Explorer les origines du réglage neuronal excitateur et inhibiteur dans le postubiculum

Les cellules cérébrales peuvent être divisées en deux catégories : les neurones inhibiteurs et excitateurs. Les neurones excitateurs sont des cellules qui soutiennent la génération d'impulsions électriques dans les neurones postsynaptiques, provoquant ainsi l'activation de cellules dans des régions spécifiques du cerveau. Les neurones inhibiteurs, quant à eux, contribuent à inhiber ces impulsions électriques et à réduire ainsi l’activité de régions spécifiques du cerveau.

L’équilibre entre inhibition et excitation contribue au bon fonctionnement du cerveau. Alors que les processus neurobiologiques qui sous-tendent le réglage fin des neurones excitateurs sont désormais bien compris, ceux qui sous-tendent le réglage fin des neurones inhibiteurs restent insaisissables.

Des chercheurs de l'Université McGill et de l'Université d'Édimbourg ont mené une étude visant à mieux comprendre les principes régissant le réglage fin des neurones excitateurs et inhibiteurs dans le postubiculum de la souris, une région du lobe temporal médial du cerveau connue pour soutenir la navigation spatiale et la mémoire.

Leurs conclusions, publiées dans Neurosciences naturellesvalident l'hypothèse selon laquelle le réglage équivalent des neurones excitateurs et inhibiteurs est une propriété intrinsèque des réseaux corticaux locaux.

“Notre laboratoire s'intéresse à la façon dont les informations sur le monde extérieur se reflètent dans l'activité des cellules cérébrales individuelles”, a déclaré Adrian J. Duszkiewicz, auteur principal de l'article, à Medical Xpress.

“Le cerveau des mammifères est constitué de millions de cellules cérébrales, appelées neurones, formant des milliards de connexions, et déchiffrer son code en connaissant l'activité d'une fraction seulement de ces cellules cérébrales est une tâche difficile. Pourtant, dans certaines parties de l'activité cérébrale de Les neurones individuels sont relativement simples à interpréter, et si nous étudions ces circuits en détail, nous pourrions découvrir des principes plus généraux sur la façon dont l'activité des cellules cérébrales individuelles est liée au monde extérieur.

Les cellules qui s'engagent dans des schémas d'activité assez simples comprennent les neurones du cortex visuel primaire, qui deviennent actifs en réponse à des stimuli visuels. D'autres exemples de ces cellules sont les cellules placées dans l'hippocampe et les cellules en grille dans le cortex entorhinal médial, qui présentent toutes deux des modèles d'activité étroitement liés à l'emplacement d'un animal dans son environnement.

L’existence des cellules de grille a été dévoilée pour la première fois il y a près de deux décennies et l’équipe qui les a découvertes a reçu le prix Nobel 2014 de physiologie/médecine.

“Les cellules de lieu et les cellules de grille appartiennent à la classe des cellules” excitatrices “, c'est-à-dire des cellules cérébrales qui activent d'autres cellules cérébrales auxquelles elles se connectent”, a expliqué Duszkiewicz. “Ces cellules constituent la majorité des neurones du cortex cérébral (~ 85 %), tandis que les neurones restants appartiennent en grande partie à une autre classe de cellules, appelées cellules “inhibitrices”, qui diminuent l'activité des cellules auxquelles elles se connectent.”

Des études antérieures ont montré que l'activité des cellules excitatrices, y compris les neurones du cortex visuel primaire et des cellules de lieu, est étroitement liée aux caractéristiques environnementales. Les cellules inhibitrices, en revanche, ont tendance à être actives en permanence et leur activité ne peut être que légèrement modulée par des événements externes/environnementaux.

L'objectif principal des travaux récents de Duszkiewicz et de ses collaborateurs était de mieux comprendre l'origine de l'activité cellulaire inhibitrice. Plus précisément, l’équipe a cherché à déterminer si l’activité de ces cellules est réellement aléatoire ou si elle suit un schéma particulier.

“Pour ce faire, nous nous sommes tournés vers une autre partie du cortex cérébral, une zone cérébrale appelée postubiculum, dédiée au sens de l'orientation dans l'espace”, a déclaré Duszkiewicz. “Les cellules excitatrices du postubiculum sont appelées” cellules de direction de la tête “car chacune d'elles est active lorsque l'animal fait face à une direction particulière et, ensemble, elles forment l'équivalent cérébral d'une boussole, suivant avec précision l'orientation de l'animal dans l'environnement.”

Les chercheurs ont décidé de concentrer leurs efforts sur le postubiculum de la souris, car on sait que cette région du cerveau possède un code neuronal très simple. La simplicité de son code leur a permis de cartographier les schémas d'activité de neurones individuels simplement en suivant la direction dans laquelle une souris se déplaçait pendant qu'elle explorait une boîte.

“Nous avons utilisé des réseaux d'électrodes miniatures que nous avons implantés dans le cerveau de souris et qui visaient le postubiculum”, a déclaré Duszkiewicz. “Cette technique nous a permis de suivre l'activité de dizaines de neurones individuels, jusqu'à 180 à la fois, pendant que les souris cherchaient des céréales dans une grande boîte.”

La plupart des neurones examinés par les chercheurs, à savoir les cellules excitatrices de direction de la tête des souris, n'étaient actifs que lorsque les souris faisaient face à une direction spécifique. L’équipe a également observé certains neurones inhibiteurs qui étaient actifs en permanence et semblaient pourtant préférer des ensembles de directions apparemment aléatoires.

“Lorsque nous avons examiné de plus près les schémas d'activité des neurones du postubiculum, ou leur” réglage “dans la direction de l'animal, nous avons réalisé que le réglage des neurones inhibiteurs n'était pas exactement aléatoire”, a déclaré Duszkiewicz. “En examinant uniquement leur activité, nous avons pu déterminer dans quelle direction la souris regarde actuellement, avec une précision similaire à celle des cellules excitatrices, ce qui signifie que leur activité était significative. Mais plus important encore, leurs schémas d'activité semblaient résumer l'activité de tous les neurones excitateurs voisins – les cellules canoniques de direction de la tête.

Il est intéressant de noter que les chercheurs ont découvert que les schémas d’activité des neurones inhibiteurs ne semblaient pas du tout influencés par des informations provenant d’autres zones du cerveau. En revanche, ils semblaient être entièrement déterminés par le réglage des neurones excitateurs voisins.

Duszkiewicz et ses collègues ont défini cette interaction entre les modèles de réglage de l'activité excitatrice et inhibitrice comme une « équivalence excitatrice/inhibitrice ». Plus précisément, leurs résultats montrent que les modèles de réglage des cellules excitatrices et inhibitrices sont composés des mêmes composants et que les modèles inhibiteurs sont la somme des modèles excitateurs.

“Nous pensons que cette découverte nous rapproche de la compréhension de la manière dont les deux classes de neurones, les cellules excitatrices et inhibitrices, travaillent ensemble pour créer une carte mentale du monde extérieur à l'intérieur du cerveau”, a déclaré Duszkiewicz. “Cela pourrait être particulièrement important à l'ère des réseaux de neurones artificiels, car cela impose certaines contraintes sur la manière dont les nœuds individuels des réseaux de neurones artificiels doivent être cartographiés avec le monde extérieur si ces réseaux doivent modéliser l'activité à l'intérieur de vrais cerveaux.”

Les résultats rassemblés par Duszkiewicz et ses collaborateurs apportent un nouvel éclairage sur les origines locales des réglages excitateurs et inhibiteurs dans le cerveau des mammifères. Alors que leur étude récente s'est concentrée sur le postubiculum, l'équipe espère bientôt élargir son enquête et examiner d'autres régions du cerveau.

“Jusqu'à présent, nous nous sommes concentrés uniquement sur un seul circuit neuronal, le postubiculum, car ses schémas d'activité sont relativement faciles à comprendre”, a ajouté Duszkiewicz.

“Mais maintenant que nous savons quoi rechercher, nous voulons confirmer que cette équivalence de réglage excitateur/inhibiteur peut être observée dans des zones cérébrales ayant une activité plus complexe, telles que les cellules de la grille du cortex entorhinal médial. Une autre voie que nous poursuivrons dans nos futurs travaux examinent de plus près différentes sous-classes de neurones inhibiteurs (dont il existe de nombreux), pour voir s'ils présentent des différences dans leur réglage sur l'orientation de l'animal.