De minuscules sondes de haute technologie révèlent comment l’information circule dans le cerveau – Technoguide

Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’Institut Allen a collecté et analysé le plus grand ensemble de données sur l’activité électrique des neurones pour glaner les principes de la façon dont nous percevons le monde visuel qui nous entoure. L’étude, publiée mercredi dans la revue Nature, capture les centaines de signaux électriques en une fraction de seconde qui se déclenchent lorsqu’un animal interprète ce qu’il voit.

Votre cerveau traite le monde qui vous entoure presque instantanément, mais il y a de nombreuses étapes rapides comme l’éclair entre la lumière qui frappe votre rétine et le moment où vous prenez conscience de ce qui est devant vous. Les humains ont trois douzaines de zones cérébrales différentes responsables de la compréhension du monde visuel, et les scientifiques ne connaissent toujours pas beaucoup de détails sur le fonctionnement de ce processus.

«À un niveau très élevé, nous voulons comprendre pourquoi nous devons avoir plusieurs zones visuelles dans notre cerveau en premier lieu», a déclaré Josh Siegle, Ph.D., chercheur adjoint dans le programme MindScope de l’Allen Institute. “Comment chacun de ces domaines est-il spécialisé, puis comment communiquent-ils entre eux et synchronisent leur activité pour guider efficacement vos interactions avec le monde?”

Dans la nouvelle étude, Siegle et d’autres chercheurs de MindScope Xiaoxuan Jia, Ph.D., scientifique principal; Shawn Olsen, Ph.D., chercheur associé; et Christof Koch, Ph.D., scientifique en chef a dirigé une équipe de chercheurs pour cerner certains de ces détails.

L’équipe de l’Institut Allen s’est tournée vers la souris, dont le cerveau de la taille d’un haricot de Lima est encore incroyablement compliqué. La vision de la souris n’est pas la même que la nôtre – d’une part, ils s’appuient davantage sur d’autres sens que nous – mais les neuroscientifiques pensent qu’ils peuvent encore apprendre de nombreux principes généraux sur le traitement sensoriel en étudiant ces animaux.

À l’aide de Neuropixels, des sondes en silicium haute résolution plus minces qu’un cheveu humain qui lisent l’activité de centaines de neurones à la fois, l’équipe a construit un ensemble de données publiques de pointes électriques d’environ 100000 neurones dans le cerveau de la souris.

Non seulement cet ensemble de données est la plus grande collection d’activité électrique des neurones au monde, mais chaque expérience de la base de données a capturé des informations provenant de centaines de cellules cérébrales de huit régions visuelles différentes du cerveau à la fois. La lecture simultanée de l’activité électrique dans différentes zones du cerveau a permis aux scientifiques de retracer les signaux visuels en temps réel lorsqu’ils passaient des yeux de la souris vers les régions supérieures de son cerveau.

Les chercheurs ont découvert que les informations visuelles voyagent le long d’une «hiérarchie» à travers le cerveau, dans laquelle les zones inférieures représentent des concepts visuels plus simples comme la lumière et l’obscurité, tandis que les neurones au sommet de la hiérarchie capturent des idées plus complexes, comme la forme des objets.

«Historiquement, les gens ont étudié une région du cerveau à la fois, mais le cerveau ne sert pas d’intermédiaire entre le comportement et la cognition avec une seule région», a déclaré Olsen. «Nous apprenons que le cerveau fonctionne grâce à l’interaction de zones et de signaux envoyés d’une zone à une autre, mais des limitations techniques nous ont empêché d’étudier cela en profondeur dans le passé. Nous avions vraiment besoin de la vue intégrée que cet ensemble de données fournit pour commencer pour comprendre comment cela fonctionne. “

Tracer les schémas de circulation du cerveau

L’étude Neuropixels s’est basée sur une étude précédente de l’Institut Allen qui a cartographié le schéma de câblage du cerveau de la souris, les connexions physiques établies par des faisceaux d’axones entre de nombreuses zones différentes du cerveau. Avec les données de l’Atlas de connectivité cérébrale de la souris Allen, cette étude a retracé des milliers de connexions à l’intérieur et entre le thalamus et le cortex, la coque la plus externe du cerveau des mammifères qui est responsable des fonctions de niveau supérieur, y compris le traitement du monde visuel.

Si les données de connectivité sont comme la feuille de route du cerveau, l’ensemble de données Neuropixels s’apparente au suivi des modèles de trafic dans le cerveau, a déclaré Koch. Même si les signaux dans le cerveau se déplacent en une fraction de seconde d’une région à l’autre, les sondes sont suffisamment sensibles pour détecter de très légers retards qui permettent aux scientifiques de dessiner une carte en temps réel de la route que prend les informations visuelles dans le cerveau. En comparant les données Neuropixels avec les données de connectivité, les scientifiques peuvent obtenir une image plus claire de la façon dont les informations se déplacent le long des routes neuronales.

«C’est comme si nous essayions de cartographier la manière dont les villes sont connectées en observant le mouvement des voitures sur la route», a déclaré Koch. «Si nous voyons une voiture à Seattle, puis quelques heures plus tard, nous voyons cette même voiture à Spokane et que beaucoup plus tard, nous voyons la voiture à Minneapolis, alors nous avons une idée que la connexion de Seattle à Minneapolis doit passer par Spokane sur le chemin.”

Comme les routes d’un pays, la carte de câblage d’un cerveau n’est pas une structure simple. Il existe de nombreuses connexions parallèles différentes entre deux zones cérébrales, voire deux zones voisines. Et comme notre système d’autoroutes inter-États, de routes artérielles et de routes plus petites, le cerveau a des connexions de plus en plus faibles. Il ne suffit pas de connaître la carte physique pour prédire l’itinéraire des informations visuelles.

Les chercheurs ont pu cartographier les signaux sur une hiérarchie en utilisant les retards qu’ils ont observés dans l’activité neuronale entre différentes régions du cerveau. Ils ont également utilisé d’autres mesures pour confirmer la hiérarchie, y compris la taille du champ visuel auquel chaque neurone répond. Les cellules inférieures dans la hiérarchie sont adaptées à de plus petites parties du monde visuel de l’animal, tandis que les neurones de niveau supérieur réagissent à de plus grandes régions de l’espace visuel, probablement parce que ces cellules intègrent plus d’informations sur une image entière devant l’animal.

Un processus critique

Les scientifiques ont capturé l’activité neuronale à la fois lorsque les animaux regardaient différentes photos et images simples, et chez des souris entraînées à réagir à un changement d’image devant leurs yeux en léchant une minuscule trombe. Ils ont vu que l’information voyageait dans le cerveau à travers le même chemin hiérarchique dans les deux situations. Lorsque les souris ont été entraînées à répondre à un changement visuel, leurs neurones visuels ont également modifié leur activité, et ces cellules plus élevées dans la hiérarchie ont montré des changements encore plus importants.

Les scientifiques pouvaient même dire simplement en regardant l’activité neuronale si un animal en particulier avait détecté avec succès un changement dans l’image.

Et si les chercheurs éteignaient toutes les lumières – ne donnant aucune entrée visuelle aux animaux – beaucoup des mêmes neurones visuels étaient toujours déclenchés, bien que plus lentement, mais l’ordre du flux d’informations était perdu. Cela pourrait signifier que la hiérarchie est nécessaire pour traiter les informations visuelles, mais les animaux utilisent les mêmes cellules à d’autres fins dans un circuit différent.

Bien que ces types d’expériences détaillées ne soient pas possibles chez l’homme, des études portant sur l’activité cérébrale générale ont observé une sorte de hiérarchie similaire – et des changements dans l’activité cérébrale – dans les parties de notre cerveau responsables du traitement sonore et visuel. Les neuroscientifiques pensent que ce type de traitement hiérarchique est utilisé dans tout le cerveau pour comprendre de nombreux aspects du monde qui nous entoure, pas seulement ce que nous voyons.

“Nous savons que notre capacité à créer des représentations cohérentes des objets que nous voyons est un processus critique pour la survie. Nos cerveaux ont en fait désigné environ 30 à 50% du cortex juste pour le traitement visuel”, a déclaré Jia. “Notre étude suggère que ce traitement hiérarchique des informations visuelles est également significatif ou important pour l’animal.”

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