Un aperçu mécaniste de la cognition chez les mammifères
Le cortex cérébral est la région la plus volumineuse et la plus complexe du cerveau des mammifères. Il est plissé pour former une importante surface de matière grise constituée de corps cellulaires neuronaux organisés en un réseau de circuits complexes. L'organisation anatomique des zones du cortex correspond à ses fonctions sensorielles, motrices ou associatives. La communication avec d'autres structures cérébrales telles que le thalamus et les noyaux gris centraux assure la réception et la transmission des informations. Les neurones corticaux ne fonctionnent pas seuls, mais en tant qu'éléments de plusieurs assemblages interconnectés dont l'activité n'est que partiellement contrôlée par les stimuli sensoriels. Pour comprendre la structure de leur activité, il faut réaliser un enregistrement simultané sur un grand nombre de neurones. Cependant, la nature précise des interconnexions neuronales à l'intérieur du cortex cérébral continue de nous échapper. Actuellement, plusieurs avancées techniques sont mises à contribution pour explorer le fonctionnement du cortex, parmi lesquelles l'électrophysiologie, qui consiste à utiliser plusieurs électrodes pour enregistrer des groupes de neurones, ainsi que l'optogénétique. Cette dernière méthode utilise la lumière pour contrôler l'activité neuronale dans un cadre expérimental où les neurones sont génétiquement modifiés pour exprimer des canaux ioniques sensibles à la lumière. Les outils existants en optogénétique manquent néanmoins de spécificité en ce qui concerne les couches et le type de cellules, alors que les techniques d'enregistrement par électrophysiologie n'atteignent pas encore les rendements nécessaires pour caractériser correctement le microcircuit cortical. Des outils de pointe pour mieux comprendre le fonctionnement du cerveau Le projet NeuroSeeker, financé par l'UE, a été conçu pour présenter une image plus fonctionnelle des circuits cérébraux. Les chercheurs ont étudié la structure et la fonction du cortex cérébral afin de mieux comprendre les zones cérébrales et les lois fondamentales des interactions multi-échelles entre elles. Le consortium souhaitait décrire l'interaction des microcircuits corticaux avec l'état global du cerveau, en combinant des données d'enregistrement avec des images à grande échelle de l'état du cerveau, obtenues par électrocorticographie ou électroencéphalographie (EEG). Pour atteindre cet objectif, les chercheurs ont mis au point des sondes à très haute densité à base de silicium, avec une quantité sans précédent d'environ 1400 canaux d'enregistrement pour l'enregistrement électrophysiologique. Ils ont créé des sondes supplémentaires à base de polymères pour l'EEG stéréo, similaires à celles qui sont utilisées pour les diagnostics cliniques de l'épilepsie. Les sondes de NeuroSeeker ont été utilisées comme des dispositifs d'enregistrement avancés utilisant un nombre d'électrodes dix fois supérieur aux meilleurs dispositifs actuels. Ces dispositifs, utilisés avec des primates non humains, ont permis des enregistrements dont la durée correspond à celle qui est nécessaire pour les applications chez l'humain. D'autre part, les dispositifs optiques développés intégraient des diodes électroluminescentes (DEL) à couches minces, ainsi que des puces DEL classiques. Dans le cadre d'expériences sur les rongeurs, ces dispositifs ont produit un stimulus optique contrôlé des tissus corticaux. «Pour parvenir à une compréhension mécaniste des processus fondamentaux sous-tendant le traitement cognitif, nous nous sommes intéressés à des mécanismes candidats correspondant à des processus cognitifs répandus», explique le Dr Ruther. En bref, les chercheurs ont étudié la combinaison d'entrées à propagation avant (feedforward) et d'actions en retour (feedback) qui s'intègrent à travers les couches corticales, ou qui arrivent dans la même couche à partir de différentes zones corticales. Ils ont ainsi pu formuler une théorie dynamique des microcircuits et de leurs interactions avec le reste du cerveau. La délimitation du cortex cérébral Grâce à des algorithmes et des logiciels spécifiques, les dispositifs de NeuroSeeker ont permis la détection et le tri de formes d'ondes en pic, en vue d'une analyse efficace du circuit. Contrairement aux systèmes existants, le consortium a réussi à enregistrer la fonction neuronale, fournissant une vue plus détaillée du fonctionnement du cerveau et faisant également progresser le diagnostic de l'épilepsie. L'étude de l'empreinte spatiotemporelle de chaque signal neuronal a permis la classification, ainsi que la caractérisation et la localisation des cellules dans les couches corticales. Ces travaux ont fourni des informations fondamentales sur la fonction corticale dans différents contextes, de la formation de la mémoire jusqu'au traitement continu pendant la prise de décision. Les efforts se poursuivent pour assurer la commercialisation des sondes NeuroSeeker par le biais de la PME partenaire du projet. Les chercheurs espèrent que «les outils optiques de NeuroSeeker seront utilisés non seulement dans la recherche animale, mais qu'ils seront à terme appliqués dans un contexte clinique sur le muscle cardiaque ainsi que dans la cochlée.»
Mots‑clés
NeuroSeeker, cerveau, cortex cérébral, neurone, sonde, optogénétique, épilepsie, électroencéphalographie, électrocorticographie, LED
