Pour tous les animaux, le traitement sensoriel est une question de survie. La vue, l'odorat, le toucher, le goût et l'ouïe : la coordination de ces sens les aide à trouver de la nourriture, à retourner à l'abri et à échapper au danger.
David Kleinfeld, professeur émérite de physique et de neurobiologie à l'Université de Californie à San Diego, est un expert de premier plan dans le domaine du traitement sensoriel et des mouvements de la bouche, du visage et de la tête. Grâce à un processus hautement compétitif, une nouvelle subvention de 21 millions de dollars des National Institutes of Health (NIH) lui permettra, ainsi qu'à une équipe de chercheurs, de continuer à étudier la coordination de multiples entrées sensorielles et des mouvements de la tête en utilisant des souris et des rats de laboratoire.
Les NIH L'initiative Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) soutient la recherche scientifique qui permettra de découvrir une nouvelle image dynamique du cerveau montrant comment les cellules individuelles et les circuits neuronaux complexes interagissent dans le temps et dans l'espace. L'équipe de Kleinfeld a été l'une des rares à recevoir des subventions de l'initiative cette année.
Cette subvention du NIH est une formidable réussite qui met en valeur l'immense talent de nos professeurs pour la recherche innovante et la collaboration entre les universités et les disciplines. Le travail de David nous rapprochera encore plus de l'un des grands mystères de l'univers : le cerveau. »
Chancelier Pradeep K. Khosla, Université de Californie à San Diego
Rétro-ingénierie du cerveau
Il y a plus de dix ans, Kleinfeld et ses collègues ont commencé à étudier les vibrisses des rats et les circuits nerveux sous-jacents. Ils ont découvert que les nerfs moteurs qui déplacent les vibrisses sont distincts des nerfs sensoriels qui reçoivent le signal de l'environnement, même si les deux sont parfaitement synchronisés.
Au cours des dix années suivantes, grâce à une série de recherches, l'équipe a pu étudier en détail les circuits neurologiques. Ils ont appris que le mouvement des vibrisses, ainsi que le léchage de la langue (qui peut agir comme une sorte de main à un doigt chez les rongeurs), étaient finalement coordonnés par le complexe pré-Bötzinger, une région du tronc cérébral qui régule également la respiration.
Cette coordination se produit sous la forme d'une hiérarchie de contrôles, et la recherche financée par le NIH examinera l'hypothèse selon laquelle les mouvements du visage et de la tête des rongeurs sont contrôlés à la fois par une activité cérébrale d'ordre faible et d'ordre élevé. Au niveau bas, une série d'oscillateurs en interaction dans le tronc cérébral contrôlent les sensations associées à la tête, tandis qu'un contrôle de haut niveau associé au cortex moteur ajuste avec précision le mouvement relatif de la tête, de la langue et des vibrisses.
« Ce que nous espérons accomplir au final, c'est obtenir une image du contrôle moteur qui permet aux rats de coordonner toutes ces entrées sensorielles, et comment ils utilisent les signaux sensoriels dans une boucle de rétroaction pour améliorer cette coordination », a déclaré Kleinfeld.
La proposition de subvention est divisée en cinq modules, chacun dirigé par une équipe de recherche différente et chacun étudiant un aspect différent du système de traitement sensoriel du rat qui, une fois combinés, fourniront une compréhension plus claire des neurocircuits sous-jacents.
- Kleinfeld continuera d'étudier la moelle allongée, la partie du cerveau postérieur où se trouve le complexe pré-Bötzinger, et la manière dont la rétroaction d'ordre supérieur ajuste le mouvement.
- David Golomb, de l'Université Ben Gourion du Néguev (Israël), utilisera la dynamique des circuits pour modéliser la biomécanique des organes sensoriels comme les vibrisses et la langue.
- Fan Wang, du Massachusetts Institute of Technology, étudiera les circuits utilisés pour contrôler les mouvements de la mâchoire et de la langue, en particulier les différents mouvements associés au léchage et à la mastication.
- Michael Economo, de l'Université de Boston, utilisera l'imagerie moléculaire des protéines présentes dans les neurones pour mieux cartographier la manière dont les régions de synchronisation d'ordre élevé communiquent avec les oscillateurs d'ordre faible.
- Daniel O'Connor, de l'Université Johns Hopkins, étudiera comment la synchronisation complexe est définie dans le cortex moteur dans une série de mouvements et comment cela affecte les mouvements d'ordre inférieur.
La subvention est axée sur la science fondamentale et Kleinfeld espère qu’à la fin de la décennie, l’équipe aura développé quelques principes fondamentaux qui affineront notre compréhension actuelle des neurocircuits grâce à l’ingénierie inverse.
Lors de la construction d'un appareil électronique, les ingénieurs s'appuient sur les principes de la science des matériaux, de la thermodynamique et de l'électricité pour créer un produit utile. En ce qui concerne le cerveau, nous disposons d'un produit complexe et hautement fonctionnel, mais nous ignorons encore beaucoup de choses sur son fonctionnement et ses raisons.
« Je dirais que c'est un peu comme déconstruire des circuits. Je n'essaie pas de transformer un cerveau vivant en machine, mais à un certain niveau, la métaphore fonctionne », a déclaré Kleinfeld. « On vous présente des comportements et vous voulez remonter dans le temps pour comprendre le câblage qui génère ces comportements à partir du flux d'informations sensorielles. C'est ce que nous essayons de faire. »
