Structure secrète dans le schéma de câblage du cerveau
Des chercheurs découvrent un ordre caché dans les connexions apparemment aléatoires entre les neurones.
Dans le cerveau, notre perception résulte d'une interaction complexe entre des neurones reliés par des synapses. Mais le nombre et la force des connexions entre certains types de neurones peuvent varier. Des chercheurs de l'hôpital universitaire de Bonn (UKB), du centre médical universitaire de Mayence et de l'université Ludwig-Maximilian de Munich (LMU), ainsi qu'une équipe de recherche de l'institut Max Planck pour la recherche sur le cerveau de Francfort, dans le cadre du programme prioritaire "Computational Connectomics" (SPP2041) financé par la DFG, ont découvert que la structure des forces de connexion neuronale apparemment irrégulières contient un ordre caché. Cet ordre est essentiel pour la stabilité du réseau neuronal. L'étude a été publiée dans la revue "PNAS".
Neurones du système visuel de la souris : Vert : neurones inhibiteurs marqués génétiquement.
UKB & LMU / Dr. Nataliya Kraynyukova; Dr. Simon Renner
Il y a dix ans, la connectomique, c'est-à-dire la création d'une carte des connexions entre les quelque 86 milliards de neurones du cerveau, était considérée comme un futur jalon de la science. En effet, dans les réseaux neuronaux complexes, les neurones sont reliés entre eux par des milliers de synapses. Ici, la force des connexions entre les neurones individuels est importante car elle est cruciale pour l'apprentissage et les performances cognitives. "Cependant, chaque synapse est unique et sa force peut varier dans le temps. Même les expériences qui ont mesuré le même type de synapse dans la même région du cerveau ont donné des valeurs différentes pour la force synaptique. Cette variabilité observée expérimentalement rend difficile la découverte des principes généraux qui sous-tendent la fonction robuste des réseaux neuronaux", explique le professeur Tatjana Tchumatchenko, chef de groupe de recherche à l'Institut d'épileptologie expérimentale et de recherche cognitive de l'UKB et à l'Institut de chimie physiologique du Centre médical universitaire de Mayence, pour justifier la motivation de l'étude.
Mathématiques et laboratoire combinés à dessein
Dans le cortex visuel primaire (V1), les stimuli visuels transmis par l'œil via le thalamus, point de commutation des impressions sensorielles dans le diencéphale, sont d'abord enregistrés. Les chercheurs ont examiné de plus près les connexions entre les neurones qui sont actifs au cours de ce processus. Pour ce faire, ils ont mesuré expérimentalement la réponse conjointe de deux classes de neurones à différents stimuli visuels dans le modèle de souris. Dans le même temps, ils ont utilisé des modèles mathématiques pour prédire la force des connexions synaptiques. Pour expliquer les activités de ces connexions de réseau enregistrées en laboratoire dans le cortex visuel primaire, ils ont utilisé ce qu'on appelle le "réseau supralinéaire stabilisé" (SSN). "C'est l'un des rares modèles mathématiques non linéaires qui offre la possibilité unique de comparer l'activité simulée théoriquement avec l'activité réellement observée", explique le professeur Laura Busse, chef du groupe de recherche à la LMU Neurobiology. "Nous avons pu montrer que la combinaison du SSN avec des enregistrements expérimentaux de réponses visuelles dans le thalamus et le cortex de la souris nous permet de déterminer différents ensembles de forces de connexion qui conduisent aux réponses visuelles enregistrées dans le cortex visuel."
La séquence entre les forces de connexion est la clé
Les chercheurs ont découvert qu'il y avait un ordre derrière la variabilité observée de la force des synapses. Par exemple, les connexions des neurones excitateurs vers les neurones inhibiteurs étaient toujours les plus fortes, tandis que les connexions inverses dans le cortex visuel étaient plus faibles. Cela s'explique par le fait que les valeurs absolues des forces synaptiques varient dans la modélisation - comme elles l'avaient fait dans les études expérimentales précédentes - mais conservent néanmoins toujours un certain ordre. Ainsi, ce sont les rapports relatifs qui sont cruciaux pour le déroulement et la force de l'activité mesurée, plutôt que les valeurs absolues. "Il est remarquable que l'analyse des mesures directes antérieures des connexions synaptiques ait révélé le même ordre des forces synaptiques que notre prédiction du modèle basée sur les seules réponses neuronales mesurées", déclare Simon Renner, docteur en neurobiologie de la LMU, dont les enregistrements expérimentaux de l'activité corticale et thalamique ont permis de caractériser les connexions entre les neurones corticaux. "Nos résultats montrent que l'activité neuronale contient de nombreuses informations sur la structure sous-jacente des réseaux neuronaux qui ne sont pas immédiatement apparentes à partir des mesures directes de la force des synapses. Ainsi, notre méthode ouvre une perspective prometteuse pour l'étude des structures de réseaux difficiles d'accès expérimentalement", explique Nataliya Kraynyukova, docteur en médecine, de l'Institut d'épileptologie expérimentale et de recherche cognitive de l'UKB et de l'Institut Max Planck pour la recherche sur le cerveau de Francfort. Cette étude est le résultat d'une collaboration interdisciplinaire entre le laboratoire du professeur Busse et celui du professeur Tchumatchenko, qui ont travaillé en étroite collaboration, en s'appuyant sur l'expertise informatique et expérimentale de leurs laboratoires.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Nataliya Kraynyukova*, Simon Renner*, Gregory Born, Yannik Bauer, Martin Spacek, Georgi Tushev, Laura Busse**, and Tatjana Tchumatchenko** [* shared first author; ** shared senior author]: In vivo extracellular recordings of thalamic and cortical visual responses reveal V1 connectivity rules; PNAS; 2022
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