Dans le cerveau, notre perception découle d’une interaction complexe de neurones reliés par des synapses. Mais le nombre et la force des connexions entre certains types de neurones peuvent varier. Des chercheurs de l’Hôpital universitaire de Bonn (UKB), du Centre médical universitaire de Mayence et de l’Université Ludwig-Maximilians de Munich (LMU), ainsi qu’une équipe de recherche de l’Institut Max Planck pour la recherche sur le cerveau à Francfort, dans le cadre du programme financé par le DFG Le programme prioritaire « Computational Connectomics » (SPP2041), a maintenant découvert que la structure des forces de connexion neuronales apparemment irrégulières contient un ordre caché. Ceci est essentiel pour la stabilité du réseau neuronal. L’étude vient d’être publiée dans la revue « PNAS ».
Il y a dix ans, la connectomique, c’est-à-dire la création d’une carte des connexions entre les quelque 86 milliards de neurones du cerveau, a été déclarée une étape future de la science. En effet, dans les réseaux neuronaux complexes, les neurones sont connectés les uns aux autres par des milliers de synapses. Ici, la force des connexions entre les neurones individuels est importante car elle est cruciale pour l’apprentissage et les performances cognitives. « Cependant, chaque synapse est unique et sa force peut varier dans le temps. Même les expériences qui ont mesuré le même type de synapse dans la même région du cerveau ont donné des valeurs différentes pour la force synaptique. Cependant, cette variabilité observée expérimentalement rend difficile la recherche de principes généraux sous-jacents. la fonction robuste des réseaux neuronaux », explique le professeur Tatjana Tchumatchenko, chef de groupe de recherche à l’Institut d’épileptologie expérimentale et de recherche cognitive de l’UKB et à l’Institut de chimie physiologique du Centre médical universitaire de Mayence, expliquant la motivation pour mener l’étude .
Mathématiques et laboratoire combinés à dessein
Dans le cortex visuel primaire (V1), les stimuli visuels transmis par l’œil via le thalamus, point de commutation des impressions sensorielles dans le diencéphale, sont d’abord enregistrés. Les chercheurs ont examiné de plus près les connexions entre les neurones qui sont actifs au cours de ce processus. Pour ce faire, les chercheurs ont mesuré expérimentalement la réponse conjointe de deux classes de neurones à différents stimuli visuels dans le modèle murin. En même temps, ils ont utilisé des modèles mathématiques pour prédire la force des connexions synaptiques. Pour expliquer leurs activités enregistrées en laboratoire de telles connexions de réseau dans le cortex visuel primaire, ils ont utilisé le soi-disant « réseau supralinéaire stabilisé » (SSN). « C’est l’un des rares modèles mathématiques non linéaires qui offre la possibilité unique de comparer l’activité théoriquement simulée avec l’activité réellement observée », déclare le professeur Laura Busse, chef de groupe de recherche au LMU Neurobiology. « Nous avons pu montrer que la combinaison du SSN avec des enregistrements expérimentaux des réponses visuelles dans le thalamus et le cortex de la souris nous permet de déterminer différents ensembles de forces de connexion qui conduisent aux réponses visuelles enregistrées dans le cortex visuel. »
La séquence entre les forces de connexion est la clé
Les chercheurs ont découvert qu’il y avait un ordre derrière la variabilité observée dans la force des synapses. Par exemple, les connexions des neurones excitateurs aux neurones inhibiteurs étaient toujours les plus fortes, tandis que les connexions inverses dans le cortex visuel étaient plus faibles. En effet, les valeurs absolues des forces synaptiques variaient dans la modélisation – comme elles l’avaient fait dans les études expérimentales précédentes – mais conservaient néanmoins toujours un certain ordre. Ainsi, les rapports relatifs sont cruciaux pour le cours et la force de l’activité mesurée, plutôt que les valeurs absolues.
Il est remarquable que l’analyse des mesures directes antérieures des connexions synaptiques ait révélé le même ordre de forces synaptiques que notre modèle de prédiction basé uniquement sur les réponses neuronales mesurées. »
Simon Renner, Ph.D., LMU Neurobiologie
Les enregistrements expérimentaux de Renner de l’activité corticale et thalamique ont permis de caractériser les connexions entre les neurones corticaux. « Nos résultats montrent que l’activité neuronale contient beaucoup d’informations sur la structure sous-jacente des réseaux neuronaux qui ne ressortent pas immédiatement des mesures directes des forces des synapses. Ainsi, notre méthode ouvre une perspective prometteuse pour l’étude des structures de réseau difficiles d’accès expérimentalement, » explique Nataliya Kraynyukova, Ph.D., de l’Institut d’épileptologie expérimentale et de recherche cognitive de l’UKB et de l’Institut Max Planck pour la recherche sur le cerveau à Francfort. Cette étude est le résultat d’une collaboration interdisciplinaire entre le laboratoire du professeur Busse et du professeur Tchumatchenko, qui ont travaillé en étroite collaboration, en s’appuyant sur l’expertise informatique et expérimentale de leurs laboratoires.
