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Article.
Modèles du cortex sensoriel chez le
rat
Jean-Paul
Baquiast 17/05/2015
Image.
Cortex sensoriel du rat. En haut, divers types
de neurones et d'axones. En bas, relations
neuronales entre minicolonnes. celles-ci sont
simulées par des cercles superposés.
Les axones sont en rouge, les dendrites de
différentes couleurs selon le type
de neurones étudiés.Crédit
Max Planck Institute.
Une
équipe internationale ( Max Planck
Institute for Biological Cybernetics (Germany),
VU University Amsterdam (Netherlands) and
Max Planck Florida Institute for Neuroscience
(U.S.)
a modélisé en 3D les colonnes
corticales (dites aussi minicolonnes) intéressant
le cortex sensoriel d'un rat (en fait d'une
quinzaine de rats).
Ce
travail suggère que les neurones intéressés
s'interconnectent dans la cerveau en traversant
horizontalement ces mini-colonnes plutôt
qu'en les suivant verticalement, avant de
rejoindre le cortex. Ces réseaux dits
« trans-colonaires »
ne sont pas structurés de façon
homogène. Ils sont hautement spécialisés
en fonction des signaux qu'ils reçoivent
en provenance des récepteurs sensoriels
du rat. Ceux-ci sont principalement en relation
avec les « moustaches faciales »
ou vibrisses permettant au rat d'analyser
son environnement, de jour comme surtout de
nuit. De nombreuses autres espèces
sont dotées de telles vibrisses, notamment
les chats.
Chacune
de ces vibrisses est reliée à
un neurone sensoriel relayant les perceptions
reçues jusqu'au cortex sensoriel. Ces
neurones réalisent une liaison une
à une entre la vibrisse et la colonne
cortical correspondante. Cette particularité
permet de modéliser l'organisation
structurale et sensorielle des dites colonnes.
Les chercheurs ont mis au point des technologies
de reconstruction 3D pour réaliser
un modèle des circuits considérés
(Voir images ci-dessus)
Ce
travail fait apparaître:
* que les neurones intéressés
projettent l'essentiel de leurs axones horizontalement,
très loin des frontières de
la minicolonne où sont situés
leurs noyau ou péricaryon. Il en résulte
que l'information correspondant à une
seule vibrisse peut affecter de nombreuses
colonnes corticales.
* que ces cheminements transcolonnaires ne
sont pas organisés de façon
uniforme. Des asymétries entre les
projections d'axones permettent par exemple
d'interconnecter des vibrisses situées
de façon différentes sur le
museau, et donc les perceptions reçues,
afin de reconstruire des sensations cohérentes
concernant l'activité de l'animal.
* Que les modèles ainsi obtenus permettent
de comprendre comment le cerveau peut encoder
et interpréter les informations complètes
recueillies par les senseurs .
A terme, ces résultats obtenus à
partir de l'analyse des réseaux sensoriels
provenant des vibrisses du rat rendront possible
une description plus globale des réseaux
sensoriels tant du rat que d'autres animaux,
au sein de leurs cortex sensoriels. Il n'en
résultera pas de simplification, au
contraire, comme le montrent les images ci-dessus.
Le modèle de la minicolonne, jusqu'ici
retenu, notamment par le chercheur suisse
Markram et la société IBM, très
présents dans le projet européen
Human Brain, devra être revu plus ou
moins radicalement.
Ajoutons
que si toute la complexité ainsi découverte,
répondant à une évolution
de l'espèce Rattus norvegicus ou rat
de laboratoire s'étant poursuivie pendant
des millions d'années au sein du Rattus,
n'aurait peut-être pas besoin d'être
fidèlement copiée pour réaliser
des cortex sensoriels de robots, ceux-ci resteraient
extrêmement complexes, si l'on en attendait
des performances tactiles voisines de celles
des rats, chats et autres chiens.
Abstract
de Beyond
Columnar Organization: Cell Type- and Target
Layer-Specific Principles of Horizontal Axon
Projection Patterns in Rat Vibrissal Cortex
Vertical
thalamocortical afferents give rise to the
elementary functional units of sensory cortex, cortical
columns. Principles that underlie communication
between columns remain however unknown. Here
we unravel these by reconstructing in vivo-labeled
neurons from all excitatory cell types in
the vibrissal part of rat primary somatosensory
cortex (vS1). Integrating the morphologies
into an exact 3D model of vS1 revealed that
the majority of intracortical (IC) axons project
far beyond the borders of the principal column.
We defined the corresponding innervation volume
as the IC-unit. Deconstructing this structural
cortical unit into its cell type-specific
components, we found asymmetric projections
that innervate columns of either the same
whisker row or arc, and which subdivide vS1
into 2 orthogonal [supra-]granular and infragranular
strata. We show that such organization could
be most effective for encoding multi whisker
inputs. Communication between columns is thus
organized by multiple highly specific horizontal
projection patterns, rendering IC-units as
the primary structural entities for processing
complex sensory stimuli.
Auteurs
:
R. T. Narayanan, R. Egger, A. S. Johnson,
H. D. Mansvelder, B. Sakmann, C. P. J. de
Kock, M. Oberlaender.
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