous démontrons que la responsabilité de moduler la fiabilité de la réponse ne repose pas exclusivement sur un sous-type neuronal”, ont écrit les auteurs dans l’étude. « Au lieu de cela, c’est la dynamique de coopération entre SST et PV [neurons] ce qui est important pour contrôler la fidélité temporelle du traitement sensoriel. Une fonction biophysique potentielle du circuit SSTàPV pourrait être de maximiser le rapport signal/bruit des neurones excitateurs en minimisant le bruit dans les entrées synaptiques et en maximisant les pics au niveau du soma.
Sur note que l’activité des neurones SST n’est pas seulement modulée par un retour automatique de l’intérieur de ce circuit. Ils pourraient également être contrôlés par des entrées « descendantes » provenant d’autres régions du cerveau. Par exemple, si nous réalisons qu’une image ou une scène particulière est importante, nous pouvons volontairement nous concentrer dessus. Cela peut être mis en œuvre en signalant les neurones SST pour renforcer la fiabilité de l’activité des cellules excitatrices.
Référence : « Reliable Sensory Processing in Mouse Visual Cortex through Cooperative Interactions between Somatostatin and Parvalbumin Interneurons » par Rajeev V. Rikhye, Murat Yildirim, Ming Hu, Vincent Breton-Provencher et Mriganka Sur, 20 octobre 2021, JNeurosci.
DOI : 10.1523 / JNEUROSCI.3176-20.2021
Outre Sur, Yildirim et Rikhye, les autres auteurs de l’article sont Ming Hu et Vincent Breton-Provencher.
L’Institut national de l’œil, l’Institut national d’imagerie biomédicale et de bioingénierie des Instituts nationaux de la santé et la Fondation JPB ont financé l’étude.
