Les chercheurs «voient» comment le cerveau lit les signaux électriques
Les réseaux neuronaux – des groupes de neurones fonctionnellement liés les uns aux autres par des structures spécialisées appelées synapses – jouent un rôle clé dans la perception sensorielle. «La perception sensorielle implique au moins deux processus», explique Tommaso Fellin, coordinateur du projet NEURO-PATTERNS, chercheur principal à l’Institut italien de technologie (IIT). Ce projet a été soutenu par le Conseil européen de la recherche. «Premièrement, le cerveau a besoin d’“écrire” les informations sur les stimuli physiques du monde extérieur, comme l’image d’une voiture qui approche. Cette information est écrite sous la forme d’une activité électrique dans des réseaux neuronaux spécifiques du cerveau.» Ensuite, ces signaux électriques doivent être lus pour déclencher le bon comportement, comme de ralentir. «Nous ne savons que peu de choses sur le second processus», souligne Tommaso Fellin. «Nous ne comprenons pas complètement comment l’activité électrique écrite dans les circuits neuronaux est lue pour déterminer nos actions en réponse aux stimuli extérieurs. En d’autres termes, nous ne connaissons pas le code utilisé par le cerveau pour interpréter les signaux électriques écrits dans les réseaux neuronaux.»
Cracker le code
L’objectif du projet NEURO-PATTERNS, financé par l’UE, était de cracker ce code en développant une nouvelle technologie. Cela permettrait, pour la première fois, à des chercheurs de tester l’importance de certains modèles d’activité électrique au sein des réseaux neuronaux liés au comportement. «Pour ce faire, nous avons combiné l’expertise en optique, en ingénierie, en neurosciences cellulaires et des circuits, et en mathématiques», ajoute Tommaso Fellin. «Cela nous a permis de développer une nouvelle approche optique capable de lire et d’écrire des modèles d’activité dans les réseaux neuronaux avec une résolution spatiale et temporelle sans précédent.» Dans un premier temps, l’équipe a développé le logiciel et le matériel pour le nouveau microscope optique. Le microscope a ensuite été combiné à des molécules photosensibles capables de rapporter ou générer l’activité électrique dans les neurones. Enfin, cette approche a été validée sur les réseaux neuronaux dans le tissu cérébral. Les chercheurs ont découvert qu’ils étaient capables, pour la première fois, d’imposer des modèles spatiaux et temporels de l’activité électrique dans des réseaux cérébraux intacts et d’étudier le code utilisé par le cerveau pour actionner la perception sensorielle.
Une nouvelle ère dans les neurosciences
Cette avancée pourrait mener à un certain nombre d’applications pratiques, dont la restauration ou la correction d’une activité électrique anormale dans les réseaux neuronaux, ce qui peut arriver en cas de pathologies cérébrales. Ces découvertes pourraient également inspirer la génération d’algorithmes d’IA plus efficaces, et fournir la base théorique pour des interfaces cerveau-machine plus efficaces. Les résultats du projet ont été publiés dans différents articles scientifiques, et ont abouti à plusieurs brevets. «Ils revêtent également un immense potentiel pour le transfert de technologie entre différents domaines», explique Tommaso Fellin. «Un bon exemple est SmartMicroOptics, une entreprise dérivée que nous avons fondée au cours du projet NEURO-PATTERNS.» Cette start-up produit un ensemble unique d’éléments optiques ultrafins qui, appliqués à des dispositifs électroniques par caméra comme les téléphones portables et les tablettes, les transforment en microscopes portables et bon marché dotés de performances optiques élevées. «Enfin, cette technologie a ouvert un nouveau domaine dans les neurosciences expérimentales», conclut Tommaso Fellin. «En fournissant des perturbations informées (en combinant la nouvelle approche optique développée dans le cadre de NEURO-PATTERNS à des molécules photosensibles) aux réseaux neuronaux, nous pouvons désormais discerner leur rôle dans le comportement.» Les prochaines étapes comprennent l’amélioration de l’échelle spatiale, la pénétration, l’efficacité et la flexibilité de ces perturbations. D’un point de vue neuroscientifique, les questions centrales consistent à découvrir si le code est préservé dans les modalités sensorielles, et comment ces processus sont altérés dans les états pathologiques du cerveau.
Mots‑clés
NEURO-PATTERNS, cerveau, neuronal, synapses, sensoriel, neurones, perception, neuroscience
