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Repenser le « petit cerveau » – Le pouvoir d’apprentissage surprenant des noyaux cérébelleux

Brain Cerebellar Nuclei Art Concept

Une étude collaborative révèle que les noyaux cérébelleux jouent un rôle crucial dans l’apprentissage associatif, remettant en question les croyances antérieures axées sur le cortex cérébelleux. Grâce à des techniques innovantes telles que l’optogénétique et les mesures électriques des cellules, la recherche montre comment ces noyaux contribuent aux processus d’apprentissage, avec des implications pour les neurosciences humaines.

Nos noyaux cérébelleux sont plus importants qu’on ne le pensait initialement

On a toujours pensé que l’apprentissage associatif était régulé par le cortex du cervelet, souvent appelé le « petit cerveau ». Cependant, de nouvelles recherches issues d’une collaboration entre l’Institut néerlandais des neurosciences, Erasmus MC et le Centre Champalimaud pour l’inconnu révèlent qu’en réalité les noyaux du cervelet apportent une contribution surprenante à ce processus d’apprentissage.

Comprendre l’apprentissage associatif

Si une tasse de thé fume, vous attendrez un peu plus longtemps avant d’y boire. Et si vos doigts se coincent dans la porte, vous serez plus prudent la prochaine fois. Il s’agit de formes d’apprentissage associatif, dans lesquelles une expérience positive ou négative conduit à un comportement d’apprentissage. Nous savons que notre cervelet est important dans cette forme d’apprentissage. Mais comment cela fonctionne-t-il exactement ?

Méthodologie de recherche

Pour étudier cette question, une équipe internationale de chercheurs aux Pays-Bas et au Portugal, composée de Robin Broersen, Catarina Albergaria, Daniela Carulli, avec Megan Carey, Cathrin Canto et Chris de Zeeuw comme auteurs principaux, a examiné le cervelet de souris. Les chercheurs ont entraîné des souris avec deux stimuli différents : un bref éclair de lumière, suivi d’une légère bouffée d’air dans l’œil. Au fil du temps, les souris ont appris qu’il existait une association entre les deux, les amenant à fermer les yeux de manière préventive lorsqu’elles voyaient l’éclair lumineux. Ce paradigme comportemental est utilisé depuis de nombreuses années pour explorer le fonctionnement du cervelet.

La structure et la fonction du cervelet

Si vous regardez le cervelet, vous pouvez y distinguer deux parties principales : le cortex cérébelleux, ou la couche externe du cervelet, et les noyaux cérébelleux, la partie interne. Ces parties sont interconnectées. Les noyaux sont des groupes de cellules cérébrales qui reçoivent toutes sortes d’informations du cortex. Ces noyaux ont à leur tour des connexions avec d’autres zones du cerveau qui contrôlent les mouvements, notamment la fermeture des paupières. Essentiellement, les noyaux constituent le centre de sortie du cervelet.

Processus d'apprentissage des noyaux cérébelleux

Une interprétation artistique de la recherche. Les algues brillantes représentent des fibres moussues – des connexions cérébrales qui interagissent avec le poisson-globe, symbolisant les cellules du noyau cérébelleux qui répondent de manière variable aux stimuli. Les motifs en bois du bateau ci-dessus suggèrent la structure du cortex cérébelleux, relié aux profondeurs par une ligne d’ancrage, décrivant la connexion entre le cortex et les noyaux. Crédit : Rita Félix

Robin Broersen : « Le cortex cérébelleux a longtemps été considéré comme le principal acteur dans l’apprentissage du réflexe et du moment de fermeture des paupières. Avec cette étude, nous montrons que les fermetures des paupières au bon moment peuvent également être régulées par les noyaux cérébelleux. Les deux laboratoires travaillaient sur des sujets de recherche similaires et lorsque nous avons réalisé la synergie de nos travaux, nous avons décidé de démarrer une collaboration internationale aboutissant au présent article.

Le cervelet est influencé par d’autres régions du cerveau via différentes connexions, les fibres dites moussues et les fibres grimpantes. Dans l’expérience décrite ci-dessus, on pense que les fibres moussues transportent des informations provenant de la lumière et que les fibres grimpantes transmettent des informations liées au souffle d’air. Ces informations convergent ensuite vers le cortex et les noyaux du cervelet. L’équipe néerlandaise a étudié l’effet de l’apprentissage associatif sur ces connexions avec les noyaux et a découvert que les fibres moussues avaient établi des connexions plus fortes avec les noyaux chez les souris, démontrant un apprentissage associatif.

Activation avec la lumière

Pendant ce temps, l’équipe portugaise a testé la capacité d’apprentissage des noyaux cérébelleux en utilisant l’optogénétique, une méthode qui utilise la lumière pour contrôler les cellules. Catarina Albergaria : « Au lieu d’utiliser un flash lumineux ordinaire pour entraîner les souris, nous avons directement stimulé les connexions cérébrales avec la lumière tout en l’associant à un souffle d’air vers l’œil. Cela a amené les souris à fermer leurs paupières au bon moment, démontrant que les noyaux cérébelleux peuvent permettre un apprentissage au bon moment. Pour garantir que cet apprentissage se produisait réellement dans les noyaux, nous avons répété les expériences sur des souris dotées d’un cortex cérébelleux inactivé.

Cathrin Canto : « Pendant l’apprentissage, les connexions entre les cellules cérébrales changent. Pourtant, il n’était pas clair où ces changements se produisaient dans le cervelet. Par conséquent, nous avons examiné ce qui arrive aux fibres moussues et aux connexions du cortex pendant l’apprentissage. Nous avons constaté que chez les souris qui ont appris – mais pas chez celles qui n’ont pas appris – les connexions entre les fibres moussues et le cortex vers les noyaux sont devenues plus fortes.

Technologie de pointe

Canto poursuit : « Nous avons également visualisé ce qui se passe à l’intérieur de la cellule, en prenant des mesures électriques à l’intérieur des cellules nucléaires d’une souris vivante. Vous pouvez imaginer que ces cellules sont très petites, de 10 à 20 µm. C’est plus petit que le diamètre d’un cheveu humain. En utilisant un tube ultra-fin doté d’une électrode, nous avons pu enregistrer l’activité électrique à l’intérieur des cellules pendant que la souris effectuait la tâche, un énorme défi technique.

« Chez les animaux dressés, l’exposition à la lumière provoquait une modification de l’activité électrique à l’intérieur des cellules du noyau : les cellules devenaient plus actives à mesure que l’on se rapprochait du souffle d’air en termes de timing. Essentiellement, les cellules étaient préparées à ce qui allait arriver et pouvaient donc rendre leur activité électrique suffisamment précise pour contrôler la paupière avant même que la bouffée n’ait eu lieu.

Souris contre humain

Broersen : « Bien que cette recherche utilise des souris, l’anatomie générale du cervelet est similaire entre les souris et les humains. Alors que les humains possèdent beaucoup plus de cellules, nous nous attendons à ce que les connexions entre les cellules soient organisées de la même manière.

« Nos résultats contribuent à une meilleure compréhension du fonctionnement du cervelet et de ce qui se passe pendant le processus d’apprentissage. Cela conduit également à mieux connaître la manière dont les dommages causés au cervelet affectent le fonctionnement, ce qui pourrait aider les patients à l’avenir. En stimulant les connexions avec les noyaux à l’aide d’une stimulation cérébrale profonde, il pourrait être possible d’acquérir de nouvelles capacités motrices. »

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