Neurosciences et maladies du système nerveux - Recherche fondamentale

Prof. Massimo Scanziani Zurich		Frédéric Pouille Zurich

L'objectif de notre laboratoire est de comprendre le langage du cerveau, c'est-à-dire le code utilisé par le cerveau pour former des représentations de l'environnement ou pour interagir avec ce dernier en produisant des comportements. Une telle connaissance pourrait dans le futur nous permettre de court-circuiter nos organes sensoriels pour communiquer directement avec le cerveau, en transmettant par exemple au système nerveux central des informations issues de l'environnement au moyen d'une prothèse. Mais le cerveau étant un réseau très complexe composé de plus de 1012 neurones, nous atteindrons cet objectif en commençant par comprendre comment l'information est représentée au sein de petits réseaux neuronaux. Le problème abordé dans le cadre de nos expériences est celui de la vitesse maximale à laquelle un petit réseau peut encore discriminer des éléments temporels distincts d'information entrante (résolution temporelle). Les résultats de notre recherche peuvent très facilement être illustrés en considérant les séquences de notes jouées sur un piano.

Lorsqu'on relâche la touche d'un piano, le son de la note est immédiatement interrompu, à moins que la pédale forte ne soit enfoncée. Ce mécanisme qui dépend de l'action des étouffoirs est nécessaire pour empêcher le chevauchement des notes dans une séquence, préservant ainsi la mélodie.

L'information issue de notre environnement atteint le cerveau sous forme d'une séquence d'impulsions électriques transmise par les sens. Ces impulsions électriques sont reçues ou "entendues" par les neurones sous forme de courants excitateurs. Ces courants sont de longue durée, c'est pourquoi une impulsion électrique peut parvenir au neurone avant que le courant excitateur produit par l'impulsion électrique précédente ne soit entièrement retombé. Cela pourrait entraîner une confusion des éléments d'information temporellement distincts, comparable au chevauchement des notes qui se produit lorsqu'on joue un air au piano avec la pédale forte enfoncée en permanence. Nous avons abordé ce problème en enregistrant l'activité électrique de petits réseaux de neurones vivants tout en imitant les entrées physiologiques par des stimulations électriques ayant des vitesses différentes. Nous avons observé que grâce à la mise en œuvre "d'amortisseurs" bloquant activement les courant excitateurs, ces petits réseaux étaient même capables de différencier temporellement des entrées de très haute fréquence. La fonction d'amortissement est remplie par les neurones inhibiteurs qui sont spécialisés dans l'annulation des courants excitateurs reçus par d'autres neurones environ 1 milliseconde après l'arrivée des courants excitateurs. Les neurones inhibiteurs parviennent à ce résultat en produisant un courant opposé (courant inhibiteur) dans le neurone devant être amorti. Grâce à cet amortisseur neuronal, les neurones sont capables de discriminer les impulsions électriques entrantes avec une résolution temporelle de 10 à 100 fois supérieure à celle observée sans amortissement.

Nous pensons que dans des circonstances spécifiques l'action d'amortissement des neurones inhibiteurs peut être temporairement réduite, permettant ainsi le chevauchement des courants excitateurs ultérieurs, à l'instar de ce qui se passe lorsque l'on enfonce brièvement la pédale du piano.

Ainsi, ces expériences illustrent la manière dont l'étude de petits circuits neuronaux peut révéler des propriétés discriminatoires fondamentales du cerveau. De plus, ces expériences montrent que le mode de traitement de l'information dépend non seulement des propriétés intrinsèques du neurone lui-même, mais aussi des caractéristiques du réseau auquel il appartient.

Ces résultats ne constituent vraisemblablement qu'une première étape dans la compréhension du langage du cerveau. Dans le futur, il sera important d'explorer quel type d'information chaque impulsion ou schéma d'impulsion transmet, la manière dont cette infirmation peut être stockée et réactivée. Plusieurs laboratoires travaillent sur chacun de ces sujets. Nous sommes convaincus que ces efforts conjugués permettront de mettre en évidence les propriétés opérationnelles de notre organe le plus énigmatique, contribuant ainsi à faire connaître la nature de nos perceptions.

F. Pouille, M. Scanziani
Enforcement of temporal fidelity in pyramidal cells by somatic feed-forward inhibition
Science 2001, 293: 1159-1163

Résumé du travail primé
Un circuit neuronal élémentaire pour le décodage temporel	10 Kb