Relier le projectome à l'échelle du cerveau à la dynamique neuronale dans le cerveau de la souris

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Introduction

Le cerveau est composé de différents types de neurones, qui forment des réseaux neuronaux complexes par le biais de connexions synaptiques locales et longues. Comprendre la fonction de ces réseaux neuronaux nécessite de comprendre leurs schémas de connexion (projectome) et la dynamique neuronale (dynamique neuronale). Bien que le développement des techniques de connectomique à l’échelle mésoscopique et d’imagerie fonctionnelle à résolution cellulaire ait permis de révéler l’organisation structurelle ou fonctionnelle des neurones dans différentes régions cérébrales, obtenir à la fois l’activité neuronale et le connectome de tout le cerveau pour un même neurone reste un défi, surtout pour les neurones sous-corticaux.

Présentation des sources

Cet article a été co-rédigé par des membres des équipes de recherche de Xiang Li, Yun Du, Jiang-Feng Huang, et autres, provenant d’institutions telles que Huazhong University of Science and Technology, l’Academia Sinica chinoise, et d’autres. L’article a été publié en janvier 2024 dans le « Neuroscience Bulletin ».

Objectifs de la recherche et méthodes

Objectifs de la recherche

L’objectif principal de cette recherche est de relier le connectome de tout le cerveau à la dynamique neuronale, en résolvant le problème d’obtenir simultanément l’activité d’un même neurone et son schéma de projection cérébrale complet. La recherche se concentre sur le cerveau de souris, y compris plusieurs régions corticales et sous-corticales comme le cortex somatosensoriel, l’hippocampe dorsal et la substantia nigra pars compacta.

Méthodes de recherche

Plusieurs techniques ont été utilisées dans cette étude, y compris l’imagerie par microscopie in vivo et la technologie de tomographie par imagerie optique à fluorescence à haute résolution (fMOST), pour cartographier les schémas de projection cérébrale complets des neurones fonctionnels reliés dans le cortex somatosensoriel, l’hippocampe dorsal et la substantia nigra pars compacta. Une stratégie a également été développée pour identifier les sous-types de neurones définis moléculairement, afin de lier le connectome de tout le cerveau à la dynamique neuronale.

Étapes détaillées

  1. Préparation des expériences animales : Des souris mâles C57BL/6J et DAT-Cre de 6 à 13 semaines ont été utilisées pour les expériences, avec une période d’attente de 6 à 7 semaines après injection virale pour permettre l’expression virale.
  2. Opérations virales et chirurgicales : Plusieurs virus AAV ont été utilisés pour l’infection, y compris l’AAV2/8-CamKII-Cre et l’AAV2/9-hEF1a-DIO-eYFP-WPRE-PA. Les injections cérébrales ont été réalisées à l’aide d’un système de stéréotaxie standard.
  3. Expériences sur le cortex somatosensoriel (S1BF) : Une injection virale a été effectuée dans la couche L2/3 du cortex somatosensoriel, suivie du marquage et de l’imagerie. La stimulation tactile des souris a été effectuée par stimulation par flux d’air et par mouvements de murs, avec enregistrement de la dynamique du calcium des neurones.
  4. Expériences sur l’hippocampe dorsal (dCA1) : Une injection virale mixte a été effectuée dans la région dCA1, avec imagerie in vivo via des lentilles GRIN pour enregistrer la réponse neurale aux chocs électriques appliqués sur les pieds.
  5. Expériences sur la substantia nigra pars compacta (SNC) : Une injection virale et implantation de lentilles GRIN ont été réalisées dans la SNC, avec enregistrement de la dynamique du calcium des neurones dopaminergiques marqués spécifiquement.

Principaux résultats

Aperçu des résultats

  1. Cortex somatosensoriel (S1BF) :

    • Par imagerie à deux photons et fMOST, l’équipe de recherche a analysé la réponse de 61 neurones de la couche L2/3 du S1BF à la stimulation tactile, dont 8,2 % ont montré une réponse.
    • Leur imagerie de tout le cerveau enregistrant ces neurones a révélé des schémas de projection cérébrale différents pour chaque neurone.

  2. Hippocampe dorsal (dCA1) :

    • 30 neurones dCA1 ont été enregistrés, montrant différents schémas de réponse aux chocs électriques appliqués sur les pieds, avec certains neurones excités, d’autres inhibés, et certains non réactifs.
    • Une analyse morphologique détaillée et un enregistrement des neurones dans la région dCA1 ont été réalisés en utilisant fMOST et la microscopie optique adaptative.

  3. Substantia nigra pars compacta (SNC) :

    • Sept neurones dopaminergiques de la SNC ont été marqués spécifiquement et leur dynamique du calcium a été enregistrée, montrant des schémas de projection corrélés avec la région cible du cerveau.
    • Une imagerie complète du cerveau avec fMOST a été réalisée pour analyser ces neurones et leurs projections.

Analyse des données

  • Des algorithmes variés ont été utilisés pour le traitement des images et l’enregistrement des cellules, incluant l’enregistrement d’images basé sur la distribution vasculaire et la trajectoire des lentilles GRIN, ainsi que la méthode de correction de la microscopie adaptative basée sur le mode de Zernike.
  • En analysant les schémas de réponse des neurones et leur zone de projection, les schémas de projection cérébrale des neurones définis fonctionnellement ont été révélés.

Conclusions et significations

Conclusion

La méthodologie développée dans cet article relie efficacement le connectome de tout le cerveau à la dynamique neuronale et, pour la première fois, atteint cet objectif dans les régions corticales et sous-corticales. Les résultats montrent que même avec des schémas de projection similaires, les neurones peuvent afficher une hétérogénéité fonctionnelle. Cette découverte apporte de nouvelles idées pour comprendre l’organisation fonctionnelle du cerveau.

Valeur et importance

  1. Valeur scientifique : Les résultats de cette étude sont d’une grande importance pour révéler les principes fonctionnels des réseaux neuronaux, offrant une nouvelle méthode pour comprendre comment le cerveau s’organise fonctionnellement grâce à des schémas de connexion complexes.
  2. Valeur appliquée : Les techniques d’imagerie et d’analyse développées peuvent s’appliquer non seulement à la recherche fondamentale, mais aussi à la recherche clinique en neurosciences, fournissant de nouveaux outils et méthodes pour révéler les mécanismes neuropathologiques.

Points forts de la recherche

  1. Novation : Relier pour la première fois le connectome de tout le cerveau à la dynamique neuronale, en particulier pour les neurones sous-corticaux.
  2. Innovation méthodologique : Utilisation de technologies de pointe variées, incluant l’imagerie in vivo, la microscopie optique adaptative et l’imagerie à haute résolution fMOST, pour réaliser une analyse complète des neurones définis fonctionnellement et moléculairement.
  3. Large application : Les méthodes et stratégies développées peuvent être largement appliquées à différents types de neurones et recherches fonctionnelles, ouvrant la voie à de nouvelles directions dans la recherche en neurosciences.

Autres informations précieuses

La recherche a été financée par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et le projet majeur d’innovation technologique de 2030 en Chine, impliquant la collaboration de plusieurs institutions de recherche. L’équipe de recherche exprime sa reconnaissance aux nombreux chercheurs et techniciens pour leur soutien et leurs contributions. Cette recherche non seulement fait progresser les études en neurosciences, mais fournit également des données ouvertes et des codes pour d’autres chercheurs afin qu’ils puissent explorer et vérifier davantage.

Cet article démontre, par une conception expérimentale détaillée et une analyse des données, la possibilité et la méthodologie d’associer le connectome de tout le cerveau à la dynamique neuronale, offrant une référence importante et un modèle pour les futures recherches en neurosciences.