Béatrice Garnier
Tout ce qui a trois cœurs, du sang bleu et une peau qui peut changer de couleur comme un affichage à Times Sq. est vulnerable de faire tourner les têtes. Rencontrez Sepia bandensis, as well as connue sous le nom de seiche naine camouflante. Au cours des trois dernières années, une équipe dirigée par des neuroscientifiques du Zuckerman de Columbia, comprenant des gurus en données et des concepteurs de web-sites Net, a élaboré un atlas cérébral de ce céphalopode captivant : une feuille de route neuroanatomique décrivant pour la première fois la construction globale à 32 lobes du cerveau ainsi que ses organisation cellulaire.
La seiche naine est un maître du camouflage. En quelques millisecondes, l’animal peut modifier à la fois son motif et sa texture de peau pour se fondre dynamiquement dans son environnement. Le camouflage est visuel et, comme ses cousins calmar et poulpe, la seiche contrôle la couleur de sa peau avec son cerveau. Les neurones à l’intérieur du cerveau projettent leurs axones jusqu’à la peau, où ils contrôlent des centaines de milliers de pixels cellulaires (chromatophores) pour obtenir un changement de couleur.
Lorsqu’une seiche se camoufle, elle reproduit ce qu’elle voit sur sa peau. Pour y parvenir, la seiche doit transformer son entrée visuelle en une représentation neuronale dans le cerveau, puis recréer un analogue de cette représentation sur sa peau. Le laboratoire de Richard Axel, MD, veut comprendre comment la seiche réalise cet exploit étonnant. Comprendre la manière dont le monde visuel est représenté dans le cerveau – qu’il s’agisse d’un céphalopode ou d’un humain – et remark cette représentation conduit à des pensées et à des comportements, fait partie des questions les in addition convaincantes des neurosciences.
Pour découvrir la foundation neurale du camouflage de la seiche, les membres du laboratoire Axel doivent enregistrer l’activité des neurones des régions pertinentes du cerveau de la seiche. Cependant, pour extraire la valeur la moreover scientifique de ces enregistrements, ils ont également besoin d’une carte du cerveau, qui n’était pas disponible. L’équipe s’est donc lancée dans un projet de construction d’un atlas neuroanatomique du cerveau de la seiche naine. Leur doc de recherche décrivant le projet apparaît aujourd’hui en ligne dans Present Biology, avec un site World wide web correspondant, Cuttlebase.org.
“L’une de mes approches préférées pour en apprendre davantage sur le cerveau consiste à étudier des créatures hautement spécialisées dans des comportements ou des tâches particuliers, comme les chauves-souris qui utilisent l’écholocation pour naviguer, ou les oiseaux qui utilisent une mémoire spatiale impressionnante pour se rappeler l’emplacement des aliments cachés, ” a déclaré Tessa G. Montague, PhD, premier auteur de l’article et stagiaire postdoctoral dans le laboratoire de Richard Axel, MD, également auteur de l’article.
“Nous espérons et croyons que notre atlas du cerveau aidera la communauté à en savoir moreover sur les mécanismes utilisés par les seiches pour s’exprimer à travers leur peau, et que cela peut nous donner un aperçu de la façon dont n’importe quel cerveau est able de représenter des informations”, a déclaré le Dr Montague.
Il a fallu une collaboration étroite et dévouée d’experts en neurosciences, imagerie tissulaire, programmation informatique, anatomie et conception de websites World-wide-web pour créer Cuttlebase. Pour la base sous-jacente de l’atlas du cerveau, l’équipe a scanné les corps et les cerveaux de quatre seiches mâles et quatre femelles à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique (IRM), un pilier diagnostique pour les médecins. Un algorithme d’apprentissage en profondeur, un sort d’intelligence artificielle, a aidé à démêler les cerveaux des animaux de leurs tissus environnants, dans les données d’analyse.
“Nous avions développé une approche d’apprentissage en profondeur capable de séparer les données liées au cerveau dans chaque IRM des données liées à d’autres varieties de tissus dans ces analyses”, a déclaré Gjerswold-Selleck. “Nous avons été surpris de voir à quel stage nous avons réussi à adapter la procedure.”
Ensuite, en comparant les IRM avec une poignée d’images cérébrales étiquetées des années 1960, les chercheurs ont dû déterminer les limites de chaque lobe cérébral de la seiche naine. Il s’agissait d’un hard work monumental d’analyse des données par six des coauteurs qui ont consacré des centaines d’heures pendant la pandémie à délimiter les huit ensembles de données sur la seiche.
Cela a abouti à des centaines d’images en niveaux de gris avec des contours des régions du cerveau analogues, par exemple, aux contours des États et des comtés dans un atlas de plusieurs pages des États-Unis. Pour améliorer leur atlas du cerveau de la seiche afin qu’il offre une résolution cellulaire – équivalente à un atlas détaillé qui montre toutes les routes, collines, lacs et rivières des États – les chercheurs se sont tournés vers des strategies histologiques, qui révèlent la construction microscopique des tissus. Cela a obligé les biologistes de l’équipe à sectionner méticuleusement les cerveaux de seiches, puis à colorer chacun avec des étiquettes chimiques colorées qui marquent l’emplacement des cellules et des events du cerveau, y compris les neurones, les cellules gliales et les axones.
L’une des nombreuses vues de l’outil Website Cuttlebase du cerveau multilobe de la seiche naine Sepia bandensis (Crédit : équipe Cuttlefish/Axis Lab/Institut Zuckerman)
Enfin, après avoir complété l’atlas histologique et annoté les huit IRM de seiches, les chercheurs ont fusionné les huit cerveaux en un seul atlas. Au full, ils ont identifié 32 lobes chez la seiche naine, dont la plupart pourraient être liés à des fonctions et comportements biologiques spécifiques, sur la foundation d’études classiques d’il y a un demi-siècle. Les deux additionally grands lobes, les lobes optiques, traitent l’entrée visuelle des yeux fascinants de l’animal, par exemple. Les motoneurones des lobes chromatophores orchestrent les mécanismes de changement de couleur de la peau. Un lobe vertical a été impliqué dans l’apprentissage et la mémoire.
Bien que cette analyse des données sur la seiche soit elle-même importante, “l’objectif principal de l’article est de rendre compte de l’outil de visualisation et de recherche, Cuttlebase, et de le rendre entièrement disponible et facilement accessible à tous”, a déclaré le Dr Montague.
Avec une facilité intuitive, les utilisateurs peuvent invoquer des coupes histologiques qui spécifient différentes régions cérébrales et nerfs un modèle 3D rotatif et zoomable du cerveau et un modèle 3D des 26 organes de la seiche, y compris ses trois cœurs, sa poche d’encre, son bec et ses nerfs qui transmettent les signaux entre le cerveau et ses huit bras. Toutes les données de Cuttlebase sont à la disposition d’autres chercheurs sur lesquelles s’appuyer dans leurs laboratoires. Les explications des lobes cérébraux et d’autres fonctionnalités conviviales fournissent des ressources d’apprentissage pour les non-experts.
Les coauteurs Sukanya Aneja et Dana Elkis (respectivement ingénieur Net et concepteur Website de l’équipe) du programme de télécommunications interactives de l’Université de New York, qui sont également membres de l’équipe Cuttlebase, ont joué un rôle de premier approach dans le développement du internet site World-wide-web.
“Nous avons eu beaucoup de va-et-vient sur la façon de traduire tout ce que nous avions en une expérience Net qui plairait aux scientifiques et aux non-scientifiques”, a déclaré Aneja.
“Nous avions besoin de combiner des vidéos, des images, le cerveau du modèle 3D, des illustrations, des graphiques et des diagrammes”, a noté Elkis.
La coauteure Isabelle Rieth, étudiante diplômée du programme interdépartemental de neurosciences de l’Université Northwestern et ancienne membre de l’équipe Cuttlebase, a apporté des compétences de conception supplémentaires pour transformer ce qui aurait autrement été une expérience Internet en noir et blanc en une expérience éclatante de couleurs qui aident à clarifier ce que les utilisateurs voient.
Aussi stimulant et exigeant que le projet ait été pour les collaborateurs, ils ne peuvent s’empêcher de rester amoureux de la seiche avec laquelle ils travaillent et qu’ils apprennent.
“Les seiches sont fascinantes à regarder”, a déclaré le Dr Montague. “Lorsqu’ils se camouflent ou communiquent entre eux, ils vous révèlent efficacement sur leur peau ce qu’ils voient et ce qu’ils ressentent.”
