Une nouvelle plateforme optique et IRMf identifie les régions du cerveau qui contrôlent le réseau cérébral à grande échelle

De nombreux troubles cérébraux, dont la maladie d’Alzheimer, le trouble déficitaire de l’attention/hyperactivité et les troubles de l’humeur, ont été liés à des problèmes avec le DMN. Cependant, la base neurophysiologique du DMN n’est pas bien comprise.

Les techniques de neuroimagerie, comme l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), ne sont pas capables de mesurer directement l’activité neuronale. Pour combler ce manque de connaissances, une équipe de recherche dirigée par Ian Shih, PhD, professeur et vice-président du Département de neurologie et directeur associé du Centre d’imagerie de recherche biomédicale, a créé une nouvelle plateforme expérimentale capable d’enregistrer optiquement l’activité neuronale locale. au cours de l’IRMf à l’échelle du cerveau chez les rongeurs.

“Nous espérons que ce travail ouvrira la voie à de futures études translationnelles visant à contrôler les réseaux cérébraux à grande échelle”, a déclaré Shih. “Cela pourrait aider à concevoir des schémas thérapeutiques basés sur le réseau pour de nombreux troubles neurologiques et neuropsychiatriques.”

L’étude, publiée dans la revue Avancées scientifiquesont examiné l’activité dynamique des régions cérébrales liées au DMN et les ont analysées avec une variété d’approches informatiques.

Le DMN est l’un des réseaux cérébraux à grande échelle de notre cerveau. Lorsque nous découvrons le cerveau pour la première fois, nous apprenons que chaque partie du cerveau a une fonction distincte. Mais la réalité est que de nombreuses zones cérébrales s’activent et se désactivent ensemble pendant le comportement et la cognition, et forment des réseaux cérébraux à grande échelle, un peu comme une équipe.

Les neuroscientifiques s’intéressent de plus en plus à ces réseaux à grande échelle car ils apprennent que certaines tâches cognitives dépendent de régions cérébrales “fonctionnellement connectées”. Lorsqu’une personne est éveillée et au repos, comme lorsqu’elle rêvasse, récupère des souvenirs ou envisage l’avenir, le DMN est actif.

Cependant, il est difficile d’obtenir les données neuronales nécessaires pour comprendre l’activité dynamique du DMN chez les sujets humains. Shih et son équipe se sont donc tournés vers un modèle animal pour étudier le réseau, dans lequel des régions cérébrales putatives liées au DMN ont été identifiées.

“Nous avons utilisé un modèle de rongeur, où des capteurs de calcium codés génétiquement étaient exprimés dans des neurones”, a déclaré le premier auteur Tzu-Hao Harry Chao, PhD, qui a construit et validé cette plate-forme expérimentale dans le laboratoire Shih. “Cela nous a permis d’enregistrer l’activité neuronale dans plusieurs régions cérébrales liées au DMN en détectant les changements de fluorescence via des fibres optiques sans interférer avec la mesure des signaux IRMf.”

La photométrie à fibre utilise la fibre optique pour fournir certaines longueurs d’onde de lumière afin d’exciter les protéines fluorescentes sensibles à cette longueur d’onde et d’enregistrer l’émission de lumière dépendante de l’activité. Grâce à ce processus, les scientifiques peuvent mesurer directement l’activité d’une population spécifique de cellules ou de substances neurochimiques à un endroit précis du cerveau.

À l’aide de cette nouvelle plate-forme expérimentale, Chao et ses collègues ont démontré que l’activation d’une zone du cerveau – le cortex insulaire antérieur – est associée à la suppression ou à la “désactivation” du réseau en mode par défaut.

Dans le cerveau humain, le cortex insulaire se trouve dans le cortex et est “isolé” par les lobes frontal, pariétal et temporal. L’insula est responsable de plusieurs fonctions importantes dans le cerveau, notamment le traitement de nos cinq sens, le contrôle de la coordination œil-main et la conscience de soi. L’insula joue également un rôle essentiel dans les comportements sociaux et liés à la dépendance.

“Il s’agit d’une preuve neuronale importante mettant en évidence le rôle du cortex insulaire antérieur dans le contrôle de l’activité du DMN”, a expliqué Shih.

En collaboration avec Vinod Menon, PhD, un autre auteur principal et professeur du Département de psychiatrie et des sciences du comportement de l’Université de Stanford, l’équipe de recherche a en outre utilisé des approches informatiques avancées pour identifier les états cérébraux et le flux d’informations dans ces conditions.

L’équipe a également découvert que la zone prélimbique du cortex du rongeur alterne sa synchronisation avec le DMN et le cortex insulaire antérieur, ce qui suggère que le cortex prélimbique du cerveau du rongeur pourrait également jouer un rôle dans le réseau de saillance — un autre réseau cérébral à grande échelle. important pour l’attention, le traitement sensoriel et le comportement axé sur les objectifs.

Les auteurs ont construit le système de photométrie à fibre spectrale multicanal à l’aide de l’allocation d’équipement d’infrastructure de recherche attribuée au Département de neurologie en 2018-2019. Parmi les autres auteurs de l’ouvrage figurent Li-Ming Hsu (co-premier auteur), Domenic Hayden Cerri, Wei-Ting Zhang et Tzu-Wen Wang de l’UNC-Chapel Hill ; Byeongwook Lee (co-premier auteur) et Srikanth Ryali de l’Université de Stanford.

Cette recherche a été financée principalement par l’Institut national de la santé mentale (R01MH126518). Shih est également membre du UNC Bowles Center for Alcohol Studies, du UNC Intellectual and Developmental Disabilities Research Center, de l’UNC McAllister Heart Institute et du UNC-NCSU Joint Department of Biomedical Engineering.

Les techniques utilisées dans ce travail sont disponibles pour d’autres chercheurs.