Une nouvelle recherche utilisant l’imagerie avancée pour suivre un million de neurones chez la souris révèle que plus de 90 % de l’activité cérébrale, auparavant considérée comme du bruit, contient des signaux significatifs, révélant la complexité sous-estimée du cerveau des mammifères. Crédit : Issues.fr.com
Le cerveau des mammifères est un réseau de neurones densément interconnectés, mais l’un des mystères des neurosciences réside dans la manière dont des outils capturant relativement peu de composants de l’activité cérébrale ont permis aux scientifiques de prédire le comportement des souris. Il est difficile de croire qu’une grande partie de la complexité du cerveau soit due à un bruit de fond sans rapport avec le sujet.
« Nous nous sommes demandés pourquoi un système aussi redondant et métaboliquement coûteux aurait évolué », explique Alipasha Vaziri de Rockefeller.
Maintenant, une nouvelle étude dans Neurone– qui présente un enregistrement simultané sans précédent de l’activité d’un million de neurones chez la souris – offre une réponse surprenante à cette question fondamentale : les limitations technologiques nous ont induits en erreur, et le cerveau a bien plus à offrir qu’on ne le pensait autrefois.
« Les hypothèses précédentes sur la véritable dimensionnalité de la dynamique cérébrale pourraient être dues à l’incapacité d’enregistrer un nombre suffisamment grand de neurones », explique Vaziri.
En utilisant une technique personnalisée développée dans le laboratoire Vaziri, les chercheurs ont découvert que plus de 90 pour cent des dimensions qu’ils ont observées dans l’activité neuronale (composants indépendants dont on a besoin pour décrire la dynamique neuronale observée qui contient des signaux différents du bruit) étaient non connecté à des mouvements spontanés ou à des entrées sensorielles chez les souris étudiées. Des milliers de ces dimensions, contenant plus de la moitié de l’activité neuronale cumulée des souris, étaient réparties dans le cerveau dans l’espace et le temps, sans former de groupes distincts dans aucune région et s’étendant dans le temps entre quelques minutes et moins de secondes.
La souris utilisait clairement cette activité omniprésente et continue dans un but précis. Mais pour quoi? « Nous ne le savons toujours pas, mais il s’agit certainement d’un signal distinct du bruit », explique Vaziri. « Cela pourrait ouvrir une fenêtre sur une variété d’états internes complexes ou sur la neuroinformatique. »
Flashs neuronaux
Le laboratoire de Vaziri se concentre sur le développement de technologies optiques pour faire progresser les neurosciences et permettre l’observation de l’activité simultanée de nombreux neurones répartis dans le cerveau. En 2021, le laboratoire a développé la microscopie à billes lumineuses, unephoton technique d’imagerie qui a permis de manière unique de multiplier par 100 le nombre de neurones pouvant être enregistrés simultanément. En mettant la technologie à l’épreuve, les chercheurs ont enregistré pour la première fois l’activité de plus d’un million de neurones dans tout le cortex du cerveau de la souris, tandis que les animaux étaient observés par plusieurs caméras sous différents angles alors qu’ils étaient engagés dans des comportements spontanés et non instruits. comme courir sur un tapis roulant ou faire du toilettage.
La microscopie à billes lumineuses a permis de multiplier par 100 le nombre de neurones pouvant être enregistrés simultanément. Crédit : Matthew Septimus/Université Rockefeller
Après avoir démontré l’efficacité de l’outil, le laboratoire s’est intéressé à son utilisation pour répondre à des questions fondamentales en neurobiologie. «Nous disposions d’un outil qui pouvait nous permettre de faire des découvertes que d’autres technologies ne pourraient pas faire», explique Vaziri. « Nous avons donc essayé de poser des questions auxquelles seul un tel outil pouvait répondre. À savoir : combien d’informations supplémentaires extrayons-nous à mesure que nous continuons à enregistrer de plus en plus de neurones, et que représentent ces informations ? »
Pour enquêter, les chercheurs ont utilisé le LBM en combinaison avec une analyse avancée des données, une modélisation informatique et apprentissage automatique techniques pour étudier l’activité neuronale des souris lorsqu’elles se déplacent spontanément et réagissent à leur environnement.
Les 90 pour cent manquants
On savait que l’activité neuronale liée aux mouvements des animaux était rationalisée dans un sous-espace de faible dimension, ce qui permettait aux techniques précédentes, qui pouvaient enregistrer moins de neurones, d’identifier ces connexions. « Cependant, ce n’est que grâce aux capacités du LBM que nous avons pu découvrir que plus de 90 % des dimensions restantes contenaient des signaux fiables, distincts du bruit, non requis pour le comportement et non expliqués par des stimuli environnementaux », explique Vaziri.
De manière inattendue, ces neurones s’activaient également partout. « Que font-ils? Nous ne le savons pas », dit Vaziri. « Ils pourraient être à l’origine d’un réseau de fluctuations neuronales corrélées à l’échelle du cerveau, peut-être liées à une sorte de dynamique d’état interne telle que la faim ou la motivation. »
La manière dont cela peut s’appliquer au cerveau humain est encore loin d’être établie (« le cerveau humain est un océan comparé à l’étang du cerveau d’une souris », dit Vaziri), mais les résultats suggèrent fortement que nous commençons seulement à comprendre la véritable complexité de ce phénomène. le cerveau des mammifères.
Un nouveau type d’observatoire
Le LBM est l’un des instruments clés qui trouveront leur place dans le Rockefeller Brain Observatory, une nouvelle initiative dirigée par Vaziri visant à rendre accessibles aux neuroscientifiques des instruments novateurs et indisponibles dans le commerce « qui peuvent faire des choses qui seraient autrement impossibles », dit Vaziri.
L’installation s’apparente à un observatoire astronomique, où les scientifiques invités pourront mener des recherches sur des instruments puissants. « L’idée est que les gens seront soutenus par le personnel lorsqu’ils mèneront des recherches à l’aide des microscopes du centre », explique-t-il. « C’est quelque chose que nous voulons ouvrir à la communauté de Rockefeller mais aussi aux neuroscientifiques du monde entier. »
Vaziri et son équipe aident également des chercheurs de plusieurs universités, notamment de l’Université de Stanford et de l’UCL-Londres, à reproduire la technologie LBM dans leurs propres laboratoires de neurosciences. Les données recueillies dans le cadre de l’étude actuelle sont également disponibles pour analyse par d’autres chercheurs.
Ils espèrent également élargir la portée de l’applicabilité du LBM. « Par exemple, nous aimerions accueillir des groupes de recherche qui travaillent avec différents systèmes modèles au-delà des souris (insectes, primates non humains, etc.). Nous avons donc besoin de versions de LBM plus polyvalentes, plus robustes et plus conviviales. » dit Vaziri.
