Les expériences de réalité virtuelle sur les mouches mettent en évidence le pouvoir de création de cartes du cerveau

Les expériences de réalité virtuelle sur les mouches des fruits offrent un aperçu de la façon dont le cerveau des mammifères, comme nous, pourrait construire des cartes de leur monde.Photographie de Tanya Wolff

jeIl peut sembler absurde de comparer le cerveau d’une minuscule mouche à fruit à celui d’un éléphant majestueux. Pourtant, c’est le rêve de nombreux neuroscientifiques de trouver des règles profondes que partagent des cerveaux très différents. Comme l’a dit Gilles Laurent, neuroscientifique à l’Institut Max Planck pour la recherche sur le cerveau à Francfort, en Allemagne, qui a étudié une variété d’animaux, des criquets aux tortues, «les réponses neuronales peuvent être décrites par la même opération mathématique… dans des conditions complètement différentes Vivek Jayaraman, chercheur au campus de recherche Janelia du Howard Hughes Medical Institute et étudiant de Laurent, estime que les neuroscientifiques sont sur le point d’identifier certaines de ces règles neuronales profondes. Les saisir ferait avancer un autre rêve neuroscientifique: être capable de prédire le comportement animal aussi facilement que Newton pourrait prédire le comportement d’un objet en mouvement.

Jayaraman et un petit nombre de chercheurs étudiant le G.P.S. du cerveau ont, en fait, déjà éprouvé le plaisir de découvrir une telle règle. Il régit quelque chose d’essentiel: la capacité d’un animal à savoir où il va. De plus, des expériences récentes sur des mouches connectées à des environnements de réalité virtuelle – une du groupe de Jayaraman et une autre de Rachel Wilson (également étudiante de Laurent) et de ses collègues de Harvard – montrent comment les repères visuels d’une mouche à fruit assurent la stabilité de son cap. Les résultats donnent un aperçu de la façon dont les mammifères, comme nous, pourraient construire des cartes de leur monde.

Lorsque vous vous déplacez librement, certains neurones ne sont actifs que lorsque vous faites face à une manière particulière. Peu importe où vous êtes, tant que vous continuez à regarder dans cette direction, la cellule se déclenche. Ces cellules dites de direction de la tête ont d’abord été identifiées dans une région du cerveau du rat très proche et intimement liée à l’hippocampe, la maison des cellules du lieu et la base de votre carte du monde. Il existe un grand nombre de ces cellules, mais une seule cellule n’est active que dans une certaine petite région de l’environnement. Ils agissent comme une carte, vous indiquant où vous êtes. Une telle carte n’est pas très utile sans savoir où vous vous dirigez. C’est pourquoi le cerveau crée également une boussole mentale, en utilisant des cellules de direction ou de boussole.

Les scientifiques peuvent prédire si une mouche des fruits pense qu’elle tourne à droite ou à gauche.

Il est frappant de voir à quel point ces deux systèmes fonctionnent en étroite collaboration. Si vous deviez faire pivoter les repères visuels qu’un rat utilise pour définir son cap, les cellules de direction de la tête se remapperaient à ce monde décalé. En même temps, les cellules de place de l’hippocampe feraient également pivoter la carte mentale. Ces deux groupes de cellules fournissent des informations complémentaires qui, si elles sont correctement assemblées, sont suffisantes pour aider le rat à naviguer n’importe où dans son environnement, même dans l’obscurité. En d’autres termes, les cellules directionnelles ne répondent pas simplement aux signaux visuels. Ils maintiennent leur activité même lorsqu’un rat ne peut pas voir son environnement (ou lorsque vous vous couvrez les yeux). Comment le cerveau établit-il cette représentation stable en forme de boussole? Plus perplexe, comment maintient-il cette position stable sans repères visuels?

Des preuves expérimentales chez le rat et la souris suggèrent qu’une structure en forme de beignet de cellules dirigées vers la tête maintient la boussole du cerveau fiable. Un article de 1995, «Un modèle de la base neurale du sens de la direction du rat», a proposé pour la première fois cette image de beignet ou «anneau-attracteur». Dans ce document, William Skaggs et ses collègues de l’Université de l’Arizona ont émis l’hypothèse que les cellules directionnelles – qui ne semblaient pas avoir de structure de groupe caractéristique visible – se connectent ensemble pour former un anneau imaginaire qui crée une carte à 360 degrés de deux – espace dimensionnel. “Le but de cet effort est de développer l’architecture la plus simple possible compatible avec les données disponibles”, ont écrit les chercheurs. «La réalité sera certainement plus compliquée que ce modèle.»

Chaque cellule, un point sur l’anneau, fait référence à un titre particulier. Les cellules proches de cet anneau se réfèrent à des en-têtes adjacents et similaires, et s’activent mutuellement, tandis que les cellules qui sont très éloignées et se réfèrent à des en-têtes opposés ou presque opposés, se désactivent mutuellement. Les chercheurs ont suggéré une règle sur la façon dont les informations provenant des zones visuelles du cerveau pénètrent dans l’anneau des cellules dirigées vers la tête, contribuant à leur schéma d’activité caractéristique. Ils ont également incorporé le système vestibulaire du cerveau, qui détecte les tours de tête, pour permettre à l’anneau de maintenir son activité dans l’obscurité. Ce modèle d’entrées permettait à un seul petit groupe de cellules de direction de tête proches d’être actives à un moment donné. Cette “bosse” d’activité correspondait à la rubrique du rat. Si le rat, ou son monde, se retournait (par exemple, le rat se retournait), les connexions à l’intérieur de l’anneau de cellules et les informations d’entrée visuelles changeantes feraient également tourner la bosse en conséquence.

Dans une victoire pour Skaggs et ses collègues, les chercheurs ont identifié certaines des cellules qui semblent fonctionner selon leur modèle mathématique. Pourtant, il a un trou majeur: Il y a peu de compréhension de la façon dont le cerveau convertit les informations visuelles en un sens stable pour le cap. Il est, du moins pour l’instant, trop difficile de cartographier comment les millions de cellules et les connexions complexes qui permettent aux rats et aux souris de voir se connectent à cet anneau.

Illusions utiles: La mouche des fruits fixée au microscope, dans cette arène de réalité virtuelle, est trompée par l’imagerie murale pour lui faire croire qu’elle bouge, permettant aux scientifiques d’observer son activité cérébrale.Photographie de Bryan Jones

TC’est là que Jayaraman entre en jeu. Il s’avère que la mouche des fruits possède également une région de son cerveau dédiée au maintien d’un sens de l’orientation. Jayaraman l’a décrit avec ses collègues il y a moins d’une décennie. Incroyablement, c’est un anneau en forme d’anneau exactement comme la structure du réseau théorique d’attracteur d’anneau. Toute cellule donnée dans cet anneau de cellules n’est active que lorsque la mouche fait face à une manière particulière, exactement comme les cellules de la tête des rongeurs (et, probablement, en nous). Cette découverte offre une formidable opportunité, non seulement pour tester un modèle que les scientifiques ont développé pour un animal utilisant un animal complètement différent, mais aussi pour identifier une règle commune utilisée par une variété frappante de cerveaux.

«Notre article fournit des preuves à l’appui du modèle proposé par Skaggs et al.», M’a dit Yvette Fisher, l’auteur principal. “En particulier l’exigence du modèle selon laquelle les entrées visuelles aux neurones de la boussole sont modifiables.” Les deux études, en d’autres termes, ont identifié une règle, ou un mécanisme, qui dicte comment la force des connexions entre les neurones dans l’anneau et les entrées visuelles change. Les entrées visuelles de l’anneau inhibent l’activité des cellules dans le sens de la tête – la cellule dans le sens de la tête avec la connexion la plus faible aux neurones d’entrée visuels sera active.

Pour Fisher, qui est neurobiologiste, le fait d’être imprégné d’un état d’esprit évolutif aurait pu façonner ses attentes. “Il n’est pas surprenant que des principes communs existent lorsque le circuit neuronal requis est soumis à des contraintes similaires”, a déclaré Fisher. «La navigation a un certain nombre d’exigences globalement similaires pour tous les animaux.» Compte tenu de ces similitudes, les règles identifiées par les chercheurs pourraient inspirer d’autres à comprendre ce processus chez les mammifères. Des principes généraux, comme le modèle d’attracteur d’anneaux pour calculer le cap, donnent un aperçu du comportement de tous les animaux. Les scientifiques peuvent les utiliser pour prédire un comportement animal, comme si une mouche des fruits pense qu’elle tourne à droite ou à gauche.

De plus, les scientifiques ont maintenant un modèle de base à partir duquel ils peuvent voir comment des animaux spécifiques s’écartent les uns des autres. Par exemple, alors qu’un rat, un animal terrestre, pourrait se contenter d’un modèle bidimensionnel de cap, des oiseaux et des chauves-souris et certains insectes volent. Alors qu’une grande partie du travail sur les mouches s’est concentrée sur les mouches à pied, des recherches récentes sur les chauves-souris ont trouvé une carte en trois dimensions.

Il reste à savoir si le même algorithme neuronal s’étend de deux à trois dimensions chez ces animaux. La façon dont certains animaux naviguent sur de longues distances est potentiellement encore plus intéressante: les fourmis du désert sont capables de localiser leur nid, une structure de tunnel en trois dimensions, à des kilomètres de distance, et de nombreux oiseaux migrateurs peuvent retourner au même endroit année après année. Fisher pense que les réponses proviendront de la caractérisation d’une diversité de cerveaux et de la comparaison des algorithmes développés par chaque créature.

Adithya Rajagopalan est étudiante de troisième année au département de neurosciences de l’Université Johns Hopkins et du campus de recherche Janelia. Suivez-le sur Twitter @adi_e_r.

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