ONIX : Une plateforme open-source pour l’enregistrement et l’intervention neuronale multimodale dans des comportements naturels

Contexte et importance de la recherche

Ces dernières années, le domaine des neurosciences a connu des progrès significatifs dans les technologies d’enregistrement de populations neuronales à grande échelle et l’étude des comportements animaux. Cependant, il existe toujours un conflit entre ces deux besoins. Afin d’obtenir des données neuronales de haute qualité, de nombreuses études utilisent des méthodes expérimentales fixant la tête de l’animal, ce qui limite l’expression naturelle de leur comportement. Pourtant, de plus en plus de recherches révèlent des divergences significatives entre l’activité neuronale enregistrée en contexte comportemental naturel et celle observée dans des situations expérimentales fixées. Par exemple, les comportements moteurs influencent l’activité de certaines régions cérébrales supposées principalement sensorielles, et les stratégies d’apprentissage diffèrent nettement entre les états fixes et en mouvement libre. Ces découvertes mettent en évidence la nécessité absolue de mener des enregistrements neuronaux dans des contextes comportementaux naturels pour étudier des fonctions complexes du cerveau telles que les interactions sociales, l’apprentissage et la cognition.

Les méthodes d’enregistrement traditionnelles utilisent souvent des dispositifs encombrants et des câbles qui non seulement limitent les mouvements des animaux, mais rendent également difficile l’enregistrement de longues durées ou dans de grands espaces. Cela représente un défi particulièrement important pour de petits animaux de laboratoire tels que les souris. Ainsi, concevoir un système d’acquisition de données léger et efficace permettant d’enregistrer des données neuronales au cours de longues périodes, tout en conservant la liberté du comportement, s’avère crucial pour faire progresser la recherche en neurosciences.

Pour relever ce défi, une équipe de chercheurs issus d’institutions telles que le Massachusetts Institute of Technology (MIT), l’Allen Institute, et le HHMI Janelia Research Campus, a développé une plateforme appelée ONIX. Il s’agit d’un système d’acquisition de données open-source conçu pour l’enregistrement et l’intervention neuronale en conditions naturelles.

Origine de l’article

Cette recherche a été menée par Jonathan P. Newman, Jie Zhang, Nicholas J. Miller et leurs collègues. L’équipe fait partie de diverses institutions du MIT, notamment le département des sciences cérébrales et cognitives, le Picower Institute for Learning and Memory, et le McGovern Institute for Brain Research. Cet article a été publié en janvier 2025 dans la revue Nature Methods (volume 22, pages 187-192, DOI : 10.1038/s41592-024-02521-1).

Déroulement du travail de recherche

L’article présente le développement, les caractéristiques techniques et la validation expérimentale de la plateforme ONIX. Le travail est structuré en plusieurs étapes principales :

1. Conception et développement du système ONIX

Le système ONIX repose sur une plateforme open-source, modulaire et extensible, visant à réduire les interférences de l’enregistrement neuronal sur le comportement libre. Les principaux modules architecturaux sont les suivants : - Normes matérielles et interfaces : Utilisation de normes matérielles ouvertes (Open Neuro Interface, ONI) et d’une interface API (Application Programming Interface) permettant la communication et la synchronisation des données entre divers dispositifs. - Câble micro-coaxial : Avec un diamètre de seulement 0,31 mm et un poids d’environ 0,37 g par mètre, ce câble réduit considérablement le couple exercé sur la tête de l’animal par rapport au câble standard de 3 mm de diamètre, diminuant ainsi les interférences comportementales. - Dispositif anti-torsion motorisé : Intègre un capteur à neuf axes pour calculer en temps réel l’angle de rotation de la tête de l’animal, permettant à un petit moteur d’éliminer la torsion du câble sans nécessiter de mesure de couple supplémentaire.

2. Compatibilité et configuration matérielle

ONIX est compatible avec une variété de dispositifs d’acquisition de données, notamment : - Électrodes neuronales et sondes Neuropixels : Utilisées respectivement pour les enregistrements électriques passifs et les enregistrements neuronaux à haute densité. - Microscopes miniatures : Tels que les miniscopes développés par UCLA. - Caméras et capteurs de suivi 3D : Permettant la capture en temps réel de la position et de la posture de la tête des animaux.

Lors des expériences, ONIX intègre également divers capteurs et actionneurs, comme des stimulateurs optiques, des unités de mesure inertielle (IMU) à neuf axes, et des pilotes de diodes à LED ou laser.

3. Validation expérimentale en comportement et enregistrement neuronal

a) Expériences longues

Les chercheurs ont testé ONIX au cours d’enregistrements de 8 heures sur des souris en liberté. Le terrain d’expérimentation mesurant 1,5 m × 1,5 m × 0,5 m était constitué de blocs de mousse hexagonaux, permettant diverses activités naturelles, telles que courir, grimper et sauter.

En comparant les câbles légers d’ONIX avec les câbles traditionnels, les souris équipées d’ONIX ont montré un comportement d’exploration significativement accru, avec une entropie des trajectoires spatiales et des orientations de la tête proches de celles des souris non implantées.

b) Corrélation entre comportement naturel et activité neuronale

ONIX a permis d’enregistrer les variations d’activité neuronale liées à des comportements spécifiques, comme les sauts. Par exemple, dans le cortex cérébral, l’activité neuronale affichait des motifs significatifs lors d’un comportement de saut particulier. Les tests ont également confirmé l’absence de mouvement cérébral accru pendant des mouvements rapides ou des sauts.

c) Enregistrements de sommeil sur plusieurs jours

Pour évaluer la stabilité à long terme d’ONIX, les chercheurs ont effectué des expériences continues de 55 heures sur des souris dans un environnement en grande cage. Cela incluait l’enregistrement de l’activité neuronale à travers différentes phases de sommeil, démontrant que le système pouvait maintenir la continuité sans torsion des câbles tout en fournissant des données fiables.

4. Intégration et visualisation de données

Grâce à sa conception ouverte basée sur des API, ONIX permet l’intégration de diverses sources de données sur des logiciels open-source comme Bonsai. L’équipe a également intégré des outils de suivi comportemental temps réel reposant sur l’apprentissage profond, comme DeepLabCut et SLEAP, vérifiant ainsi la compatibilité fonctionnelle d’ONIX tout en offrant une précision élevée dans le suivi dynamique des interactions entre comportements et activités neuronales.

Résultats de l’étude

Cette étude a démontré les capacités d’ONIX à enregistrer des données neuronales de haute qualité sur de longues périodes dans un contexte comportemental naturel. Les principales conclusions sont les suivantes : 1. Enregistrements neuronaux dans des comportements naturels : ONIX permet des enregistrements de longue durée sans interférer avec le comportement libre, une avancée rare parmi les systèmes existants. 2. Design à couple nul pour la rotation de la tête : Le design d’ONIX réduit significativement les effets limitant la liberté comportementale observés avec les systèmes traditionnels. 3. Compatibilité et extensibilité : Grâce à son interface ouverte, ONIX peut intégrer diverses technologies actuellement utilisées, comme les sondes Neuropixels, les miniscopes et les modules de caméras.

Importance et valeur de la recherche

La conception d’ONIX ouvre de nouvelles perspectives pour les neurosciences : 1. Valeur scientifique : Cette approche souligne l’importance de la restitution des comportements naturels dans la conception des expériences en neurosciences, favorisant une meilleure compréhension des interactions sociales, de l’apprentissage et de la cognition. 2. Valeur applicative : ONIX offre une plateforme matérielle universelle permettant aux scientifiques de développer des expériences neuronales et comportementales hautement flexibles et précises. 3. Milestone pour les outils scientifiques open-source : Le design entièrement open-source d’ONIX favorise la collaboration internationale tout en réduisant les barrières à la création d’équipements scientifiques personnalisés dans les laboratoires.

En somme, cette étude présente un outil scientifique révolutionnaire qui comble une lacune technologique dans l’enregistrement neuronal en milieu naturel, offrant ainsi un support crucial pour les futures avancées dans les sciences biologiques et cognitives.