La nouvelle technologie Neuropixels fournit des preuves de connexions neuronales en mosaïque

Deux structures cérébrales sont cruciales pour le traitement des stimuli visuels : le cortex visuel dans le cortex cérébral primaire et le colliculus supérieur, une structure dans le mésencéphale. La vision et le traitement de l’information visuelle impliquent des processus très complexes. En termes simplifiés, le cortex visuel est responsable de la perception visuelle générale, tandis que les structures du mésencéphale évolutif plus ancien sont responsables des comportements réflexifs guidés visuellement. Les mécanismes et principes impliqués dans le traitement visuel au sein du cortex visuel sont bien connus. Les travaux menés par une équipe de chercheurs dirigée par le Dr Jens Kremkow ont contribué à nos connaissances dans ce domaine et, en 2017, ont abouti à la création d’un groupe de recherche Emmy Noether Junior au Centre de recherche en neurosciences de la Charité (NWFZ). L’objectif principal du groupe de recherche, qui est financé par la Fondation allemande pour la recherche (DFG), est d’améliorer encore notre compréhension des cellules nerveuses impliquées dans le système visuel. De nombreuses questions restent sans réponse, y compris des détails sur la manière dont l’information visuelle est traitée dans les colliculi supérieurs du mésencéphale.

Les cellules ganglionnaires rétiniennes, cellules sensorielles situées à l’intérieur de la rétine de l’œil, répondent aux stimuli visuels externes et envoient les informations reçues au cerveau. Les voies de signalisation directe garantissent que les informations visuelles reçues par les cellules nerveuses rétiniennes atteignent également le mésencéphale. “Ce qui était resté largement inconnu jusqu’à présent, c’est la manière dont les cellules nerveuses de la rétine et les cellules nerveuses du mésencéphale sont liées sur le plan fonctionnel. Le manque de connaissances sur la manière dont les neurones des colliculi supérieurs traitent les entrées synaptiques était similaire. prononcé », déclare le Dr Kremkow, responsable de l’étude. “Cette information est cruciale pour comprendre les mécanismes impliqués dans le traitement du mésencéphale.” Jusqu’à présent, il était impossible de mesurer l’activité des neurones rétiniens et mésencéphaliques connectés par voie synaptique chez les organismes vivants. Pour leurs recherches les plus récentes, l’équipe de recherche a développé une méthode basée sur des mesures obtenues avec des électrodes innovantes à haute densité appelées sondes Neuropixels. Plus précisément, les sondes Neuropixels sont de minuscules réseaux d’électrodes linéaires comportant environ un millier de sites d’enregistrement le long d’une tige étroite. Comprenant 384 électrodes pour l’enregistrement simultané de l’activité électrique des neurones dans le cerveau, ces appareils ont changé la donne dans le domaine des neurosciences.

Des chercheurs travaillant à la Charité et à l’Institut Max Planck d’intelligence biologique ont maintenant utilisé cette nouvelle technologie pour déterminer les structures pertinentes du mésencéphale chez la souris (colliculi supérieur) et les oiseaux (tectum optique). Les deux structures cérébrales ont une origine évolutive commune et jouent un rôle important dans le traitement visuel des signaux d’entrée rétiniens dans les deux groupes d’animaux. Leurs travaux ont conduit les chercheurs à une découverte surprenante : “Habituellement, ce type d’enregistrement électrophysiologique mesure les signaux électriques à partir des potentiels d’action qui proviennent du soma, le corps cellulaire du neurone”, explique le Dr Kremkow. “Dans nos enregistrements, cependant, nous avons remarqué des signaux dont l’apparence différait de celle des potentiels d’action normaux. Nous avons ensuite recherché la cause de ce phénomène et découvert que les signaux d’entrée dans le mésencéphale étaient causés par des potentiels d’action propagés dans les ‘arbres axonaux’. ‘ (branches) des cellules ganglionnaires de la rétine. Nos découvertes suggèrent que la nouvelle technologie des réseaux d’électrons peut être utilisée pour enregistrer les signaux électriques émanant des axones, les projections des cellules nerveuses qui transmettent les signaux neuronaux. C’est une toute nouvelle découverte.” Dans une première mondiale, l’équipe du Dr Kremkow a pu capturer simultanément l’activité des cellules nerveuses dans la rétine et leurs neurones cibles synaptiques connectés dans le mésencéphale.

Jusqu’à présent, le câblage fonctionnel entre l’œil et le mésencéphale était resté une quantité inconnue. Les chercheurs ont pu montrer au niveau de la cellule unique que l’organisation spatiale des entrées des cellules ganglionnaires rétiniennes dans le mésencéphale constitue une représentation très précise de l’entrée rétinienne d’origine. “Les structures du mésencéphale fournissent efficacement une copie presque univoque de la structure rétinienne”, explique le Dr Kremkow. Il poursuit : « Une autre nouvelle découverte pour nous est que les neurones du mésencéphale reçoivent une entrée synaptique très forte et spécifique des cellules ganglionnaires rétiniennes, mais seulement d’un petit nombre de ces neurones sensoriels. Ces voies neuronales permettent une connexion très structurée et fonctionnelle. entre la rétine de l’œil et les régions correspondantes du mésencéphale.” Entre autres choses, cette nouvelle idée améliorera notre compréhension du phénomène connu sous le nom de vision aveugle, qui peut être observé chez les personnes qui ont subi des dommages au cortex visuel en raison d’un traumatisme ou d’une tumeur. Incapables de perception consciente, ces individus conservent une capacité résiduelle à traiter l’information visuelle, ce qui se traduit par une perception intuitive des stimuli, des contours, du mouvement et même des couleurs qui semble être liée au mésencéphale.

Pour tester si les principes initialement observés dans le modèle de souris pouvaient également s’appliquer à d’autres vertébrés – et donc s’ils pouvaient être de nature plus générale – le Dr Kremkow et son équipe ont travaillé aux côtés d’une équipe de l’Institut Max Planck pour l’intelligence biologique, où un groupe de recherche Lise Meitner dirigé par le Dr Daniele Vallentin se concentre sur les circuits neuronaux responsables de la coordination des mouvements précis chez les oiseaux. “En utilisant les mêmes types de mesures, nous avons pu montrer que, chez les diamants mandarins, l’organisation spatiale des voies nerveuses reliant la rétine et le mésencéphale suit un principe similaire”, explique le Dr Vallentin. Elle ajoute : “Cette découverte était surprenante, étant donné que les oiseaux ont une acuité visuelle nettement plus élevée et que la distance évolutive entre les oiseaux et les mammifères est considérable.” Les observations des chercheurs suggèrent que les cellules ganglionnaires rétiniennes du tectum optique et des colliculi supérieurs présentent une organisation spatiale et un câblage fonctionnel similaires. Leurs découvertes ont amené les chercheurs à conclure que les principes découverts doivent être cruciaux pour le traitement visuel dans le mésencéphale des mammifères. Ces principes peuvent même être de nature générale, s’appliquant à tous les cerveaux de vertébrés, y compris ceux des humains.

En ce qui concerne les projets futurs des chercheurs, le Dr Kremkow déclare : “Maintenant que nous comprenons les connexions fonctionnelles en mosaïque entre les cellules ganglionnaires rétiniennes et les neurones dans les colliculi supérieurs, nous allons explorer plus avant la manière dont les signaux sensoriels sont traités dans la vision. système, en particulier dans les régions du mésencéphale, et comment ils contribuent au comportement réflexif guidé visuellement. L’équipe souhaite également déterminer si la nouvelle méthode pourrait être utilisée dans d’autres structures et si elle pourrait être utilisée pour mesurer l’activité axonale ailleurs dans le cerveau. Si cela s’avérait possible, cela ouvrirait une mine de nouvelles opportunités pour explorer les mécanismes sous-jacents du cerveau.