Un réseau neuronal récemment découvert synchronise les circuits visuels et moteurs.
Une mouche à fruits marche sur une petite boule de polystyrène transformée en tapis roulant flottant en 3D. La pièce est complètement sombre, et pourtant, une électrode enregistrant les neurones visuels dans le cerveau de la mouche relaie un mystérieux flux d’activité neuronale, montant et descendant comme une onde sinusoïdale.
Lorsque Eugenia Chiappe, neuroscientifique à la Fondation Champalimaud au Portugal, a vu ces résultats pour la première fois, elle a eu l’intuition que son équipe avait fait une découverte exceptionnelle. Ils enregistraient à partir de neurones visuels, mais comme la pièce était sombre, il n’y avait pas de signal visuel susceptible d’entraîner les neurones de cette manière.
“Cela signifiait que l’activité inhabituelle était soit un artefact, ce qui était peu probable, soit qu’elle provenait d’une source non visuelle”, se souvient Chiappe. “Après avoir étudié et écarté la possibilité d’une interférence, j’en étais sûr : les neurones suivaient fidèlement les pas de l’animal.”
Quelques années et de nombreuses nouvelles idées plus tard, Chiappe et son équipe présentent aujourd’hui leur découverte dans le journal scientifique Neuron: un réseau neuronal bidirectionnel reliant les jambes et le système visuel pour modeler la marche.
“L’un des aspects les plus remarquables de notre découverte est l’existence d’un réseau neuronal bidirectionnel.L’un des aspects les plus remarquables de notre découverte est que ce réseau permet de marcher simultanément sur deux échelles de temps différentes”, a déclaré Chiappe. “Il fonctionne sur une échelle de temps rapide pour surveiller et corriger chaque pas tout en favorisant l’objectif comportemental de l’animal.”
La charge d’un neurone visuel (en haut) dans le cerveau d’une drosophile a été enregistrée alors que l’animal marchait librement au sommet d’un tapis roulant 3D flottant. Le suivi de la position des pattes montre que la charge est en phase avec la patte avant de la mouche. Crédit : Terufumi Fujiwara & ; Eugenia Chiappe, Fondation Champalimaud
Suivi de l'”humeur” neuronale
“La vision et l’action peuvent sembler sans rapport, mais elles sont en fait étroitement associées ; il suffit de choisir un point sur le mur et d’essayer d’y placer le doigt les yeux fermés”, a déclaré Chiappe. “Pourtant, on sait peu de choses sur la base neuronale de ce lien”.
Dans cette étude, l’équipe s’est concentrée sur un type particulier de neurone visuel connu pour se connecter aux zones motrices du cerveau. “Nous voulions identifier les signaux que ces neurones reçoivent et comprendre si et comment ils participent au mouvement”, explique Terufumi Fujiwara, premier auteur de l’étude.
Pour répondre à ces questions, Fujiwara a utilisé une technique puissante appelée enregistrement par patchs de cellules entières qui lui a permis d’exploiter l'”humeur” des neurones, qui peut être positive ou négative.
“Les neurones communiquent entre eux à l’aide de courants électriques qui modifient la charge globale du neurone récepteur. Lorsque la charge nette du neurone est plus positive, il est plus susceptible de devenir actif et de transmettre ensuite des signaux à d’autres neurones. En revanche, si la charge est plus négative, le neurone est plus inhibé”, explique Fujiwara.
Surveiller chaque étape
L’équipe a suivi la charge des neurones et a révélé qu’elle était synchronisée avec les pas de l’animal d’une manière optimale pour ajuster chaque mouvement.
“Lorsque le pied était en l’air, le neurone était plus positif, prêt à envoyer des directions d’ajustement à la région motrice si nécessaire. En revanche, lorsque le pied était au sol, rendant les ajustements impossibles, la charge était plus négative, inhibant efficacement le neurone”, a déclaré Chiappe.
Garder le cap
Lorsque l’équipe a analysé ses résultats plus en détail, elle a remarqué que la charge des neurones changeait également sur une échelle de temps plus longue. Plus précisément, lorsque la mouche marchait rapidement, la charge devenait de plus en plus positive.
“Nous pensons que cette variation aide à maintenir l’objectif comportemental de l’animal”, a déclaré Fujiwara. “Plus la mouche marche vite depuis longtemps, plus les chances sont grandes qu’elle ait besoin d’aide pour maintenir ce plan d’action. Par conséquent, les neurones deviennent de plus en plus ‘plus alertes’ et prêts à être recrutés pour le contrôle du mouvement.”
Le cerveau n’est pas toujours le patron
De nombreuses expériences ont suivi, créant une description plus complète du réseau et démontrant son implication directe dans la marche. Mais selon Chiappe, cette étude va encore plus loin que la révélation d’un nouveau circuit visuo-moteur, elle offre également une nouvelle perspective sur les mécanismes neuronaux du mouvement.
La vision actuelle de la façon dont le comportement est généré est très “descendante” : le cerveau commande le corps. Mais notreLes résultats obtenus fournissent un exemple clair de la façon dont les signaux provenant du corps contribuent au contrôle des mouvements. Bien que nos résultats aient été obtenus dans le modèle animal de la mouche, nous pensons que des mécanismes similaires peuvent exister dans d’autres organismes. Les représentations liées à la vitesse sont essentielles pendant l’exploration, la navigation et la perception spatiale, des fonctions communes à de nombreux animaux, y compris les humains”, conclut-elle.
Référence : “Walking strides direct rapid and flexible recruitment of visual circuits for course control in Drosophila” 6 mai 2022, Neuron.
DOI: 10.1016/j.neuron.2022.04.008
