Notre survie dépend de notre capacité à observer le monde qui nous entoure avec précision et fiabilité. Les troubles de la perception visuelle se produisent dans une gamme de maladies psychiatriques et neurodéveloppementales, y compris l’autisme, la schizophrénie et les accidents vasculaires cérébraux. Pour percevoir le monde, nous comptons sur le cortex cérébral pour assimiler les informations sensorielles qui sont relayées par le thalamus.
“Comment le thalamus communique avec le cortex dans une caractéristique fondamentale de la façon dont le cerveau interprète le monde”, a déclaré Elly Nedivi, professeur à l’Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire au MIT.
Cependant, il existe peu de liens entre le thalamus et le cortex cérébral, ce qui déroute les neuroscientifiques quant à la façon dont nous pouvons percevoir le monde.
Simon Schultz, PhD, professeur de neurotechnologie à l’Imperial College de Londres, a déclaré: “Nous savons depuis longtemps qu’il existe un nombre étonnamment petit d’entrées synaptiques qui entrent dans le cortex à partir de nos sens via le thalamus, par rapport au nombre qui proviennent de l’intérieur du cortex lui-même. Mais il y avait toujours la possibilité que ces contributions soient très fortes, de sorte qu’elles pourraient néanmoins avoir un grand effet.
Pour résoudre ce problème, Nedivi et ses collaborateurs au sein et au-delà du MIT ont utilisé plusieurs méthodes innovantes et ont rapporté leurs découvertes dans la revue Neurosciences naturelles la semaine dernière “Cartographie de l’innervation thalamique sur des neurones pyramidaux L2/3 individuels et modélisation de leur « lecture » de l’entrée visuelle.” Ils ont découvert que les entrées thalamiques dans les couches superficielles du cortex sont non seulement rares, mais aussi faibles et diverses dans leur distribution. Pourtant, ils aident à former une représentation fiable et efficace de l’information dans l’ensemble.
Les auteurs ont méticuleusement cartographié chaque synapse thalamique sur 15 neurones de la couche 2/3 du cortex visuel chez la souris et modélisé comment l’entrée affectait la capacité de chaque neurone à traiter l’information visuelle. Il s’agit de la première étude à cartographier avec précision toutes les innervations thalamiques sur des neurones corticaux entiers chez des souris vivantes.
Les chercheurs ont découvert que de grandes variations dans le nombre et la disposition des synapses thalamiques les rendaient différemment sensibles aux caractéristiques des stimuli visuels. Par conséquent, les neurones individuels ne pouvaient pas interpréter de manière fiable tous les aspects du stimulus, mais un petit groupe de neurones pouvait effectivement assembler l’image globale, en travaillant ensemble.
“Il semble que cette hétérogénéité ne soit pas un bogue, c’est une fonctionnalité qui offre non seulement un avantage en termes de coûts, mais confère également flexibilité et robustesse aux perturbations”, a déclaré Nedivi.
L’auteur principal de l’étude, Aygul Balcioglu, PhD, scientifique du laboratoire de Nedivi, a déclaré que la recherche a créé un moyen pour les neuroscientifiques de suivre toutes les entrées individuelles qu’une cellule reçoit à mesure que les entrées arrivent.
« Des milliers d’entrées d’informations se déversent dans une seule cellule cérébrale. La cellule cérébrale interprète ensuite toutes ces informations avant de communiquer sa propre réponse à la cellule cérébrale suivante », a déclaré Balcioglu. “Ce qui est nouveau et passionnant, c’est que nous pouvons désormais décrire de manière fiable l’identité et les caractéristiques de ces entrées, car différentes entrées et caractéristiques transmettent différentes informations à une cellule cérébrale donnée. Nos techniques nous donnent la capacité de décrire chez les animaux vivants où dans la structure de la cellule unique quel type d’information est incorporé. Ce n’était pas possible jusqu’à présent. »
Cartographie
L’équipe de Nedivi s’est concentrée sur la couche 2/3 du cortex en raison de sa flexibilité ou de sa plasticité relativement élevée, même dans le cerveau adulte. L’équipe a utilisé une technique de microscopie à deux photons multicolore établie dans le laboratoire de Nedivi, pour observer des neurones corticaux entiers à l’aide de trois étiquettes de couleur dans la même cellule simultanément, pour étiqueter les entrées thalamiques en contact avec les neurones corticaux marqués. Le chevauchement des étiquettes pour les entrées thalamiques et les synapses excitatrices sur les neurones corticaux a révélé des connexions putatives.
Pour confirmer la présence d’entrées thalamiques, l’équipe a utilisé une technique appelée MAP (Magnified Analysis of Proteome), inventée dans le laboratoire de Kwanghun Chung, PhD, professeur agrégé de génie chimique au MIT. MAP agrandit physiquement les tissus, augmentant la résolution des microscopes standard. Rebecca Gillani, PhD, une boursière postdoctorale au laboratoire Nedivi, avec l’aide de Taeyun Ku, PhD, une boursière postdoctorale au Chung’s Lab, a combiné la nouvelle technique de marquage et MAP pour résoudre, compter, cartographier et mesurer toutes les synapses thalamo-corticales sur neurones corticaux entiers.
L’analyse a montré que les entrées thalamiques étaient plutôt faibles et représentaient 2 à 10% des synapses excitatrices sur les neurones individuels du cortex visuel. Le nombre de synapses thalamiques varie non seulement au niveau cellulaire, mais aussi à travers les différentes branches dendritiques des neurones individuels.
Crowdsourcing
L’énigme de la découverte réside dans la façon dont ces entrées thalamiques faibles, clairsemées et très variables forment la base d’un transfert fiable d’informations visuelles.
Pour résoudre ce problème, Nedivi a collaboré avec Idan Segev, PhD, professeur de neurosciences computationnelles à l’Université hébraïque de Jérusalem. Segev et son étudiant, Michael Doron, ont créé un modèle biophysique des neurones corticaux basé sur les découvertes du laboratoire de Nedivi et de l’Allen Brain Atlas.
Cela a montré que lorsque les neurones corticaux recevaient des informations visuelles, leurs réponses électriques variaient en fonction de la variation de leurs entrées thalamiques. Certaines cellules ont répondu à un degré plus élevé au contraste ou à la forme, mais aucune cellule n’a révélé grand-chose sur l’image globale. Cependant, à partir de l’activité combinée d’un groupe d’environ 20 cellules, l’entrée visuelle entière pourrait être décodée.
“L’hétérogénéité entraîne une réduction des coûts en termes de nombre de synapses nécessaires pour une lecture précise des caractéristiques visuelles”, ont noté les auteurs.
Schultz a déclaré: «C’est un résultat extrêmement intrigant. Cet article montre (en utilisant de nouveaux outils vraiment intéressants pour étudier l’anatomie des circuits cérébraux) que les synapses thalamocorticales de la couche 2/3 du cortex sont petites, rares et même pas particulièrement fiables ! Ils sont encore juste assez pour faire passer les informations sensorielles. (Schultz n’a pas été impliqué dans l’étude actuelle).
Conséquences
Compte tenu de la petite taille des synapses thalamiques, elles sont susceptibles de présenter une plasticité importante, a déclaré Nedivi. Elle a également déclaré qu’il est possible que les avantages de diverses entrées neuronales soient une caractéristique générale.
“Ce travail est à mon avis vraiment conforme à une image qui s’est construite ces dernières années de notre” monde perçu “comme étant très largement généré en interne dans notre cortex – et seulement peu mis à jour, en cas de besoin, par des informations provenant de l’extérieur. C’est un beau document, sur une question importante », a déclaré Schultz.
Le soutien financier de l’étude a été fourni par le National Eye Institute des National Institutes of Health, l’Office of Naval Research et la JPB Foundation.
