Cartographie de l’ensemble du cerveau des entrées et sorties des neurones spécifiques du cortex orbitofrontal chez la souris

La recherche sur le cerveau de la souris a toujours été un sujet important en neurosciences, en particulier les études sur le cortex orbitofrontal (ORB). L’ORB joue un rôle clé dans le traitement des récompenses, la prise de décision, la flexibilité comportementale et la régulation émotionnelle. Ces dernières années, il a été découvert que les dysfonctionnements de l’ORB sont souvent liés à diverses maladies mentales et neurologiques, telles que la dépression, les troubles obsessionnels-compulsifs et les troubles de l’usage de substances. Grâce aux recherches sur l’ORB, les scientifiques espèrent mieux comprendre ses fonctions en états normaux et pathologiques.

Cet article est rédigé par les auteurs principaux Yijie Zhang, Wen Zhang, Lizhao Wang et al., et est réalisé conjointement par des chercheurs des institutions telles que le Centre d’excellence en sciences du cerveau et en technologie intelligente de l’Académie chinoise des Sciences, le Centre de recherche sur les neurosciences et la technologie inspirée du cerveau de l’Université Fudan, et l’Institut de cartographie cérébrale de Suzhou de l’Université des sciences et technologies de Huazhong. Cette étude a été publiée dans “Neurosci. Bull.” en décembre 2023.

Contexte de la recherche et motivation

Les auteurs indiquent d’abord que les neurones de l’ORB projettent vers plusieurs régions du cerveau, y compris le cortex cérébral, le thalamus, l’amygdale, le striatum et l’hypothalamus. Les différentes voies de projection spécifiques de l’ORB montrent des différences fonctionnelles significatives. Par exemple, la projection de l’ORB vers la région motrice secondaire (MOS) médie l’association action-résultat apprise, tandis que la projection vers le striatum dorsal joue un rôle important dans la conduite des actions basées sur les changements de valeur.

Bien que des études antérieures aient utilisé des traceurs de rétrogradation pour examiner les afférences corticales et thalamiques de l’ORB, les modèles d’entrée des neurones spécifiques de projection de l’ORB ne sont toujours pas clairs. De plus, l’ORB est divisé en plusieurs sous-régions, telles que l’orbite latérale (ORB-L), l’orbite médiale (ORB-M) et l’orbite ventrolatérale (ORB-VL). L’hétérogénéité fonctionnelle des différentes sous-régions a été révélée par des méthodes comportementales, pharmacologiques, physiologiques et d’optogénétique/génétique chimique, mais la distribution des neurones inhibiteurs ciblant des sous-régions spécifiques de l’ORB nécessite encore des recherches approfondies.

Méthodologie de recherche et processus

Les chercheurs ont effectué une cartographie complète du cerveau des souris pour révéler les entrées de cinq types de neurones spécifiques de projection de l’ORB, ainsi que les sorties vers deux types de neurones inhibiteurs recevant les projections de l’ORB.

Modèles animaux et injections virales

L’étude a utilisé des souris mâles adultes (2-4 mois), y compris des lignées C57BL/6, PV-Cre, SST-Cre ainsi que des souches hybrides, en injectant des virus dans des régions cérébrales spécifiques pour tracer les connexions neuronales. Pendant la chirurgie, les souris étaient anesthésiées et fixées dans un stéréotaxie pour petits animaux, une trépanation ayant été effectuée au site d’injection virale sur l’hémisphère gauche.

Stratégie virale

Les chercheurs ont utilisé des techniques de traçage rétrograde monosynaptique et de traçage viral trans-synaptique antérograde pour injecter des virus dans cinq régions cérébrales : Visp, VTA, BLA, CP et MOS. Un mélange de virus rétrogrades et d’aide a été injecté pour marquer les neurones spécifiques de projection de l’ORB et faire exprimer des récepteurs et des protéines spécifiques par ces neurones. Le virus rabique modifié a ensuite été injecté pour infecter les neurones de l’ORB exprimant les récepteurs et se propager rétrogradement aux cellules présynaptiques.

Pour déterminer la connectivité fonctionnelle des projections neuronales spécifiques, les chercheurs ont utilisé l’optogénétique, en stimulant au laser les terminaisons axonales dans des régions cérébrales spécifiques et en enregistrant les réponses électrophysiologiques des cellules postsynaptiques.

Analyse de données

Le traitement et l’analyse des données incluaient la préparation des tranches, l’enregistrement, le traitement histologique, ainsi que l’imagerie et la quantification des tranches cérébrales complètes. Toutes les données ont été analysées à l’aide de packages logiciels personnalisés, incluant des modules d’enregistrement d’images, de détection de signaux et de quantification/visualisation.

Dans le processus de cartographie, les chercheurs ont préparé des tranches de 50 μm d’épaisseur après fixation, ont réalisé des images au microscope, puis les ont alignées avec l’atlas du cerveau de la souris Allen et ont détecté et quantifié manuellement les positions des cellules marquées.

Analyse statistique

Les preuves expérimentales ont été analysées afin de déterminer les proportions des entrées et des sorties. Les analyses statistiques ont été réalisées avec GraphPad Prism, en utilisant l’analyse de variance à mesures répétées (ANOVA) et le test du signe de Wilcoxon pour déterminer les significations statistiques.

Principaux résultats de l’étude

Entrées cérébrales complètes des neurones spécifiques de projection de l’ORB

L’étude a révélé que les neurones spécifiques de projection de l’ORB proviennent principalement des inputs de la moelle cérébrale et du thalamus. Bien que les types de projections d’entrées des neurones de l’ORB soient similaires, il existe des différences quantitatives dans certaines régions. En particulier, les neurones projetant vers le MOS reçoivent plus d’entrées du MOS, tandis que les neurones projetant vers le BLA reçoivent plus d’entrées du cortex moteur primaire.

Sorties des sous-régions spécifiques de l’ORB vers les neurones inhibiteurs

Grâce à la technique de traçage viral trans-synaptique antérograde, les chercheurs ont cartographié les sorties des neurones des sous-régions de l’ORB vers les neurones inhibiteurs PV et SST. L’étude a montré que les neurones de l’ORB ciblent les neurones PV et SST dans de nombreuses régions du cerveau, avec des différences significatives entre les trois sous-régions de l’ORB. En particulier, les neurones de la sous-région médiale (ORB-M) projettent de manière plus significative vers les neurones SST, en particulier dans les régions sensorielles, l’hippocampe, l’amygdale et la région latérale de l’hypothalamus.

Conclusions et implications

Grâce à cette étude, les scientifiques ont déterminé les entrées cérébrales complètes des neurones spécifiques de projection de l’ORB et les sorties des sous-régions de l’ORB vers les neurones inhibiteurs. Cela fournit une base anatomique importante pour des études futures sur l’organisation fonctionnelle des circuits de l’ORB et est essentiel pour comprendre son rôle dans les associations de récompenses, l’apprentissage et le comportement flexible.

En particulier, l’étude met en évidence la possible hétérogénéité fonctionnelle des projections de l’ORB vers les neurones inhibiteurs spécifiques dans la régulation du traitement neural et du comportement. Par exemple, les neurones de l’ORB forment des connexions excitatrices monosynaptiques directes avec les neurones PV (ou SST) dans le striatum, ce qui pourrait révéler dans des recherches futures le rôle des circuits de l’ORB dans le comportement décisionnel perceptif.

Points forts de la recherche

Les points forts de cette recherche incluent : 1. Cartographie étendue des entrées et sorties : La révélation des entrées de cinq types de neurones spécifiques de projection de l’ORB et des sorties de trois sous-régions de l’ORB, fournissant des données anatomiques complètes. 2. Validation de la connectivité fonctionnelle des neurones : La validation des connexions fonctionnelles entre les neurones de l’ORB et les neurones inhibiteurs spécifiques à travers l’imagerie de tranches cérébrales complètes et la technique d’optogénétique électrophysiologique ; 3. Diversité des méthodes de recherche : L’intégration des techniques de traçage viral, d’imagerie histologique, d’analyse de données et d’optogénétique, offrant un support complet au processus de recherche.

Perspectives de recherche future

Cette étude fournit une base pour des investigations futures approfondies sur le rôle des circuits de l’ORB dans des tâches et des comportements spécifiques. Les recherches futures pourraient davantage explorer la connectivité fonctionnelle entre l’ORB et les neurones PV et SST dans des comportements spécifiques, afin de mieux comprendre le rôle de l’ORB dans les fonctions cognitives et les états pathologiques. Cette recherche apporte des preuves expérimentales anatomiques riches basées sur des expériences in vitro pour comprendre l’organisation fonctionnelle de l’ORB dans le cerveau de la souris et a une valeur scientifique et appliquée importante.