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Encoding and Transmission of Information in the Mouse Somatosensory Cortex

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Une nouvelle approche mathématique pour analyser les codes neuronaux multiplexés

Le projet ETIC a élaboré une nouvelle approche informatique permettant de modifier avec succès la précision de la réponse neuronale pour analyser le code neuronal plus efficacement.

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Le code neuronal décrit la façon dont le cerveau traduit les stimuli externes en modèles d’activité de la population neuronale. Un modèle collectif de signaux détermine la relation entre la réponse neuronale et le stimulus. Plus précisément, le codage neuronal étudie le lien entre le stimulus et la réponse neuronale particulière, alors que le décodage neuronal fait le contraire. L’information est représentée et transmise dans le cerveau par l’activité électrique conduite par les potentiels d’action entre les cellules nerveuses, appelée «décharge neuronale». Le code temporel est l’identification des modèles temporels d’activité neuronale précisément synchronisés qui contiennent le plus d’informations sur les stimuli externes. Les chercheurs du projet ETIC ont élaboré de nouvelles techniques informatiques et optiques pour mesurer avec une exactitude et une précision temporelle beaucoup plus grandes les modèles de décharges émises par les neurones, en combinant algorithmes de balayage sophistiqués et microscopie avancée. Déchiffrer le code neuronal en utilisant de nouvelles approches informatiques «Notre objectif à long terme consiste à découvrir comment les circuits cérébraux encodent des informations sur le monde extérieur et les utilisent pour générer des comportements appropriés», explique le Dr Stefano Panzeri, coordinateur du projet ETIC et boursier Marie Skłodowska-Curie, avec le Dr Fellin, co-chercheur principal de ce projet. Ce projet a contribué au développement d’une technologie optique permettant de surveiller l’activité de nombreux neurones. Contrairement aux technologies antérieures, la technologie ETIC apporte une précision temporelle supérieure et un rapport signal-bruit (SNR) amélioré. La conception d’un nouvel algorithme a permis aux chercheurs d’analyser plus efficacement les neurones, permettant ensuite de surveiller plus précisément leur activité en regard du SNR. «Nous avons également démontré de manière expérimentale, en utilisant deux microscopies à photons du cerveau vivant en fonctionnement, que la mise en œuvre pratique de notre algorithme améliore considérablement le rapport signal-bruit dans l’imagerie de population en ce qui concerne les méthodes de balayage standard de pointe disponibles dans le commerce», ajoute le Dr Panzeri. Des applications thérapeutiques futures pour les maladies neuronales La prochaine étape de ce projet consistera à utiliser systématiquement ce nouvel outil pour observer le cerveau vivant effectuant des tâches cognitives et à utiliser les nouvelles données avec une résolution temporelle supérieure et un SNR plus élevé sur plusieurs populations de cellules. «Ayant découvert le code utilisé par les neurones pour coder les informations sensorielles, notre objectif consiste maintenant à comprendre comment manipuler l’activité neuronale avec l’optogénétique afin de générer des modèles neuronaux qui correspondent à différentes perceptions, comme des sons, des odeurs ou des sensations tactiles différents», déclare le Dr Panzeri. L’optogénétique est une technique spécialisée qui utilise la lumière pour contrôler l’activité électrique des cellules dans les tissus vivants et permet de contrôler les décharges dans les neurones individuels. Plus spécifiquement, l’optogénétique induit des modèles très précis de décharge dans le cerveau. L’avenir de cette technologie c’est la manipulation du code neuronal pour créer des sensations artificielles, destinées à des applications thérapeutiques chez les patients qui ont perdu l’utilisation des organes sensoriels périphériques, mais dont le cortex cérébral est toujours utilisable pour traiter les informations de ces mêmes sens. L’application réussie de l’optogénétique pour évoquer la sensation nécessite l’identification d’un nouveau cadre théorique qui caractérise à la fois la manière dont l’information est codée dans les modèles d’activité neuronale et la façon dont le cerveau l’interprète pour évoquer une sensation. «Nous travaillons actuellement au développement de cette technologie mathématique et explorons le potentiel de notre technologie pour le développement de produits dans un contexte commercial», conclut le Dr Panzeri.

Mots‑clés

ETIC, code neuronal, SNR, optogénétique, activité neuronale

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