Audition au lieu de vision: reconfigurer les neurones du cerveau pour s'adapter à l'obscurité

Les humains, comme de nombreux autres animaux de la planète, sont principalement considérés comme des créatures diurnes. Presque tous les systèmes de notre corps sont réglés pour l'activité pendant la journée et pour le repos pendant la nuit. Le régulateur le plus important quand nous dormons et quand nous restons éveillés est notre cerveau. Il est également responsable du traitement des informations reçues par les sens. L'exactitude de ces informations dépend des circonstances dans lesquelles elles ont été reçues et de la façon dont nous les interprétons: au crépuscule, il y a un cintre sur lequel un manteau est suspendu, et notre cerveau nous dit: "c'est un monstre qui va nous manger maintenant." Cependant, dans certaines circonstances, certains signaux peuvent compenser les inconvénients des autres.

Aujourd'hui, nous vous rencontrerons une étude dans laquelle des scientifiques de l'Université du Maryland (USA) ont placé des souris de laboratoire dans l'obscurité totale pendant une semaine. Comment le comportement des souris a-t-il changé au cours de l'expérience, quels changements dans les réseaux neuronaux du cerveau ont-ils eu et quelles conclusions les scientifiques ont-ils tirées de leurs observations? Le rapport des chercheurs mettra en lumière ces questions. Allons-y.

Base d'étude

Nous savons tous que lorsque nous passons d'une pièce bien éclairée à une pièce sombre, notre vision doit s'adapter un peu. Ce processus est appelé tout à fait prosaïque - adaptation des yeux. Lorsque nous entrons dans une pièce mal éclairée, nos yeux commencent à s’adapter à de nouvelles conditions, après quoi ce processus ralentit. Si vous fermez les yeux pendant quelques minutes avant d'entrer dans l'obscurité, l'adaptation se déroulera mieux et plus lentement. On pense que pour cette raison, les pirates avaient un bandeau sur les yeux: lorsqu'ils sont entrés dans la cale du navire, où l'éclairage n'était pas le meilleur, ils ont changé le bandeau sur l'autre œil, fermant ainsi auparavant des informations mieux perçues. Cela semble vrai, mais cela peut être un simple conte de fées.

Cependant, en plus de la vision, il existe d'autres sentiments, y compris l'ouïe. Nous avons souvent entendu dire que les aveugles entendraient mieux. On pense également que la plasticité sensorielle au sein d'une modalité * est plus développée chez les enfants, cependant, même chez les adultes, une plasticité intermodale peut se développer.

Modalité * - l'appartenance d'un certain signal à un certain système de capteurs. Il existe de tels types de modalités: visuelle, auditive, douloureuse, kinesthésique, etc.

Dans le cas de la plasticité intermodale, les neurones cérébraux sont réorganisés de manière à combiner les fonctions de deux ou plusieurs systèmes. Ce phénomène se produit souvent dans le contexte de la privation sensorielle (détérioration) d'un système particulier en raison d'un traumatisme ou d'une maladie. La réorganisation neurale la plus prononcée est présente chez les personnes aveugles ou sourdes depuis la naissance. Autrement dit, plus la privation est longue, plus la plasticité intermodale est forte.

En d'autres termes, la perte de la modalité sensorielle peut être compensée par la plasticité des autres sentiments. Des études antérieures ont montré que les aveugles de naissance perçoivent beaucoup mieux les signaux sonores, la localisation de leurs sources (localisation des sons) et les caractéristiques de fréquence. De toute évidence, ces changements sont plus développés en cas de défauts sensoriels congénitaux. Cependant, même chez les adultes de diverses espèces, une plasticité sensorielle et transmodale peut se développer en raison des changements environnementaux.

Par exemple, de courtes périodes de privation visuelle chez les rongeurs au niveau cellulaire augmentent la sélectivité en fréquence dans le cortex auditif (A1), tout en abaissant la valeur seuil et en augmentant le taux de transmission des impulsions par les neurones L4 ( thalamorecipient couche 4 ) du cortex auditif. Des changements similaires au niveau cellulaire sont le résultat de changements dans les circuits neuronaux. L'effet de l'obscurité entraîne une augmentation des signaux thalamiques entrants dans L4, des connexions intracorticales ascendantes des neurones L4 vers les neurones L2 / 3 (thalamorecipient layer 2/3), ainsi que le renforcement des liaisons intracouches excitatrices et inhibitrices dans L2 / 3, les connexions ascendantes intercouches depuis L4 à L2 / 3 et les connexions de retour de L2 / 3 à L4.

Cependant, les stimuli sensoriels sont convertis en informations non pas par des neurones individuels, mais par leurs groupes (populations). Par conséquent, un changement dans la connexion entre les neurones au sein de ces populations peut avoir un effet direct sur la formation d'informations à partir des signaux entrants.

Étant donné que la perception des fréquences sonores varie entre L4 et L2 / 3, les scientifiques ont décidé de vérifier si les effets temporaires de l'obscurité sur les individus d'âge mûr pouvaient restructurer les neurones et leurs relations les uns avec les autres à l'intérieur du cortex auditif d'une souris de laboratoire. L'imagerie calcique à deux photons (Ca ²⁺ ) a été utilisée pour observer le processus de changements dans le cerveau. L'activité induite par le son des neurones L2 / 3 et L4 a été mesurée, montrant la présence d'une sélectivité accrue en fréquence.


Image n ° 1: imagerie calcique à deux photons (Ca ²⁺ ) des neurones chez A1 chez la souris.

Les souris expérimentales étaient des souris de laboratoire, qui ont été réparties au hasard en deux groupes: contrôle (vécu sous un éclairage normal, 9 individus) et test (vécu dans l'obscurité, 6 individus). Le séjour dans l'obscurité (DE - exposition à l'obscurité) a été de courte durée - 1 semaine ( 1A ).


Tableau n ° 1: l'imagerie calcique nous a permis d'obtenir une image de l'activité de centaines de neurones dans chacune des couches du cortex auditif.

Les scientifiques notent également que des études antérieures ont montré que l'ED ne provoque aucun changement dans les propriétés de la perméabilité cellulaire interne ( 1C ). Ceci est extrêmement important car l'indicateur de calcium GCaMP6 ( 1V ) a été utilisé pendant l'imagerie.

Afin de caractériser l'activité des neurones individuels chez les souris des groupes de contrôle et de test, un tracé de 300 × 300 μm a été visualisé dans les couches L2 / 3 et L4 au moment de l'exposition au son (ton pur) 4–64 kHz, 60 dB ( 1D ). Tout d'abord, les cellules qui ont répondu à ces stimuli ont été identifiées. Une cellule qui a au moins réagi d'une manière ou d'une autre est classée comme «sensible». Après exposition à l'obscurité, la proportion de cellules réagissant dans L4 n'a pas changé, mais dans L2 / 3, moins de cellules ont répondu au stimulus ( 1E ), ce qui indique une sparsification (une augmentation des intervalles entre quelque chose) des réponses corticales dans les couches granulaires.

L'enregistrement des unités individuelles * a montré que les cellules L4 chez les souris du groupe test ont une fréquence neuronale spontanée et induite par l'obscurité plus élevée (activité neuronale).

Enregistrement des unités individuelles * - une méthode de mesure de la réaction électrophysiologique d'un neurone individuel à l'aide d'une microélectrode.

Il a en outre été décidé de rechercher si des changements similaires sont présents au niveau des cellules individuelles dans la couche L2 / 3. Pour évaluer l'activité spontanée des neurones (SD) exprimant les GCaMP6 de souris, des processus de fluorescence transitoires ont été mesurés qui ont précédé le début du stimulus et pendant une imagerie prolongée sans aucun stimulus.

Après être resté dans l'obscurité, l'activité spontanée des neurones a augmenté à la fois en L4 et L2 / 3 ( 1F ).

Une diminution de la sensibilité tonale peut être associée à une modification de l'accord de fréquence des neurones dans le cortex auditif. Des enregistrements antérieurs de microélectrodes ont montré que les cellules L4 chez les souris du groupe test ont une sélectivité en fréquence accrue, et puisque L2 / 3 reçoit des données de L4, les mêmes changements peuvent être présents dans L2 / 3. Par la suite, des courbes de réglage ont été créées pour chaque cellule sensible en fonction de la réponse maximale provoquée par la reproduction des sons ( 2A ).


Image n ° 2: rester dans l'obscurité augmente la sensibilité et la sélectivité en fréquence des neurones à la fois en L4 et L2 / 3.

Tout d'abord, l'amplitude des réponses évoquées a été mesurée à la meilleure fréquence (BF, c'est-à-dire la fréquence de crête sur la courbe). L'amplitude de la réponse après exposition à l'obscurité a augmenté à la fois dans les neurones L4 et les neurones L2 / 3, cependant, c'est dans L4 qu'elle était plus grande ( 2B ). Cette observation est entièrement cohérente avec les enregistrements électrophysiologiques et une augmentation des afférences thalamocorticales * à L4.

Résonance thalamocorticale * - phénomène d'oscillation synchrone (activation simultanée périodique de populations individuelles de neurones) de neurones de divers noyaux du thalamus et des zones apparentées du cortex cérébral.

Afferent * est un neurone qui transmet les impulsions des récepteurs au cerveau ou à la moelle épinière.

Ensuite, nous avons évalué la sélectivité en fréquence des cellules chez la souris des groupes test et contrôle. L'analyse a montré que la bande passante des neurones L4 et L2 / 3 après exposition à l'obscurité était inférieure à celle des animaux du groupe témoin ( 2C ).

La totalité de ces observations suggère qu'au niveau d'une cellule individuelle, les changements après l'obscurité sont les mêmes dans L4 et L2 / 3, sauf que les amplitudes de réponse dans L4 augmentent après l'obscurité, mais pas dans L2 / 3.

Par conséquent, après un certain temps, l'exposition à l'obscurité peut entraîner des changements dans les réponses induites par le son des neurones du cortex auditif dans L4 et L2 / 3. Mais en L4, ces changements seront encore plus importants qu'en L2 / 3. Bien que moins de cellules réagissent aux sons après une exposition à l'obscurité, celles qui répondent en A1 deviennent plus sensibles et sélectives au son. En d'autres termes, dans l'obscurité, les neurones du cortex auditif agissent selon le principe de la «qualité, pas de la quantité», car le nombre de cellules sensibles diminue, mais leur activité augmente.


Image 3: l'exposition à l'obscurité modifie la distribution de la sélectivité fréquentielle dans le cortex auditif.

Les données d'observation montrent que les cellules sensibles au tonus dans le cortex auditif L4 présentent une amplitude de réponses plus élevée, et les cellules des deux couches A1 ont montré une sélectivité sonore accrue après une exposition à l'obscurité. Cependant, ces changements au niveau des cellules individuelles n'expliquent pas pourquoi, après exposition à l'obscurité, il y a moins de neurones réactifs dans L2 / 3. Les neurones dans les couches corticales sensorielles peuvent ajuster leur accord en fonction de facteurs comportementaux. De plus, une expérience sensorielle précoce peut modifier la zone du cortex auditif, qui répond aux sons d'une certaine fréquence. Sur la base de ces informations, les scientifiques ont suggéré que les populations neuronales individuelles ont changé leurs préférences pour les stimuli externes.

Pour tester cette hypothèse, les scientifiques ont étudié la distribution des fréquences préférées pour les populations de neurones chez la souris des groupes test et contrôle.

Les souris du groupe témoin ont des fréquences «préférées» dans la plage de 4 à 64 kHz, tandis que la plupart des neurones préféraient les sons dans la plage de 8 à 32 kHz. Mais les souris du groupe test ont réagi plus activement aux hautes fréquences dans la gamme 32-64 kHz ( 3B ).

Une augmentation du nombre de cellules plus sensibles aux hautes fréquences (32–64 kHz) a été observée dans la couche L2 / 3 et plus faibles (4–8 kHz) dans la couche L4. Dans les deux couches, une diminution de la perception des fréquences moyennes dans la gamme de 8 à 16 kHz ( 3A ) a été observée.

Comme vous le savez, les stimuli sensoriels sont codés non seulement par des neurones individuels, mais aussi par des populations de neurones. La corrélation de l'activité entre les neurones, à son tour, contribue au processus de codage des informations. Dans les deux L4 et L2 / 3, les cellules adjacentes présentent une forte corrélation des signaux (SC), qui reflètent l'activité corrélée entraînée par le stimulus. Il existe également des corrélations de paires (NC), qui représentent une covariance indépendante du stimulus entre les expériences.

Les scientifiques ont suggéré que l'amélioration des liaisons fonctionnelles entre couches et intra-laminaires après exposition à l'obscurité peut entraîner une diminution de la corrélation des paires. Par conséquent, NC nous permettra d'étudier les changements dans le niveau d'activité corrélée entre les neurones dans L4 et L2 / 3 après exposition à l'obscurité.


Image n ° 4: diminution NC de la couche L4 due à l'effet de l'obscurité.

L'effet de l'obscurité a entraîné une diminution des NC et SC entre les cellules de la couche L4. Cependant, dans la couche L2 / 3, les NC sont restés pratiquement inchangés ( 5A ).


Image n ° 5: Réduction NC de la couche L2 / 3 due à l'effet de l'obscurité.

L'obscurité a entraîné une diminution de la SC entre les neurones dans L2 / 3 ( 5B ). Il en résulte que l'obscurité change non seulement les paramètres des neurones individuels, mais leur interconnexion les uns avec les autres à la fois dans la couche L2 / 3 et dans L4.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques .

Épilogue

Les souris qui sont restées dans l'obscurité pendant une semaine ont montré une activité neuronale complètement différente de celle des souris qui vivaient sous un éclairage normal. Les neurones du cortex auditif des souris du groupe test se sont reconfigurés et les connexions entre elles pour une perception plus précise des hautes et basses fréquences, tout en sacrifiant la perception des moyennes. Les scientifiques eux-mêmes ne peuvent pas encore expliquer avec précision une telle sélectivité. Ils suggèrent que cela peut être dû à ce que les souris voulaient mieux entendre: leurs pas, les sons des autres souris, etc.

Il est important de noter que les souris expérimentales étaient saines, c'est-à-dire leur vue était absolument normale dès la naissance. On supposait auparavant que de tels changements dans l'activité neuronale sont plus susceptibles de se produire exclusivement chez ceux qui, dès la naissance (ou à un âge précoce), souffrent d'une sorte de dysfonctionnement sensoriel. Cependant, il s'est avéré que même le cerveau adulte peut changer en s'adaptant aux conditions environnementales.

À l'avenir, les scientifiques prévoient d'étendre leurs recherches en ajoutant la manipulation des sons que les souris entendront. Cela vous permettra de déterminer plus précisément quels sons et dans quelle mesure les souris réagissent dans l'obscurité.

Cette étude satisfait non seulement la curiosité banale des scientifiques, mais peut également être extrêmement utile pour les personnes malentendantes. En particulier, ce travail peut simplifier le processus d'adaptation des malentendants aux aides auditives et aux implants cochléaires.

La structure, composée de milliards de blocs capables d'agir à la fois séparément les uns des autres et ensemble, ne peut pas être entièrement décrite et expliquée dans une étude. Notre cerveau est un tel système. Dans le même temps, à chaque nouvelle recherche, nous apprendrons de plus en plus d'informations précieuses sur notre organe le plus important, dont le mystère est comparable aux étendues inconnues de l'univers.



Merci d'avoir regardé, restez curieux et passez un excellent week-end à tous, les gars. :)

Un peu de publicité :)

Merci de rester avec nous. Aimez-vous nos articles? Vous voulez voir des matériaux plus intéressants? Soutenez-nous en passant une commande ou en recommandant à vos amis des VPS basés sur le cloud pour les développeurs à partir de 4,99 $ , un analogue unique de serveurs d'entrée de gamme que nous avons inventés pour vous: Toute la vérité sur les VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 cœurs) 10 Go DDR4 480 Go SSD 1 Gbit / s à partir de 19 $ ou comment diviser le serveur? (les options sont disponibles avec RAID1 et RAID10, jusqu'à 24 cœurs et jusqu'à 40 Go de DDR4).

Dell R730xd 2 fois moins cher au centre de données Equinix Tier IV à Amsterdam? Nous avons seulement 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV à partir de 199 $ aux Pays-Bas! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - à partir de 99 $! Pour en savoir plus sur la création d'un bâtiment d'infrastructure. classe utilisant des serveurs Dell R730xd E5-2650 v4 coûtant 9 000 euros pour un sou?