Le cerveau multidimensionnel

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Thématique

Principaux résultats de l’équipe :

Nous avons construit en collaboration avec G. Le Masson (INSERM, Bordeaux) des circuits thalamiques hybrides faits de neurones thalamo-corticaux biologiques connectés à des modèles de neurones rétiniens et réticulaires thalamiques par le biais de synapses artificielles. Nous avons montré que les inhibitions en rétroaction des neurones réticulaires sur les neurones thalamo-corticaux pouvaient tenir le rôle d’un mécanisme de contrôle à gain variable modulant l’efficacité du transfert des signaux sensoriels au niveau thalamique (Le Masson et al., Nature 2002). Ces résultats ont aussi des implications dans le contexte pathologique des décharges pointe-ondes associées aux crises d’absence (« petit mal »). Une préparation de tranche thalamique « active » générant spontanément un rythme lent du sommeil, les fuseaux, nous a permis de montrer l’importance de la rétroaction corticothalamique dans le contrôle de la synchronisation de l’activité thalamique. Selon son intensité, la rétroaction corticothalamique est capable de contrôler la redistribution temporelle des décharges neuronales au sein de la population de cellules thalamiques, conduisant à de profondes modifications de l’intensité des signaux transmis vers l’étage cortical (Bal et al., J. Neuroscience 2000).

Au cours des états éveillés et attentifs, les neurones thalamiques et corticaux se trouvent dans un état de haute conductance, étant bombardés par un bruit de fond synaptique dont l’étude connaît un regain d’intérêt récent. Nous avons montré, dans des tranches corticales où la réverbération synaptique est importante in vitro (Shu et al., J. Neuroscience 2003), que l’activité synaptique de fond influence les propriétés électrophysiologiques et intégratives des neurones, et plus particulièrement le gain et le seuil de détectabilité de la fonction entrée-sortie. Ces résultats ont été reproduits par technique de « dynamic clamp » au niveau des neurones relais du thalamus. Dans ces neurones thalamo-corticaux, un continuum de réponses en potentiels d’actions unitaires (tonique) et en bouffées (« burst ») dans l’état dépolarisé contribuerait à un encodage probabiliste et linéaire des signaux d’entrée (Wolfart et al., Nature Neuroscience 2005), ce qui est très différent de la conception classique basée sur une dichotomie nette des modes toniques (transmission autorisée pendant l’éveil) et en bouffées (blocage sensoriel pendant le sommeil).

Les recherches sur les préparations d’invertébrés et de mammifères ont précédemment établi que la compréhension du fonctionnement intégratif des neurones centraux passe par une connaissance détaillées des propriétés membranaires endogènes, médiées par le jeu de diverses conductances ioniques (Llinas, Science 242 :1654, 1988). Nos résultats et ceux obtenus in vivo (équipe Frégnac) et in computo (équipe Destexhe) suggèrent que ces propriétés sont considérablement modifiées en présence de bombardement synaptique de sorte qu’une caractérisation complète des propriétés des neurones nécessite non seulement de décrire les conductances membranaires mais aussi d’évaluer les conductances synaptiques de fond (« background » ou « ongoing » noise) ainsi que l’amplitude et la structure statistique de leur fluctuations.

Sur le plan des innovations technologiques, l’interaction constante entre différentes spécialités de l’UNIC (électrophysiologie, informatique, modélisation théorique) et des collaborations extérieures (G. Le Masson, INSERM Bordeaux, R. Brette, INRIA Paris, José Gomez, Iles Canaries Espagne ; Leonel Gomez-Sena, Montevideo Uruguay) a permis le développement de techniques d’interfaçages temps-réel neurones-machine et de l’AEC, une méthode d’enregistrement basée sur la compensation active des électrodes inventée par Romain Brette (AEC ; R. Brette, Z. Piwkovska, M. Rudolph-Lilith, T. Bal and A. Destexhe).

Notre technologie hybride la plus récente est ainsi basée sur l’utilisation mixte du dynamic-clamp et de l’AEC (Active Electrode Compensation). Le dynamic-clamp permet d’insérer à volonté des conductances artificielles dans la membrane d’un neurone biologique via l’injection de courants calculés en temps réel dans notre version temps réel (RT-NEURON ; G. Le Masson INSERM Bordeaux, G. Sadoc UNIC) du simulateur NEURON (Hines and Carneval). Ces courants reproduisent fidèlement l’activité électrique des canaux ioniques. Toutefois, l’injection de tels courants à haute fréquence dans un neurone par une microélectrode de verre fine est connue pour induire des distorsions du signal enregistré. Nous avons récemment développé une technique de compensation active (AEC) de la réponse de l’électrode intracellulaire au passage du courant, basée sur un modèle numérique de l’électrode interagissant en temps réel avec le poste d’enregistrement (Brette, Piwkowska et al., soumis). Cette compensation soustrait au voltage enregistré un modèle numérique de l’électrode ce qui élimine en temps réel les distorsions du signal. Les performances améliorées de l’AEC par rapport aux méthodes traditionnelles associées au simulateur neuronal RT-NEURON permettront pour la première fois d’étendre aux expériences in vivo l’application du dynamic-clamp à haute résolution temporelle.


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