Décrypter le code qui relie le cerveau et le comportement chez un simple animal

Décrypter le code qui relie le cerveau et le comportement chez un simple animal

Accueil » Psychologie » Troubles mentaux » Enfant » Décrypter le code qui relie le cerveau et le comportement chez un simple animal

Pour comprendre la relation complète entre l’activité cérébrale et le comportement, les scientifiques ont eu besoin d’un moyen de cartographier cette relation pour tous les neurones d’un cerveau entier – un défi jusqu’à présent insurmontable. Mais après avoir inventé de nouvelles technologies et méthodes à cet effet, une équipe de scientifiques de l’Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire du MIT a produit une comptabilité rigoureuse des neurones dans le petit cerveau traitable d’un humble ver C. elegans, cartographiant comment son les cellules cérébrales codent presque tous ses comportements essentiels, tels que le mouvement et l’alimentation.

Dans la revue Cellule, l’équipe présente de nouveaux enregistrements à l’échelle du cerveau et un modèle mathématique qui prédit avec précision les manières polyvalentes dont les neurones représentent les comportements du ver. En appliquant ce modèle spécifiquement à chaque cellule, l’équipe a produit un atlas de la manière dont la plupart des cellules et les circuits auxquels elles participent codent les actions de l’animal. L’atlas révèle donc la « logique » sous-jacente selon laquelle le cerveau du ver produit un répertoire de comportements sophistiqué et flexible, même si ses circonstances environnementales changent.

“Cette étude fournit une carte globale de la façon dont le système nerveux de l’animal est organisé pour contrôler le comportement”, a déclaré l’auteur principal Steven Flavell, professeur agrégé au département des sciences du cerveau et des sciences cognitives du MIT. “Cela montre comment les nombreux nœuds définis qui composent le système nerveux de l’animal codent des caractéristiques comportementales précises, et comment cela dépend de facteurs tels que l’expérience récente et l’état actuel de l’animal.”

Les étudiants diplômés Jungsoo Kim et Adam Atanas, qui ont chacun obtenu leur doctorat ce printemps pour cette recherche, sont les co-auteurs principaux de l’étude. Ils ont également mis toutes leurs données, ainsi que les résultats de leur modèle et de leur atlas, à la disposition gratuite de leurs collègues chercheurs sur un site Web appelé WormWideWeb.

Des microscopes aux modèles

Pour effectuer les mesures nécessaires au développement de leur modèle, le laboratoire de Flavell a inventé un nouveau microscope et un nouveau système logiciel qui suivent automatiquement presque tous les comportements du ver (mouvement, alimentation, sommeil, ponte, etc.) et l’activité de chaque neurone de son environnement. tête (les cellules sont conçues pour clignoter lorsque les ions calcium s’accumulent).

Pour distinguer et suivre de manière fiable les neurones séparés lorsque le ver se tortille et se plie, il a fallu écrire un logiciel personnalisé, en utilisant les derniers outils d’apprentissage automatique. Il s’est avéré précis à 99,7 % dans l’échantillonnage des activités de neurones individuels, avec un rapport signal/bruit considérablement amélioré par rapport aux systèmes précédents, rapportent les scientifiques.






L’équipe a utilisé le système pour enregistrer simultanément le comportement et les données neuronales de plus de 60 vers alors qu’ils se promenaient dans leur vaisselle, faisant ce qu’ils voulaient.

L’analyse des données a révélé trois nouvelles observations sur l’activité neuronale du ver : les neurones suivent le comportement non seulement du moment présent, mais également du passé récent ; ils ajustent leur codage de comportements, tels que le mouvement, en fonction d’une variété surprenante de facteurs ; et de nombreux neurones codent simultanément plusieurs comportements.

Par exemple, alors que se tortiller autour de son petit plat de laboratoire peut sembler un acte très simple, les neurones représentent des facteurs tels que la vitesse, la direction et le fait que le ver mange ou non. Dans certains cas, ils représentaient le mouvement de l’animal remontant dans le temps d’environ une minute.

En codant le mouvement récent, plutôt que le simple mouvement actuel, ces neurones pourraient aider le ver à calculer comment ses actions passées ont influencé son résultat actuel. De nombreux neurones combinent également des informations comportementales pour exécuter des manœuvres plus complexes. Tout comme un conducteur humain doit se rappeler de diriger la voiture dans la direction opposée lorsqu’il roule en marche arrière ou en marche avant, certains neurones du cerveau du ver ont intégré la direction de mouvement et la direction de la direction de l’animal.

En analysant soigneusement ces types de modèles de corrélation entre l’activité neuronale et les comportements, les scientifiques ont développé le modèle de codage neuronal probabiliste de C. elegans. Le modèle, encapsulé dans une seule équation, explique comment chaque neurone représente divers facteurs afin de prédire avec précision si et comment l’activité neuronale reflète le comportement. Près de 60 % des neurones de la tête du ver étaient en effet responsables d’au moins un comportement.

En ajustant le modèle, l’équipe de recherche a utilisé une approche de modélisation probabiliste qui leur a permis de comprendre dans quelle mesure ils étaient certains de chaque paramètre du modèle d’ajustement, une approche lancée par le co-auteur Vikash Mansinghka, chercheur principal qui dirige le projet de calcul probabiliste du MIT.

Faire un atlas

En créant un modèle capable de quantifier et de prédire comment n’importe quelle cellule cérébrale représenterait le comportement, l’équipe a initialement collecté des données sur les neurones sans suivre l’identité spécifique des cellules. Mais l’un des principaux objectifs de l’étude des vers est de comprendre comment chaque cellule et chaque circuit contribue au comportement. Ainsi, pour appliquer les capacités du modèle à chacun des neurones spécifiques du ver, qui ont tous été préalablement cartographiés, l’étape suivante de l’équipe consistait à relier l’activité neuronale et le comportement de chaque cellule de la carte.

Pour ce faire, il fallait étiqueter chaque neurone avec une couleur unique afin que son activité puisse être associée à son identité. L’équipe a réalisé cela sur des dizaines d’animaux en mouvement libre, ce qui leur a fourni des informations sur la façon dont presque tous les neurones définis dans la tête du ver étaient liés au comportement de l’animal.

L’atlas issu de ces travaux a révélé de nombreuses informations, cartographiant plus complètement les circuits neuronaux qui contrôlent chacun des comportements de l’animal. Ces nouvelles découvertes permettront une compréhension plus globale de la manière dont ces comportements sont contrôlés, a déclaré Flavell.

“Cela nous a permis de boucler les circuits”, a-t-il déclaré. “Nous espérons qu’à mesure que nos collègues étudient certains aspects du fonctionnement des circuits neuronaux, ils pourront se référer à cet atlas pour obtenir une vue assez complète des neurones clés impliqués.”

Conçu pour la flexibilité

Un autre résultat majeur du travail de l’équipe a été la découverte que, même si la plupart des neurones obéissaient toujours aux prédictions du modèle, un plus petit ensemble de neurones dans le cerveau du ver (environ 30 % de ceux qui codent le comportement) était capable de remapper de manière flexible leur codage comportemental. essentiellement en acceptant de nouveaux emplois. Les neurones de ce groupe étaient similaires d’un animal à l’autre et étaient bien connectés les uns aux autres dans le schéma de câblage synaptique du ver.

Théoriquement, ces événements de remappage pourraient se produire pour un certain nombre de raisons. L’équipe a donc mené d’autres expériences pour voir s’ils pouvaient provoquer un remappage des neurones. Alors que les vers se tortillaient autour de leurs plats, les chercheurs ont appliqué un laser rapide qui a chauffé la gélose autour de la tête du ver. La chaleur était inoffensive mais suffisante pour gêner les vers pendant un certain temps, provoquant un changement de comportement de l’animal qui a duré plusieurs minutes. À partir de ces enregistrements, l’équipe a pu constater que de nombreux neurones remappaient leur codage comportemental au fur et à mesure que les animaux changeaient d’état comportemental.

“Les informations comportementales sont richement exprimées dans le cerveau sous de nombreuses formes différentes – avec des réglages, des échelles de temps et des niveaux de flexibilité distincts – qui correspondent aux classes de neurones définies du connectome de C. elegans”, ont écrit les auteurs.

★★★★★

A lire également