Les neurones « silencieux » du cortex sensoriel peuvent être recrutés pour améliorer le traitement sensoriel

Le cortex somatosensoriel est une région du cerveau des mammifères qui joue un rôle crucial dans le traitement des informations sensorielles, notamment les sensations tactiles, la température et la douleur. Bien que cette région du cerveau ait fait l’objet de nombreuses études en neurosciences, ses contributions uniques à la prise de décision liée à la perception restent mal comprises.

Des chercheurs de l’University College London (UCL) ont récemment mené une expérience explorant les liens entre l’activité du cortex sensoriel de la souris et la prise de décision perceptive. Leurs résultats, publiés dans Neuronesuggèrent l’existence de neurones qui restent généralement silencieux pendant le traitement sensoriel et qui peuvent pourtant être recrutés pour améliorer la perception chez la souris.

« L’étude a été inspirée par deux avancées majeures dans le domaine », a déclaré à Medical Xpress Oliver M. Gauld, co-auteur de l’article. « La première est le développement d’outils optiques pour enregistrer et stimuler de manière optogénétique simultanément la même population de neurones corticaux (appelée interrogation « tout optique » à résolution cellulaire). La seconde est le développement d’approches pour étudier la prise de décision sensorimotrice chez les souris à tête fixe. »

Dans le cadre de leur étude récente, Gauld et ses collègues ont combiné des outils optiques récemment développés avec des tâches sensorimotrices pour étudier la prise de décision chez des souris à tête fixe. Leur objectif était d’utiliser ces différentes approches pour identifier les neurones et les schémas d’activité corticale liés à la génération de perceptions sensorielles chez la souris.

Pour mener à bien leur étude, les chercheurs ont conçu une tâche de prise de décision perceptive simple mais puissante. Au cours de cette tâche, les souris doivent déterminer si un stimulus sensoriel délivré à leurs moustaches est plus fort du côté gauche ou droit de leur museau.

« Les souris ont fait part de leur décision en léchant à gauche ou à droite deux jets d’eau et ont été récompensées par de l’eau sucrée pour leurs réponses correctes », a déclaré Gauld. « Nous avons ensuite utilisé une technique optique appelée imagerie calcique à deux photons pour enregistrer les signaux d’activité neuronale de la zone sensible aux moustaches du cortex somatosensoriel (également appelé cortex en « tonneau »).

« Cela nous a permis de caractériser la manière dont l’exécution d’une tâche modifiait l’activité cérébrale, ce qui nous a permis d’identifier les neurones qui répondaient à la présentation du stimulus sensoriel. »

En analysant les enregistrements d’imagerie calcique à deux photons qu’ils ont recueillis, Gauld et ses collègues ont découvert que l’activité d’une petite partie (soit environ 15 %) des neurones du cortex des animaux augmentait après la stimulation des moustaches des souris. Cette découverte concorde avec les observations de recherches antérieures, qui ont démontré le codage cortical « clairsemé » des entrées sensorielles chez les souris.

« L’élément clé de notre étude était que nous avons ensuite utilisé un système sophistiqué de manipulation optogénétique à deux photons pour stimuler différents groupes de neurones (forçant essentiellement ces neurones à devenir actifs) et évalué si cela modifiait les choix perceptifs de l’animal », a expliqué Gauld.

« Plus précisément, nous avons utilisé un modulateur spatial de lumière (SLM) pour délivrer des motifs lumineux holographiques dans les tissus. Cela signifie que l’expérimentateur a un très bon contrôle sur les neurones qui sont stimulés de manière optogénétique, ce qui est essentiel pour étudier comment des modèles d’activité sensorielle clairsemés influencent causalement le comportement. »

En utilisant une combinaison d’imagerie calcique à deux photons et d’optogénétique ciblée par SLM, les chercheurs ont pu caractériser et manipuler des modèles très clairsemés d’activité neuronale dans le cerveau des souris pendant que les animaux accomplissaient la tâche de prise de décision.

Il est intéressant de noter que les chercheurs ont constaté que la stimulation optogénétique des neurones « silencieux » du cortex influençait fortement le comportement des souris examinées dans le cadre de leur étude.

« Les neurones silencieux sont des neurones qui ne manifestent aucune activité liée à une tâche, c’est-à-dire qu’ils restent inactifs malgré la présentation de stimuli sensoriels et l’exécution de décisions comportementales et d’actions motrices », a déclaré Gauld. « Des preuves expérimentales suggèrent que les neurones silencieux constituent la plupart des neurones du cortex sensoriel superficiel, car très peu de neurones déclenchent des potentiels d’action lors d’une stimulation sensorielle.

« Il s’agit d’une caractéristique essentielle de l’hypothèse du codage clairsemé. Bien que le rôle fonctionnel de ces neurones silencieux soit resté incertain pendant de nombreuses années, notre étude suggère que ces neurones peuvent jouer un rôle important dans le traitement sensoriel, mais seulement s’ils sont d’abord rendus muets. »

Dans l’ensemble, les résultats recueillis par cette équipe de chercheurs suggèrent que les neurones « silencieux » du cortex sensoriel sont maintenus silencieux par une très forte inhibition du réseau pendant que les souris effectuent une tâche de prise de décision. Cependant, l’activation de certains de ces neurones, comme ceux réalisés à l’aide d’outils de manipulation optogénétique ciblant la SLM, peut améliorer considérablement la perception sensorielle des animaux.

« Nos résultats ont des implications importantes pour comprendre comment les circuits corticaux mettent en œuvre le codage cortical clairsemé et la plasticité sensorimotrice, ce qui pourrait être important pour l’apprentissage », a ajouté Gauld.

« Une piste intéressante pour de futures recherches serait d’étudier le rôle causal des neurones silencieux dans d’autres zones corticales ou dans d’autres processus comportementaux et cognitifs. Cela fournirait une description plus complète du rôle des neurones silencieux dans le cerveau. »

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