Comment le cerveau traite les informations sensorielles des organes internes

Pourtant, historiquement, très peu de recherches ont été consacrées à la compréhension de ces sensations corporelles de base – également appelées sens internes – qui sont générées lorsque le cerveau reçoit et interprète les informations des organes internes.

Maintenant, une équipe dirigée par des chercheurs de la Harvard Medical School a fait de nouveaux progrès dans la compréhension de la biologie de base de la détection des organes internes, qui implique une cascade compliquée de communication entre les cellules à l’intérieur du corps.

Dans une étude menée sur des souris et publiée le 31 août dans La naturel’équipe a utilisé l’imagerie à haute résolution pour révéler des cartes spatiales de la façon dont les neurones du tronc cérébral réagissent aux réactions des organes internes.

Ils ont découvert que la rétroaction de différents organes active des groupes discrets de neurones, que ces informations soient de nature mécanique ou chimique – et ces groupes de neurones représentant différents organes sont topographiquement organisés dans le tronc cérébral. De plus, ils ont découvert que l’inhibition dans le cerveau joue un rôle clé en aidant les neurones à répondre sélectivement aux organes.

“Notre étude révèle les principes fondamentaux de la représentation des différents organes internes dans le tronc cérébral”, a déclaré l’auteur principal Chen Ran, chercheur en biologie cellulaire au HMS.

La recherche n’est qu’une première étape pour élucider comment les organes internes communiquent avec le cerveau. Cependant, si les résultats sont confirmés chez d’autres espèces, y compris les humains, ils pourraient aider les scientifiques à développer de meilleures stratégies thérapeutiques pour des maladies telles que les troubles de l’alimentation, l’hyperactivité vésicale, le diabète, les troubles pulmonaires et l’hypertension qui surviennent lorsque la détection interne tourne mal.

“Je pense que comprendre comment les entrées sensorielles sont codées par le cerveau est l’un des grands mystères du fonctionnement du cerveau”, a déclaré l’auteur principal Stephen Liberles, professeur de biologie cellulaire à l’Institut Blavatnik du HMS et chercheur au Howard Hughes Medical Institute. “Cela permet de comprendre comment le cerveau fonctionne pour générer des perceptions et évoquer des comportements.”

Peu étudié et mal compris

Depuis près d’un siècle, les scientifiques étudient comment le cerveau traite les informations externes pour former les sens de base de la vue, de l’odorat, de l’ouïe, du goût et du toucher que nous utilisons pour naviguer dans le monde. Au fil du temps, ils ont compilé leurs découvertes pour montrer comment les différentes zones sensorielles du cerveau sont organisées pour représenter différents stimuli.

Au milieu des années 1900, par exemple, la recherche sur le toucher a conduit les scientifiques à développer l’homoncule cortical pour le système somatosensoriel – une illustration qui représente des parties du corps caricaturales drapées sur la surface du cerveau, chaque partie étant positionnée pour s’aligner avec l’endroit où elle est traité et dessiné à l’échelle en fonction de la sensibilité. En 1981, les professeurs de Harvard David Hubel et Torsten Wiesel ont remporté un prix Nobel pour leurs recherches sur la vision, dans lesquelles ils ont méthodiquement cartographié le cortex visuel du cerveau en enregistrant l’activité électrique de neurones individuels répondant à des stimuli visuels. En 2004, une autre paire de scientifiques a remporté un prix Nobel pour leurs études sur le système olfactif, dans lesquelles ils ont identifié des centaines de récepteurs olfactifs et révélé précisément comment les entrées d’odeurs sont organisées dans le nez et le cerveau.

Cependant, jusqu’à présent, le processus par lequel le cerveau détecte et organise les réactions des organes internes pour réguler les fonctions physiologiques de base telles que la faim, la satiété, la soif, les nausées, la douleur, la respiration, le rythme cardiaque et la pression artérielle est resté mystérieux.

“La façon dont le cerveau reçoit des entrées de l’intérieur du corps et comment il traite ces entrées a été largement sous-étudiée et mal comprise”, a déclaré Liberles.

C’est peut-être parce que la détection interne est plus compliquée que la détection externe, a ajouté Ran. Les sens externes, a-t-il expliqué, ont tendance à recevoir des informations dans un format unique. La vision, par exemple, repose entièrement sur la détection de la lumière.

En revanche, les organes internes transmettent des informations par le biais de forces mécaniques, d’hormones, de nutriments, de toxines, de température, etc., chacun pouvant agir sur plusieurs organes et se traduire par de multiples réponses physiologiques. L’étirement mécanique, par exemple, signale le besoin d’uriner lorsqu’il se produit dans la vessie, mais se traduit par une satiété lorsqu’il se produit dans l’estomac et déclenche un réflexe pour arrêter l’inhalation dans les poumons.

Une constellation de neurones

Dans leur nouvelle étude, Liberles, Ran et leurs collègues se sont concentrés sur une région du tronc cérébral appelée le noyau du tractus solitaire, ou NTS.

Le NTS est connu pour recevoir des informations sensorielles des organes internes via le nerf vague. Il relaie ces informations aux régions cérébrales d’ordre supérieur qui régulent les réponses physiologiques et génèrent des comportements. De cette façon, le NTS sert de passerelle sensorielle interne pour le cerveau.

Les chercheurs ont utilisé une technique puissante appelée imagerie calcique à deux photons qui mesure les niveaux de calcium dans les neurones individuels du cerveau comme indicateur de l’activité neuronale.

L’équipe a appliqué cette technique à des souris exposées à différents types de stimuli d’organes internes et a utilisé un microscope pour enregistrer simultanément les réponses de milliers de neurones dans le NTS au fil du temps. Les vidéos qui en résultent montrent des neurones s’allumant dans tout le NTS, un peu comme des étoiles qui s’allument et s’éteignent dans le ciel nocturne.

Les techniques d’imagerie traditionnelles, qui impliquent l’insertion d’une électrode pour enregistrer un petit groupe de neurones à un moment donné “semblent voir seulement quelques pixels d’une image à la fois”, a déclaré Ran. “Notre technique revient à voir tous les pixels à la fois pour révéler l’intégralité de l’image en haute résolution.”

L’équipe a découvert que les stimuli dans différents organes internes – par exemple, l’estomac par rapport au larynx – activaient généralement différents groupes de neurones dans le NTS. En revanche, les chercheurs ont identifié plusieurs cas dans lesquels des stimuli mécaniques et chimiques dans le même organe qui évoquent souvent la même réponse physiologique (comme la toux ou la satiété) ont activé des neurones qui se chevauchent dans le tronc cérébral. Ces résultats suggèrent que des groupes spécifiques de neurones peuvent être dédiés à la représentation d’organes particuliers.

De plus, les chercheurs ont découvert que les réponses dans le NTS étaient organisées comme une carte spatiale, qu’ils ont surnommée “l’homoncule viscéral” en clin d’œil à l’homoncule cortical analogue développé il y a des décennies.

Enfin, les scientifiques ont établi que la signalisation des organes internes au tronc cérébral nécessite l’inhibition des neurones. Lorsqu’ils ont utilisé des médicaments pour bloquer l’inhibition, les neurones du tronc cérébral ont commencé à répondre à plusieurs organes, perdant leur sélectivité antérieure.

Le travail jette les bases pour “l’étude systématique du codage des sens internes dans tout le cerveau”, a déclaré Ran.

Une fondation pour l’avenir

Les résultats soulèvent de nombreuses nouvelles questions, dont certaines que l’équipe HMS aimerait aborder.

Ran s’intéresse à la façon dont le tronc cérébral transmet les informations sensorielles internes aux régions cérébrales d’ordre supérieur qui produisent les sensations résultantes, telles que la faim, la douleur ou la soif.

Liberles veut explorer le fonctionnement du système de détection interne au niveau moléculaire. En particulier, il aimerait identifier les récepteurs sensoriels primaires qui détectent les stimuli mécaniques et chimiques dans les organes.

Un autre domaine de recherche future est la façon dont le système est mis en place au cours du développement embryonnaire. Les nouvelles découvertes, a déclaré Liberles, suggèrent que regarder le type de neurone seul ne suffit pas ; les chercheurs doivent également tenir compte de la localisation des neurones dans le cerveau.

“Nous devons étudier l’interaction entre les types de neurones et leurs positions pour comprendre comment les circuits sont câblés et ce que font les différents types de cellules dans le contexte de différents circuits”, a-t-il déclaré.

Liberles s’intéresse également à la généralisation des résultats à d’autres animaux, y compris les humains. Bien que de nombreuses voies sensorielles soient conservées d’une espèce à l’autre, a-t-il noté, il existe également d’importantes différences évolutives. Par exemple, certains animaux ne présentent pas de comportements de base tels que la toux ou les vomissements.

S’ils sont confirmés chez l’homme, les résultats de la recherche pourraient éventuellement éclairer le développement de meilleurs traitements pour les maladies qui surviennent lorsque le système sensoriel interne fonctionne mal.

“Souvent, ces maladies surviennent parce que le cerveau reçoit une rétroaction anormale des organes internes”, a déclaré Ran. “Si nous avons une bonne idée de la façon dont ces signaux sont codés de manière différentielle dans le cerveau, nous pourrons peut-être un jour découvrir comment détourner ce système et restaurer un fonctionnement normal.”

Les autres auteurs incluent Jack Boettcher, Judith Kaye et Catherine Gallori du HMS.

Le travail a été soutenu par les National Institutes of Health (subventions DP1AT009497; R01DK122976; R01DK103703), la Food Allergy Science Initiative, une bourse postdoctorale Leonard et Isabelle Goldenson, la Harvard Brain Science Initiative et l’American Diabetes Association.