Organisation mésoscopique des voies visuelles ventrales et dorsales chez le singe macaque révélée par IRMf 7T

Dans la revue 《Progress in Neurobiology》, une équipe de recherche de l’Institut de recherche interdisciplinaire en neurosciences et technologie et du service de neurochirurgie du deuxième hôpital affilié de l’Université de Zhejiang a publié un article intitulé 《Mesoscale organization of ventral and dorsal visual pathways in macaque monkey revealed by 7T fMRI》. Cet écrit révèle pour la première fois la complexe organisation mésoscopique des voies visuelles ventrales et dorsales chez le singe macaque et clarifie la coopération de ces domaines fonctionnels lors du traitement d’un unique stimulus visuel.

Introduction

Le système visuel est divisé en voies ventrale et dorsale, définition issue du modèle proposé initialement par Mishkin et ses collègues (Ungerleider et Mishkin, 1982 ; Mishkin et al., 1983). La voie ventrale traite principalement les informations visuelles nécessaires à la reconnaissance des objets, telles que la couleur, la luminosité et la forme, tandis que la voie dorsale gère les informations visuelles liées à la navigation et au mouvement, comprenant la coordination des mouvements de la main, comme savoir attraper une balle qui approche à une certaine direction et vitesse. Bien que les voies ventrales et dorsales soient sensibles aux indices visuels de mouvement et de distance, elles se différencient par leurs fonctions respectives.

Source de la recherche

Les principaux auteurs de cet article sont Jianbao Wang, Xiao Du, Songping Yao, Lihui Li, Hisashi Tanigawa, Xiaotong Zhang et Anna Wang Roe, tous affiliés à l’Université de Zhejiang. Leur étude a été publiée dans la revue 《Progress in Neurobiology》, avec une date de publication en ligne prévue pour le 1er février 2024.

Méthodologie et déroulement expérimental

Afin d’explorer le réseau visuel des macaques, l’équipe de recherche a développé une méthodologie d’IRMf à ultra-haut champ (7T), lui permettant de cartographier simultanément les réponses de deux ensembles de voies visuelles à un seul stimulus simple de couleur et de mouvement dans un singe macaque donné. Le déroulement de l’expérience est le suivant :

Étapes expérimentales

1. Défis techniques et préparation animale : Pour améliorer le rapport signal-bruit (SNR) et obtenir une haute résolution spatiale, l’équipe a utilisé une bobine RF (radiofréquence) sur mesure à 16 canaux, combinée avec un aimant 7T et des bobines RF multi-éléments. Tous les animaux (deux femelles adultes macaques) ont été anesthésiés et intubés avant l’expérimentation, puis reliés à un ventilateur pour assurer des conditions stables de scan.

2. Stimulus visuel et acquisition de données : Des grilles dérivantes de couleur à faible fréquence temporelle et des grilles dérivantes sans couleur à haute fréquence temporelle ont été utilisées pour provoquer des réponses spécifiques. Le stimulus visuel complet a été projeté sur un écran de projection, chaque stimulus durant 12 secondes, suivi d’un écran gris de luminosité constante pendant 24 secondes.

3. Traitement des données IRM : Une séquence EPI à écho de gradient a été utilisée pour l’acquisition des images fonctionnelles, et une séquence MPRAGE pondérée en T1 3D a été utilisée pour l’imagerie structurelle de l’ensemble du cerveau. Pour une analyse précise des données, le logiciel FreeSurfer a été utilisé pour améliorer les images, avec un lissage radial afin de supprimer le bruit tout en conservant une haute résolution spatiale.

Cartographie des domaines fonctionnels mésoscopiques

Grâce à l’IRMf 7T, l’équipe a pu identifier et cartographier des domaines fonctionnels dans les deux voies visuelles, tels que les bandes V2, les domaines de traitement des couleurs et de la luminosité V4, les cartes de direction du mouvement dans les régions MT et MST, et les domaines alternant couleur et direction du mouvement dans les régions V3 et V3A.

Bandes V2 et validation

La région V2 est connue pour contenir des bandes “fines”, “claires” et “épaisses” disposées à des intervalles périodiques. Les résultats de la cartographie IRMf ont montré les positions spatiales précises de ces bandes fonctionnelles en accord avec les images de coloration enzymatique au cytochrome oxydase.

Organisation mésoscopique des domaines de mouvement dans la voie dorsale

Dans la voie visuelle dorsale, les chercheurs ont découvert que les domaines fonctionnels dans les régions MT et MST montraient des cartes de réponse à la direction du mouvement, soutenant davantage les capacités de traitement de mouvements complexes de ces régions. De plus, les régions V3d et V3A ont respectivement montré des domaines alternants pour la couleur et le mouvement, avec une organisation spatiale cohérente avec celle du système visuel humain dans ces régions.

Principaux résultats et importance

Valeur scientifique et applicative

Cette étude ne révèle pas seulement l’organisation fonctionnelle complexe des voies visuelles chez les macaques, mais améliore également notre compréhension de la façon dont ces voies coordonnent le traitement des informations visuelles. Elle apporte de nouveaux éclairages sur les bases fonctionnelles du cerveau dans la cognition visuelle et l’action.

Points forts et innovations

1. Méthode innovante : Utilisation de l’IRMf 7T avec une bobine RF à 16 canaux, permettant une cartographie des domaines fonctionnels à haute résolution spatiale sur une grande étendue du champ visuel.
2. Organisation mésoscopique inter-régionale : Première démonstration de la disposition des domaines fonctionnels dans plusieurs régions des voies visuelles des macaques au sein d’un seul individu, offrant une nouvelle perspective sur le traitement des informations visuelles.

Applications potentielles

Des recherches futures peuvent utiliser ces résultats pour développer des techniques de stimulation cérébrale plus précises et des dispositifs d’interface cerveau-machine, explorant et exploitant davantage les bases neuronales du traitement des informations visuelles. De plus, la méthodologie et les découvertes présentées dans cette étude possèdent un large potentiel d’application dans d’autres recherches en neurosciences, notamment dans l’étude des réseaux cérébraux complexes et de leurs connexions fonctionnelles. Dans l’ensemble, en révélant l’organisation détaillée des domaines fonctionnels du système visuel, cette recherche fournit des données fondamentales et des outils de recherche importants pour les scientifiques et les cliniciens.