Une fenêtre littérale sur le cerveau montre comment induire des illusions chez la souris
Des neuroscientifiques de la faculté de médecine de l’Université de Stanford ont constaté que la stimulation d’un nombre remarquable de neurones peut déclencher la perception de quelque chose qui n’existe pas réellement – une hallucination, de manière efficace. Les résultats, rapportés dans Sciencene vous posez pas vraiment la question de savoir pourquoi certaines personnes souffrent occasionnellement d’hallucinations, mais pourquoi nous sommes plus nombreux à ne pas halluciner plus souvent.
Les chercheurs ont utilisé une technique appelée optogénétique pour stimuler des neurones individuels dans le cortex visuel de souris et induire une image illusoire. Ils ont été surpris de constater que la stimulation de seulement 20 neurones, voire parfois moins, était suffisante pour générer une perception qui conduisait les animaux à se comporter de manière prédictive.
«En 2012, nous avions décrit la capacité de contrôler l'activité de neurones sélectionnés individuellement chez un animal éveillé et alerte», a déclaré le directeur de la recherche, Karl Deisseroth, MD, Ph.D., professeur de bio-ingénierie, de psychiatrie et de sciences du comportement. «Maintenant, pour la première fois, nous avons pu améliorer cette capacité en contrôlant simultanément plusieurs cellules spécifiées individuellement et en permettant à un animal de percevoir quelque chose de spécifique qui, en fait, n’est pas réellement présent – et se comporte en conséquence.» Deisseroth, qui est un chercheur du Howard Hughes Medical Institute et titulaire de la chaire DH Chen, est l'auteur principal de l'étude. Les auteurs principaux sont James Marshel, PhD, et Sean Quirin, PhD, ainsi que l’étudiant diplômé Yoon Seok Kim et le postdoctoral Timothy Machado, PhD.
Leur article publié intitulé «Dynamique critique spécifique de la couche corticale déclenchant la perception» fournit de nouvelles informations qui pourraient permettre de mieux comprendre la façon dont le cerveau traite l'information, à la fois chez les personnes en bonne santé et chez les personnes souffrant de troubles psychiatriques tels que la schizophrénie. symptômes neuropsychiatriques qui impliquent des hallucinations ou des délires. Les résultats de l'étude suggèrent également la possibilité de concevoir des dispositifs neuronaux prothétiques avec une résolution monocellulaire.
La perception visuelle chez les mammifères est corrélée aux circuits neuronaux dans la région du cortex visuel du cerveau. Chez les souris et les humains, le cortex visuel est responsable du traitement des informations relayées par la rétine. Ce que les scientifiques ignorent, c’est pourquoi certains schémas d’activité génèrent des «expériences perceptuelles», alors que d’autres ne le font pas, ont écrit les auteurs. «Bien que le cortex visuel puisse jouer un rôle causal dans l’initiation des percepts, il n’a pas été technologiquement possible de tester de manière causale l’influence précise sur le comportement induit par la perception de groupes de cellules spécifiées individuellement, soit stimulés de manière séquentielle, soit distribués en tant qu’ensembles de neurones multiples activés de manière synchrone. sur des couches ou des volumes anatomiques. "
Deisseroth est un pionnier de l'optogénétique, une technologie qui utilise des impulsions de lumière pour stimuler des neurones individuels. Pour leurs études sur des souris, les auteurs ont pu utiliser la technologie pour stimuler les neurones d’animaux en mouvement et observer les effets sur leur fonctionnement et leur comportement cérébraux. Deisseroth et ses collègues ont inséré une combinaison de deux gènes dans un grand nombre de neurones du cortex visuel de souris de laboratoire. Un gène codait pour une protéine sensible à la lumière qui provoquait le déclenchement du neurone en réponse à une impulsion de lumière laser dans le spectre infrarouge. L'autre gène codait pour une protéine fluorescente qui brillait en vert chaque fois que le neurone était actif.
Les scientifiques ont créé des fenêtres crâniennes dans les crânes des animaux, exposant une partie du cortex visuel, et les ont protégées avec du verre. Ils ont ensuite utilisé un appareil développé pour l'étude afin de projeter des hologrammes (configurations 3D de photos ciblées) sur et dans le cortex visuel. Ces photons ont atterri à des endroits précis le long de neurones spécifiques. Les chercheurs ont ensuite pu surveiller l'activité résultante de la quasi-totalité des milliers de neurones individuels dans deux couches distinctes du cortex cérébral s'étendant sur environ 1 mm.2.
Pour effectuer les tests, les souris ont été placées la tête dans des positions confortables et des séries aléatoires de barres horizontales et verticales ont été affichées sur un écran. Les chercheurs ont observé et enregistré quels neurones de la partie exposée du cortex visuel étaient activés par l’une ou l’autre orientation des projections. À partir de ces résultats, les scientifiques ont pu identifier des populations dispersées de neurones individuels sensibles aux affichages visuels horizontaux ou verticaux.
Les enquêteurs ont ensuite reproduit ces enregistrements sous forme d'hologrammes générant des taches de lumière infrarouge sur les seuls neurones accordés à l'horizontale ou aux barres verticales. L'activité neuronale en aval résultante, même à des emplacements relativement éloignés des neurones stimulés, était similaire à celle observée lorsque le stimulus naturel d'une barre noire horizontale ou verticale sur un fond blanc était affiché à l'écran.
Les souris ont été entraînées à lécher l'extrémité d'un tube voisin à la recherche d'eau lorsqu'elles ont vu une barre verticale, mais pas lorsqu'elles ont vu une barre horizontale ou aucune des barres. Au cours de plusieurs jours, alors que les animaux devenaient de mieux en mieux à distinguer les barres horizontales des barres verticales, les scientifiques ont progressivement réduit le contraste noir-blanc pour rendre la tâche de plus en plus difficile. Ils ont constaté que les performances des animaux diminuaient si les écrans visuels étaient complétés par une stimulation optogénétique simultanée.
Ainsi, si les performances d’un animal commençaient à se détériorer du fait d’un contraste réduit, sa capacité à distinguer les indices visuels pourrait être renforcée par la stimulation de neurones précédemment identifiés comme étant préférentiellement au feu en réponse à l’affichage visuel de la barre horizontale ou verticale. Les améliorations ne sont apparues que lorsque la stimulation optogénétique était compatible avec la stimulation visuelle. Il s’agit donc d’un affichage visuel à barres verticales et d’une stimulation des neurones précédemment identifiés comme susceptibles de se déclencher en réponse à une projection orientée verticalement.
Les chercheurs ont ensuite confirmé qu'ils pouvaient supprimer complètement l'affichage visuel. La stimulation optogénétique d'un nombre restreint de neurones sensibles à la barre verticale était suffisante pour que les souris présentent un comportement de léchage. Les souris ne lécheraient pas le tube si le motif de stimulation des neurones «à barre horizontale» était projeté. «Non seulement l'animal fait la même chose, mais le cerveau aussi», a déclaré Deisseroth. "Nous savons donc que nous sommes en train de recréer la perception naturelle ou de créer quelque chose qui lui ressemble."
De manière surprenante, la stimulation optogénétique d’environ 20 neurones – ou parfois même moins – qui répondaient à la bonne orientation était tout ce qui était nécessaire pour produire la même activité neuronale et le même comportement animal déclenchés par un affichage visuel. «C’est assez remarquable le nombre de neurones qu’il faut stimuler spécifiquement chez un animal pour générer une perception», a déclaré Deisseroth. «Un cerveau de souris a des millions de neurones; un cerveau humain a plusieurs milliards. Si seulement 20 personnes environ peuvent créer une perception, alors pourquoi ne pas toujours halluciner en raison d’une fausse activité aléatoire? Notre étude montre que le cortex de mammifère est en quelque sorte sur le point de réagir à un nombre incroyablement bas de cellules sans provoquer de fausses perceptions en réponse au bruit. "
«Ici, nous avons développé et appliqué des outils permettant un contrôle optogénétique rapide sur des ensembles de nombreux neurones couvrant de grands volumes de cortex lors du comportement visuellement guidé chez la souris. Nous avons découvert que la dynamique naturelle et le comportement associé pouvaient être provoqués par le recrutement optogénétique d'un nombre critique d'individus. neurones spécifiques à la perception », ont conclu les auteurs. «L'étude d'expériences sensorielles spécifiques avec la stimulation d'ensemble dans différentes conditions peut aider à faire avancer le développement de stratégies thérapeutiques, pour les prothèses neurales ainsi que pour les symptômes neuropsychiatriques tels que ceux impliquant des hallucinations ou des délires. Plus généralement, la capacité de suivre et de contrôler de grands ensembles de résolution cellulaire au fil du temps pendant l'apprentissage, et de relier de manière sélective de nouvelles cellules et ensembles dans des circuits comportementaux, peut avoir des implications importantes pour l'étude et l'exploitation de la plasticité sous-jacente à l'apprentissage et à la mémoire dans la santé et la maladie. .
