Les chercheurs génèrent une carte précise de la connectivité des noyaux gris centraux

Des milliers de nos activités quotidiennes, de la préparation du café à la promenade en passant par le bonjour à un voisin, sont rendues possibles grâce à une ancienne collection de structures cérébrales nichées près du centre du crâne.

L’amas de neurones connu sous le nom de noyaux gris centraux est une plaque tournante centrale pour la régulation d’un vaste éventail de fonctions motrices et comportementales de routine. Mais lorsque la signalisation dans les noyaux gris centraux est affaiblie ou brisée, des mouvements débilitants et des troubles psychiatriques peuvent apparaître, notamment la maladie de Parkinson, le syndrome de Tourette, le trouble déficitaire de l’attention avec hyperactivité (TDAH) et le trouble obsessionnel-compulsif.

Malgré son importance centrale dans le contrôle du comportement, les chemins spécifiques et détaillés à travers lesquels les informations circulent des noyaux gris centraux vers d’autres régions du cerveau sont restés mal tracés. Désormais, des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego, du Zuckerman Institute de l’Université Columbia et leurs collègues ont généré une carte précise de la connectivité cérébrale à partir du plus grand noyau de sortie des noyaux gris centraux, une zone connue sous le nom de substantia nigra pars reticulata, ou SNr. Les résultats offrent un plan de l’architecture de la région qui a révélé de nouveaux détails et un niveau d’influence surprenant lié aux noyaux gris centraux.

Les résultats, dirigés par la chercheuse adjointe du projet Lauren McElvain et réalisés dans le laboratoire de neurophysique du professeur David Kleinfeld de l’UC San Diego, et le laboratoire du chercheur principal du Zuckerman Institute Rui Costa, sont publiés le 5 avril dans la revue Neurone.

La recherche établit une nouvelle compréhension de la position des noyaux gris centraux dans la hiérarchie du système moteur. Selon les chercheurs, les voies nouvellement identifiées émergeant de la carte de connectivité pourraient potentiellement ouvrir des voies supplémentaires pour l’intervention de la maladie de Parkinson et d’autres troubles liés aux noyaux gris centraux.

Avec la carte de circuit détaillée en main, nous pouvons désormais planifier des études pour identifier les informations spécifiques véhiculées par chaque voie, comment ces informations impactent les neurones en aval pour contrôler le mouvement et comment le dysfonctionnement de chaque voie de sortie conduit aux divers symptômes des maladies des noyaux gris centraux. « 

Lauren McElvain, assistante scientifique de projet

Avec le soutien de la recherche sur le cerveau des NIH grâce à l’avancement des neurotechnologies innovantes^® (BRAIN) Initiative, les chercheurs ont développé le nouveau modèle de travail chez la souris en appliquant un ensemble d’outils de neurosciences modernes qui combine des techniques de génétique, de traçage de virus, d’imagerie microscopique automatisée de l’anatomie du cerveau entier et de traitement d’image. Les résultats ont révélé de nouvelles perspectives surprenantes sur l’étendue des connexions.

« Ces résultats sont un exemple de la façon dont les chercheurs soutenus par l’Initiative BRAIN utilisent les derniers outils de cartographie cérébrale pour changer de manière fondamentale notre compréhension de la façon dont les connexions dans les circuits du cerveau sont organisées », a déclaré John J. Ngai, directeur de la Initiative BRAIN du NIH.

Des travaux antérieurs avaient souligné que l’architecture des noyaux gris centraux est dominée par une boucle fermée avec des projections de sortie se connectant aux structures d’entrée. La nouvelle étude révèle que le SNr diffuse même à des niveaux inférieurs du système moteur et comportemental. Cela comprend un grand ensemble de régions du tronc cérébral avec des connexions directes à la moelle épinière et aux noyaux moteurs qui contrôlent les muscles via un petit nombre de connexions intermédiaires.

«Les nouvelles découvertes menées par le Dr McElvain offrent une leçon importante sur le contrôle moteur», a déclaré Kleinfeld, professeur à la Division des sciences biologiques (Section de neurobiologie) et à la Division des sciences physiques (Département de physique). « Le cerveau ne contrôle pas le mouvement par une hiérarchie de commandes, comme les« réseaux neuronaux »des voitures autonomes, mais par un système de gestion intermédiaire qui dirige la puissance motrice tout en informant les planificateurs exécutifs. »

Remarquablement, selon les chercheurs, les neurones SNr qui se projettent vers les bas niveaux du système moteur ont des axones ramifiés qui se projettent simultanément vers les régions cérébrales responsables du contrôle et de l’apprentissage d’ordre supérieur. De cette manière, la connectivité nouvellement décrite des neurones SNr relie fondamentalement les opérations à travers les niveaux élevés et bas du cerveau.

«Le fait que les neurones de sortie des noyaux gris centraux se projettent vers des noyaux cérébraux spécifiques en aval, mais diffusent également ces informations vers les centres moteurs supérieurs, a des implications sur la manière dont le cerveau choisit les mouvements à effectuer dans un contexte particulier, et aussi sur la manière dont il apprend quelles actions à l’avenir », a déclaré Costa, professeur de neurosciences et de neurologie au Vagelos College of Physicians and Surgeons de Columbia, ainsi que directeur et chef de la direction du Zuckerman Institute.