Un réseau neuronal qui représente la direction dans laquelle les poissons zèbres se déplacent.

30 mai 2023 feature

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relu par Ingrid Fadelli, Medical Xpress

Des études antérieures ont révélé que les cerveaux de certains animaux génèrent des représentations de la direction dans laquelle ils se dirigent. Par exemple, la direction de la tête d'insectes est représentée par l'activité des neurones dans une région au centre de leur cerveau, connue sous le nom de complexe central.

Les chercheurs de l'université technique de Munich ont récemment mené une étude visant à identifier des réseaux neuronaux similaires qui représentent la direction de déplacement du poisson zèbre, tout en dévoilant leur dynamique sous-jacente. Leurs résultats, publiés dans Nature Neuroscience, localisent un réseau spécifique dans l'arrière-cerveau antérieur du poisson zèbre qui semble représenter la direction dans laquelle il se dirige.

"Les travaux précédents de mon laboratoire ont révélé une région impliquée dans la prise de décision, en particulier la décision de tourner à gauche ou à droite", a déclaré Ruben Portugues, l'un des chercheurs qui a mené l'étude à Medical Xpress. "Cette région, le noyau inter-pédonculaire, est une structure circulaire qui se trouve au milieu du cerveau des vertébrés. L'anatomie et la dynamique de cette structure cérébrale nous ont rappelé une structure circulaire profonde du cerveau des insectes, le corps ellipsoïdal, qui est important pour la navigation et a montré qu'il représentait la direction de la tête de l'insecte."

Cette étude récente s'inspire de travaux antérieurs menés par d'autres équipes de recherche, telles que le laboratoire de Vivek Jayaraman à l'Institut médical Howard Hughes en Virginie et le laboratoire de Gaby Maimon à l'université Rockefeller. Ces travaux ont identifié une région cérébrale qui semble représenter la direction de la tête des insectes.

Dans leurs expériences, Portugues et ses collègues ont donc spécifiquement recherché des représentations de direction dans les neurones du poisson zèbre qui projetaient vers cette région cérébrale.

"Les neurones de direction de la tête ont été découverts chez les rongeurs dans les années 90, mais le réseau complet n'a jamais été observé et nous manquions de compréhension quant à la manière dont la représentation de la direction était générée", a expliqué Portugues. "Notre objectif principal dans cette étude était de trouver le réseau de direction de la tête du poisson zèbre et d'imager une grande partie du réseau simultanément. Cela nous a permis de caractériser le réseau et la manière dont il représente la direction de déplacement de l'animal."

Dans leurs expériences, Portugues et ses collègues ont examiné les neurones de l'arrière-cerveau du poisson zèbre en utilisant des techniques d'imagerie fonctionnelle. Plus précisément, ils ont collecté des images à l'aide d'un microscope qu'ils ont construit, baptisé microscope à feuille de lumière, qui peut imager l'activité de plusieurs neurones simultanément.

"Nous avons également reconstruit la morphologie des neurones dans cette région à partir d'un ensemble de données existant en microscopie électronique", a déclaré Portugues. "De cet ensemble de données, il a été possible de détecter où ces neurones envoient leurs projections et comment ils sont connectés à d'autres neurones dans le réseau. Nos reconstructions ont révélé que les neurones de la direction de la tête inhibent les neurones qui représentent la direction opposée de la tête. Cela garantit qu'une seule direction de la tête est représentée à tout moment."

Depuis que les neuroscientifiques ont découvert l'existence des soi-disant "neurones de direction de la tête" il y a plusieurs décennies, de nombreux modèles théoriques ont été introduits pour expliquer comment ces neurones sont connectés dans un réseau. Les études sur les insectes ont montré un accord magnifique entre la théorie et les expériences, mais on pouvait dire très peu de choses sur les réseaux de direction de la tête chez les vertébrés (c'est-à-dire les animaux qui possèdent une colonne vertébrale ou un squelette).

Portugues et ses collègues sont les premiers à collecter des résultats confirmant que les circuits neuronaux de la direction de la tête existent également dans le cerveau du poisson zèbre.

"Notre travail récent montre l'existence de tels réseaux dans un cerveau de vertébrés", a déclaré Portugues. "Grâce à la transparence et à la petite taille du poisson zèbre, nous avons pu révéler l'architecture du réseau, ce qui nous a donné une compréhension mécanique de son fonctionnement. De plus, bien que les cerveaux des insectes et des vertébrés soient très différents, nous montrons que les systèmes de direction de la tête dans les deux partagent de nombreux motifs de connectivité, ce qui suggère que certains principes d'architecture des systèmes neuronaux sont préservés à travers le règne animal."

The recent findings gathered by this team of researchers could soon pave the way for studies looking for neural representations of heading direction in the brain of other vertebrates, such as different fish species, birds, amphibians, reptiles or even mammals. Collectively, these works could shed some interesting new light on how animals' decisions regarding where to travel are stored or represented in their brain.

'In our recent study, we discovered a network that encodes the heading direction signal,' Portugues added.

'We now plan to discover how this signal is generated, where this signal is transmitted to in the brain and how fish are using it to navigate the environment. Specifically, we would like to investigate what happens when the animal navigates towards a goal; how it is using the heading signal and what happens when this signal is impaired.'

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