Nouvel Atlas utilisé pour identifier les parties du cerveau pour les plans et les actions

Si vous tombiez sur une radio ou un ordinateur sans savoir comment cela fonctionnait, vous voudriez probablement d'abord savoir de quoi elle était faite – quels étaient ses composants. Votre prochaine étape pourrait être de déterminer ce que chaque composant a réellement fait, en prenant soin de noter les parties qui ont été connectées aux autres.

C’est l’approche adoptée pour comprendre le cerveau dans deux études connexes publiées le 31 octobre 2006 dans La nature. Les premières utilisaient des différences dans l'activité des gènes pour identifier différents types de cellules dans le cerveau de souris, en trouvant des types plus distincts que ceux connus jusqu'à présent. La seconde a examiné de près quelques-uns des types de cellules identifiées pour tenter de déterminer ce qu’elles font, montrant qu’elles remplissent deux rôles très différents dans le contrôle des mouvements.

La première étude, dirigée par le généticien moléculaire Bosiljka Tasic de l'Institut Allen pour la science du cerveau, visait à répertorier les différents types de cellules cérébrales dans deux parties du cortex de la souris (la couche externe du cerveau, responsable des fonctions cognitives supérieures). Les chercheurs ont choisi deux régions distantes: le cortex visuel primaire, le premier arrêt pour le traitement de l'entrée visuelle de l'œil, et une partie du cortex moteur (cortex moteur latéral antérieur ou ALM), impliqué dans le mouvement. Ils ont analysé 23 822 cellules en utilisant une technique leur permettant de déterminer lequel de plus de 45 000 gènes possibles étaient réellement actifs dans des cellules individuelles. Ils ont ensuite regroupé des cellules ayant une activité génétique similaire pour identifier 133 types de cellules différents. «C’est la description la plus complète que nous ayons à ce jour de la composition corticale», déclare Tasic.

Les types de cellules appartiennent à deux grandes classes: l'une, appelée neurone inhibiteur, communique à l'aide du messager chimique GABA et inhibe l'activité d'autres cellules proches. L'autre classe, les neurones excitateurs, utilise le glutamate chimique et sert de cellules principales du cerveau pour générer l'activité neuronale. L’une des principales conclusions de l’étude est que différents types de neurones inhibiteurs (l’équipe a identifié 61 sous-types inhibiteurs) sont presque tous partagés entre les deux régions étudiées. En revanche, 51 des 56 sous-types d'excitateurs identifiés étaient uniques à la région dans laquelle ils se trouvaient. (Seize types de cellules qui n'étaient pas des neurones ont également été trouvés) «Il s'agit d'une étude historique qui révèle des résultats jusqu'alors inconnus. [diversity] Tomasz Nowakowski, neurobiologiste de l’Université de Californie à San Francisco, co-auteur d’un commentaire qui l’a accompagné, mais n’a pas participé à l’étude. «Celles-ci ont longtemps été présumées largement similaires entre les zones corticales. Tasic et ses collègues démontrent que c'est loin d'être la vérité.

L’équipe a ensuite utilisé un marqueur fluorescent pour tracer les connexions allant de plus de 2 000 cellules aux régions du cerveau distantes. «Les neurones inhibiteurs ont des connexions locales qui modulent ce qui se passe dans la zone dans laquelle ils travaillent», dit Tasic, «tandis que la plupart des neurones excitateurs se projettent dans des endroits éloignés, qui pourraient être d'autres zones corticales ou des zones non corticales. Les connexions à longue portée avaient également des profils d'activité génétique différents, ce qui confirme que les catégories identifiées sont des types de cellules distincts, susceptibles de jouer différents rôles dans les fonctions cérébrales.

La deuxième étude, dirigée par le neuroscientifique Michael Economo du Janelia Research Institute du Howard Hughes Medical Institute, en Virginie, portait sur quelques sous-types identifiés dans la première étude, dans le but de comprendre leurs fonctions. Tasic et ses collègues ont trouvé trois sous-types dans une couche spécifique de l'ALM, qui contient des neurones excitateurs du «tractus pyramidal». «Cela nous intéressait vraiment», déclare Economo. «Parce qu’ils sont les principaux neurones de sortie du cortex moteur, le reliant à d’importants centres moteurs responsables d’initier et d’exercer un mouvement.» Ainsi, la compréhension des informations transmises par ces cellules et des circuits dont elles font partie pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre ce qui ne va pas.)

Economo et ses collègues ont découvert que deux des sous-types se connectent au thalamus, une région «centrale» centrale qui renvoie au cortex, formant une boucle. L'autre sous-type se connecte à la médulla, une région du tronc cérébral contenant des neurones qui activent les muscles et coordonnent les mouvements. Cet arrangement correspond bien aux travaux antérieurs suggérant une distinction entre les neurones impliqués dans la communication du mouvement préparatoire – les «plans» – et ceux qui initient et contrôlent le mouvement. «Beaucoup de mouvements rapides, volontaires et flexibles impliquent une période de préparation avant d’être exécutés», dit Economo. "Cela permet aux animaux d'effectuer des mouvements plus rapides et avec plus de précision une fois qu'ils sont initiés."

Après avoir établi ce circuit, Economo et ses collègues ont mené des expériences sur des souris pour cerner ce que les neurones font réellement. Ils ont entraîné les souris à réagir à la pénétration de leurs moustaches à deux endroits différents en buvant dans un bec verseur à leur gauche ou à leur droite. Pendant que les souris effectuaient cette tâche, les chercheurs ont enregistré l'activité des cellules dans l'ALM en utilisant une longue électrode flexible. Les chercheurs avaient étiqueté les neurones qui les intéressaient au moyen de l'optogénétique (technique qui rend les cellules photosensibles et leur permet ainsi d'être facilement identifiées en les éclairant). Ils pourraient ensuite observer l’activité des cellules au cours d’une tâche motrice pour étudier leurs rôles dans le mouvement. Les résultats ont montré que certaines cellules connectées à la moelle étaient très actives au début d'un mouvement, alors que d'autres se sont activées au milieu ou à la fin de l'activité.

Les cellules connectées à l'hypothalamus, en revanche, présentaient un schéma d'activité complexe et soutenu dès que les moustaches de la souris étaient piquées, mais avant qu'elles ne bougent. «Il existe un code stable indiquant exactement le stimulus et le type de mouvement que les souris vont effectuer», déclare Economo. «C’est ce à quoi nous nous attendons d’un plan moteur: une représentation du mouvement à venir qui persiste dans le temps.»

Ces résultats montrent que trois des types de cellules identifiées dans la première étude jouent deux rôles très différents: l’un impliqué dans la préparation des mouvements, l’autre dans leur initiation et leur contrôle. "La réponse est si claire et belle", dit Tasic. «C’est une vitrine parfaite sur la manière dont vous pouvez utiliser ce type de données.» Cela ne concerne que trois des 133 types de cellules identifiées à ce jour, mais l’atlas des identités génétiques fourni par la première étude, qui est ouvertement disponible pour les autres chercheurs, sera utile. permettre aux chercheurs de cibler d’autres types d’organisations pour mener des expériences similaires. «Ces études définissent une vision pour l'avenir des neurosciences: caractériser de manière exhaustive tous les principaux types de cellules dans le cerveau et définir systématiquement leur fonction», déclare M. Nowakowski. "Cela montre également que nous ne sommes qu'au début de ce voyage."