Le cortex cérébral du cerveau produit une notion basée sur les informations sensorielles qu’il transmet à travers une région appelée thalamus.
“Remark le thalamus communique avec le cortex dans une caractéristique fondamentale de la façon dont le cerveau interprète le monde”, a déclaré Elly Nedivi, professeur William R. et Linda R. Youthful à l’Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire au MIT. Malgré l’importance de l’apport thalamique au cortex, les neuroscientifiques ont eu du mal à comprendre remark cela fonctionne si bien étant donné la rareté relative des connexions observées, ou “synapses”, entre les deux régions.
Pour aider à combler ce manque de connaissances, Nedivi a mis en place une collaboration au sein et au-delà du MIT pour appliquer plusieurs méthodes innovantes. Dans une nouvelle étude publiée dans Mother nature Neuroscience, l’équipe rapporte que les entrées thalamiques dans les couches superficielles du cortex sont non seulement rares, mais aussi étonnamment faibles et assez diverses dans leurs schémas de distribution. Malgré cela, ce sont des représentants fiables et efficaces de l’information dans son ensemble, et leur diversité est ce qui sous-tend ces avantages.
Essentiellement, en cartographiant méticuleusement chaque synapse thalamique sur 15 neurones de la couche 2/3 du cortex visuel chez la souris, puis en modélisant comment cette entrée affectait le traitement de l’information visuelle par chaque neurone, l’équipe a découvert que de grandes variations dans le nombre et la disposition des synapses thalamiques les rendait différemment sensibles aux caractéristiques des stimuli visuels. Alors que les neurones individuels ne pouvaient donc pas interpréter de manière fiable tous les factors du stimulus, une petite populace d’entre eux pouvait assembler de manière fiable et efficace l’image globale.
“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 de la flexibilité et de la robustesse aux perturbations”, a déclaré Nedivi, auteur correspondant de l’étude et membre de la faculté du MIT dans les départements de biologie et Sciences du cerveau et cognitives.
Aygul Balcioglu, le chercheur scientifique du laboratoire de Nedivi qui a dirigé les travaux, a ajouté que la recherche a créé un moyen pour les neuroscientifiques de suivre toutes les nombreuses entrées individuelles qu’une cellule reçoit au fur et à mesure que cette entrée se produit.
“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, motor vehicle différentes entrées et caractéristiques transmettent différentes informations à une cellule cérébrale donnée. Nos tactics nous permettent de décrire chez les animaux vivants où la construction de la cellule exclusive quel style d’information est incorporé. Ce n’était pas attainable jusqu’à présent.
‘MAP’ping et modélisation
L’équipe de Nedivi et Balcioglu a choisi la couche 2/3 du cortex parce que cette couche est celle où il y a une flexibilité ou « plasticité » relativement élevée, même dans le cerveau adulte. Pourtant, l’innervation thalamique y a rarement été caractérisée. De moreover, a déclaré Nedivi, même si l’organisme modèle pour l’étude était la souris, ces couches sont celles qui se sont le furthermore épaissies au cours de l’évolution et jouent donc un rôle particulièrement crucial dans le cortex humain.
Cartographier avec précision toute l’innervation thalamique sur des neurones entiers chez des souris vivantes et perceptives est si intimidant que cela n’a jamais été fait.
Pour commencer, l’équipe a utilisé une technique établie dans le laboratoire de Nedivi qui permet d’observer des neurones corticaux entiers sous un microscope à deux photons en utilisant simultanément trois étiquettes de couleurs différentes dans la même cellule, sauf que dans ce cas, ils ont utilisé l’une des couleurs pour étiqueter les entrées thalamiques. en get hold of avec les neurones corticaux marqués. Partout où la couleur de ces entrées thalamiques chevauchait la couleur des synapses excitatrices sur les neurones corticaux qui révélaient l’emplacement des entrées thalamiques putatives sur les neurones corticaux.
Les microscopes à deux photons offrent des regards profonds sur les tissus vivants, mais leur résolution n’est pas suffisante pour confirmer que les marqueurs qui se chevauchent sont bien des contacts synaptiques. Pour confirmer leurs premières indications d’entrées thalamiques, l’équipe s’est tournée vers une method appelée MAP inventée dans le laboratoire de l’Institut Picower du professeur agrégé de génie chimique du MIT Kwanghun Chung. MAP agrandit physiquement les tissus dans le laboratoire, augmentant efficacement la résolution des microscopes standard. Rebecca Gillani, write-up-doctorante au laboratoire Nedivi, avec l’aide de Taeyun Ku, submit-doctorante au Chung Lab, a pu combiner le nouvel étiquetage et le MAP pour résoudre, compter, cartographier et même mesurer la taille de toutes les synapses thalamo-corticales sur neurones entiers.
L’analyse a révélé que les entrées thalamiques étaient plutôt faibles (généralement présumées également faibles et peut-être temporaires) et représentaient entre 2 et 10% des synapses excitatrices sur les neurones individuels du cortex visuel. La variance du nombre de synapses thalamiques n’était pas seulement au niveau cellulaire, mais aussi à travers différentes branches “dendrites” de cellules individuelles, représentant n’importe où entre zéro et près de la moitié des synapses sur une branche donnée.
“Sagesse de la foule”
Ces faits ont placé l’équipe de Nedivi devant une énigme. Si les entrées thalamiques étaient faibles, clairsemées et très variables, non seulement entre les neurones mais même entre les dendrites de chaque neurone, alors à quel position pourraient-elles être bonnes pour un transfert d’informations fiable ?
Pour aider à résoudre l’énigme, Nedivi s’est tourné vers son collègue Idan Segev, professeur à l’Université hébraïque de Jérusalem spécialisé dans les neurosciences computationnelles. Segev et son étudiant Michael Doron ont utilisé les mesures anatomiques détaillées du laboratoire Nedivi et les informations physiologiques de l’Allen Brain Atlas pour créer un modèle biophysiquement fidèle des neurones corticaux.
Le modèle de Segev a montré que lorsque les cellules recevaient des informations visuelles (les signaux simulés de regarder un réseau passer devant les yeux), leurs réponses électriques variaient en fonction de la variation de leur entrée thalamique. Certaines cellules s’animaient moreover que d’autres en réponse à différents aspects de l’information visuelle, tels que le contraste ou la forme, mais aucune cellule ne révélait grand-chose sur l’image globale. Mais avec environ 20 cellules ensemble, toute l’entrée visuelle pourrait être décodée à partir de leur activité combinée – une soi-disant “sagesse de la foule”.
Notamment, Segev a comparé les performances des cellules avec une entrée faible, clairsemée et variable semblable à ce que le laboratoire de Nedivi a mesuré, à la efficiency d’un groupe de cellules qui agissaient toutes comme la meilleure cellule one of a kind du large amount. Jusqu’à environ 5 000 synapses au whole, le “meilleur” groupe de cellules a fourni des résultats as well as informatifs, mais après ce niveau, le groupe petit, faible et diversifié a en fait mieux performé. Dans la training course pour représenter l’entrée visuelle totale avec une précision d’au moins 90%, le petit groupe faible et diversifié a atteint ce niveau avec approximativement 6 700 synapses tandis que le “meilleur” groupe cellulaire en avait besoin de additionally de 7 900.
“Ainsi, l’hétérogénéité confère une réduction des coûts en termes de nombre de synapses nécessaires pour une lecture précise des caractéristiques visuelles”, ont écrit les auteurs.
Nedivi a déclaré que l’étude soulève des implications alléchantes concernant le fonctionnement de l’entrée thalamique dans le cortex. La première, a-t-elle dit, est qu’étant donné la petite taille des synapses thalamiques, elles sont susceptibles de présenter une “plasticité” importante. Une autre est que l’avantage surprenant de la diversité peut être une caractéristique générale, pas seulement un cas particulier pour l’entrée visuelle dans la couche 2/3. Des études supplémentaires sont cependant nécessaires pour en être sûr.
Outre Nedivi, Balcioglu, Gillani, Ku, Chung, Segev et Doron, les autres auteurs sont Kendyll Burnell et Alev Erisir.
Le Countrywide Eye Institute des National Institutes of Health and fitness, l’Office of Naval Exploration et la JPB Basis ont financé l’étude.