Des chercheurs ont mis en place un modèle in vitro du cerveau, qui leur a permis d’étudier les mécanismes de connexion et déconnexion des neurones selon différents stimuli.

La reconfiguration dynamique est un mécanisme encore mystérieux pour les neuroscientifiques, malgré son importance. Il s’agit de la capacité du cerveau à moduler, selon l’intensité de l’activité neuronale, le niveau de connexions entre les neurones.

Deux types de reconfiguration dynamique sont possibles : la ségrégation, qui correspond au traitement des informations sur un réseau localisé de neurones par diminution de leur connexion, et l’intégration, qui permet le transfert rapide des informations à des réseaux différents, ou qui se situent sur des distances plus éloignées, ce qui requiert une augmentation des liaisons entre les neurones.

De nombreux stimuli externes influencent l’alternance entre ces deux configurations dans le cerveau selon les besoins, comme l’ouïe, l’odorat, et la vue. Par exemple, lorsque l’on regarde un film, la vue et l’ouïe sont mises en jeu par l’intégration des images et du son, et les autres stimuli comme l’odorat ne sont pas (ou que très peu) pris en compte.

Mais lors d’une situation d’alerte comme la détection d’une odeur de brulé, une intégration de toutes les informations de l’environnement et pas uniquement celles transmises par le nez est effectuée pour résoudre le plus rapidement possible la situation, augmentant ainsi la connexion du réseau neuronal.

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Il est important de préciser qu’aucune connexion physique n’est détruite ou créée lors de la reconfiguration dynamique.

Les scientifiques n’ont élucidé que la surface du processus de la reconfiguration dynamique. De plus, l’influence de la quantité de connexions entre les différentes zones du cerveau sur la sensibilité à la reconfiguration est un mystère.

Une coopération de neuroscientifiques de l’Université de Tohoku (Japon) et de Barcelone avait pour objectif d’en apprendre davantage sur ces mécanismes, grâce à la neuro-ingénierie de précision, en développant un circuit neuronal in vitro pouvant reproduire la reconfiguration dynamique.

Ce modèle était constitué de quatre modules, chacun d’entre eux étant un circuit neuronal spécialisé à un stimuli, comme l’odorat ou la vue. Des protéines adhésives et des nutriments recouvraient les neurones afin qu’ils restent attachés et puissent se développer. Les quatre modules étaient également interconnectés, le degré de connexion entre eux étant réglé grâce à la neuro-ingénierie de précision.

Des activations neuronales spontanées dans ces modules reproduisaient les stimuli. L’imagerie par fluorescence du calcium, une méthode employée pour mesurer l’activité des neurones, a permis aux chercheurs de déterminer la capacité d’intégration et de ségrégation entre les modules, selon leur degré de connexion, ainsi que divers autres facteurs.

reseau neuronal in vitro

Représentation du réseau neuronal in vitro. Les quatre modules ségrégués (carrés verts), mais qui sont connectés entre eux par des circuits, contiennent chacun un groupe de neurones spécifiques pour un type de stimuli. L’activation spontanée des neurones permet le transfert des informations vers d’autres modules par les circuits, reproduisant ainsi les intégrations. Crédits : Université de Barcelone/ Université de Tohoku

Les chercheurs ont évidemment constaté que lorsque le nombre de connexions entre les modules était très élevé ou très faible, le réseau était soit complètement intégré, soit entièrement ségrégué. Mais lorsque ce nombre se situait juste en dessous du minimum requis pour l’intégration, cela permettait aux flux d’activité neuronale d’être suffisant pour accroître les connexions et compléter l’intégration.

Un circuit optimal était donc possible par la coexistence de la ségrégation et de l’intégration. La reconfiguration dynamique qu’ils ont pu observer avec leur modèle est certes moins complexe que dans un vrai cerveau, mais il va permettre au groupe d’étudier les processus fondamentaux de la dynamique de cet organe.

« Cette étude montre l’importance d’une organisation modulaire pour maximiser la flexibilité d’un circuit neuronal. Il montre également le potentiel des outils in vitro et des modèles biophysiques pour faire progresser la compréhension des phénomènes collectifs dans un système aussi fascinant et riche que le cerveau », déclare Jordi Soriano, chercheur de l’université de Barcelone et co-auteur de l’étude.

Source : Science Advances

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