Différences de couplage dans les réseaux corticaux associés à l’état d’éveil dans l’activité neuronale et hémodynamique

Contexte académique

En l’absence d’entrées sensorielles spécifiques ou de tâches comportementales, le cerveau génère des modèles d’activité structurés. Cette activité organisée est modulée par l’état d’éveil. La relation entre l’éveil et l’activité corticale est d’une importance cruciale pour comprendre la fonction des réseaux neuronaux. Des études antérieures ont indiqué que le niveau d’éveil affecte les changements de l’activité neuronale et hémodynamique, mais il reste incertain si ces effets sont cohérents dans différentes régions corticales et états comportementaux.

Source de l’article

Cet article, rédigé par Lisa Meyer-Baese et al., provient du département de bioingénierie et de biologie de l’Université Emory et du Georgia Tech. Il a été publié dans le Journal of Neuroscience en mai 2024.

Processus de recherche

Cette étude utilise la technique d’imagerie par tension à large champ pour examiner comment l’état d’éveil est associé à l’activité de tension des réseaux corticaux et à l’hémodynamique dans le cortex de souris fixées par la tête en l’absence de comportement spontané. Les étapes clés de cette recherche incluent :

Préparation du modèle animal et technique d’imagerie

Des souris transgéniques exprimant des protéines fluorescent sensibles à la tension (VSFP) ont été utilisées. L’activité de tension et l’activité hémodynamique des souris fixées par la tête en état d’éveil ont été enregistrées par imagerie de tension à large champ. Les souris étaient restreintes et des capteurs VSFP-Butterfly ont été utilisés pour l’imagerie en fluorescence.

Acquisition et traitement des données

Lors des expériences d’imagerie, une vidéo du visage de la souris a été enregistrée pour suivre les mouvements faciaux et les variations du diamètre de la pupille. Le processus d’analyse a inclus une correction de gain des signaux fluorescents pour différencier les signaux de tension des signaux hémodynamiques. Les signaux temporels de chaque expérience d’imagerie ont été filtrés et décorrélés pour éliminer les bruits et les signaux non physiologiques.

Validation des signaux de tension et hémodynamiques

Pour valider les signaux de tension et hémodynamiques, une stimulation par coup d’air a été appliquée aux souris pour enregistrer les réponses du cortex somatosensoriel droit. Les signaux associés à la stimulation par coup d’air ont présenté des caractéristiques conformes aux attentes, à savoir une réponse biphasique rapide pour les signaux de tension et une réponse lente pour les signaux hémodynamiques, démontrant la fiabilité de la capture par imagerie VSFP des changements d’activité neuronale et hémodynamique.

Principaux résultats de l’étude

État d’éveil et signaux corticaux globaux

L’étude a révélé que les signaux de tension globaux étaient significativement corrélés avec la variation du diamètre de la pupille, avec un coefficient de corrélation maximal d’environ 0,5, tandis que les signaux hémodynamiques globaux montraient une corrélation d’environ 0,25 avec la variation du diamètre de la pupille. Cela montre une relation plus étroite entre l’état d’éveil du cortex cérébral et l’activité neuronale globale.

Relation entre l’activité corticale régionale et le diamètre de la pupille

Les signaux de tension et hémodynamiques dans différentes régions corticales montraient des corrélations variées avec le diamètre de la pupille. Les signaux de tension étaient positivement corrélés avec la variation du diamètre de la pupille dans la majorité des régions sensori-motrices corticales, alors qu’une corrélation négative a été observée dans le cortex préfrontal. En revanche, les signaux hémodynamiques présentaient également une corrélation positive dans les régions sensori-motrices, mais une corrélation plus faible dans le cortex préfrontal.

Conclusion

Cette recherche montre que la modulation des réseaux corticaux par l’état d’éveil est dynamique et que les réseaux fonctionnels des signaux de tension et hémodynamiques ne se chevauchent que partiellement. L’étude révèle l’influence différenciée de l’état d’éveil sur l’activité neuronale et hémodynamique à différentes fréquences, mettant en évidence la nécessité de prendre en compte l’état comportemental dans l’interprétation des signaux hémodynamiques.

Points forts de la recherche

1. Innovation technologique : Utilisation de la technique d’imagerie par tension à large champ combinée aux capteurs VSFP-Butterfly, permettant l’enregistrement simultané de l’activité de tension et des signaux hémodynamiques pour la première fois.

2. Impact complexe de l’état d’éveil : Révèle la régulation spatio-temporelle complexe de l’activité de tension et hémodynamique des réseaux corticaux par l’état d’éveil, démontrant des couplages différenciés sous différentes fréquences et états comportementaux.

3. Analyse régionale : Analyse spécifique des corrélations entre les signaux de tension et hémodynamiques et l’état d’éveil dans différentes régions corticales, pour une compréhension approfondie des réseaux fonctionnels.

Directions futures

Les recherches futures devraient explorer davantage l’impact des méthodes de déconvolution sur les signaux hémodynamiques du cerveau, en combinaison avec des technologies de suivi comportemental à des fréquences d’images plus élevées, pour capturer l’influence plus fine des variations comportementales sur l’activité corticale. De plus, il convient de se concentrer sur les stratégies de traitement des données après élimination des signaux globaux, afin de mieux comprendre la relation essentielle entre l’activité neuronale et les signaux hémodynamiques. Cette étude offre une nouvelle perspective pour comprendre la régulation dynamique des réseaux fonctionnels du cerveau par l’état d’éveil, soulignant la nécessité de considérer l’état comportemental et la dépendance à la fréquence dans les études d’imagerie neuronale.