Comment l’information visuelle est-elle transmise de la rétine au mésencéphale ?

Sommaire: Les neurones du mésencéphale reçoivent une entrée synaptique forte et spécifique des cellules ganglionnaires rétiniennes, mais seulement d’un petit nombre de neurones sensoriels.

la source: Charité

Pour la première fois, des neuroscientifiques de la Charité – Universitätsmedizin Berlin et de l’Institut Max Planck pour l’intelligence biologique (actuellement en construction) ont révélé les connexions précises entre les neurones sensoriels de la rétine et le caudé supérieur, une structure du mésencéphale.

Les capteurs Neuropixel sont un développement relativement récent et représentent la prochaine génération d’électrodes. Densément remplies de points d’enregistrement, les sondes Neuropixels sont utilisées pour enregistrer l’activité neuronale, et celles-ci ont facilité les connaissances récentes sur les circuits neuronaux.

L’écriture Connexions avec la natureles chercheurs décrivent un principe fondamental commun aux systèmes visuels des mammifères et des oiseaux.

Deux structures cérébrales sont importantes pour le traitement des stimuli visuels : le cortex visuel dans le cortex cérébral primaire et le colliculus supérieur, une structure dans le mésencéphale. La vision et le traitement de l’information visuelle impliquent des processus très complexes.

En termes simplifiés, le cortex visuel est responsable de la perception visuelle générale, tandis que les structures évolutives plus anciennes du mésencéphale sont responsables des comportements réflexifs guidés visuellement.

Les mécanismes et principes impliqués dans le traitement visuel au sein du cortex visuel sont bien connus. Les travaux d’une équipe de chercheurs dirigée par le Dr Jens Kremkow ont contribué à nos connaissances dans ce domaine et ont abouti en 2017 à la fondation du Emmy Noether Junior Research Group au Charité Neuroscience Research Center (NWFZ).

L’objectif principal du groupe de recherche, financé par la Fondation allemande pour la recherche (DFG), est d’améliorer encore notre compréhension des neurones impliqués dans le système visuel. Il reste encore de nombreuses questions sans réponse, notamment des détails sur la manière dont les informations visuelles sont traitées dans les vaisseaux sanguins supérieurs du mésencéphale.

Les cellules ganglionnaires rétiniennes, qui sont les cellules sensorielles situées dans la rétine, répondent aux stimuli visuels externes et envoient les informations entrantes au cerveau. Les voies de signalisation directe garantissent que les informations visuelles reçues par les neurones rétiniens atteignent également le mésencéphale.

Ce qui est resté largement inconnu jusqu’à présent, c’est la manière dont les neurones rétiniens et les neurones du mésencéphale sont connectés à un niveau fonctionnel. Le Dr Krimko, l’auteur principal de l’étude, affirme qu’il existe peu de connaissances sur la manière dont les entrées synaptiques sont exprimées dans les neurones des neurones supérieurs sur les entrées synaptiques.

« Cette information est importante pour comprendre les mécanismes impliqués dans le traitement du mésencéphale. »

Jusqu’à présent, il était impossible de mesurer l’activité des neurones synaptiques de la rétine et du mésencéphale chez les organismes vivants. Pour leurs dernières recherches, l’équipe de recherche a développé une méthode basée sur des mesures obtenues à l’aide d’électrodes innovantes à haute densité appelées sondes neuropixels.

Plus précisément, les sondes Neuropixels sont des réseaux de petites électrodes linéaires comprenant environ un millier de sites d’enregistrement le long d’une tige étroite. Composés de 384 électrodes pour l’enregistrement simultané de l’activité électrique des neurones du cerveau, ces appareils ont changé la donne dans le domaine des neurosciences.

Des chercheurs travaillant à la Charité et à l’Institut Max Planck d’intelligence biologique ont utilisé cette nouvelle technique pour identifier les structures pertinentes du mésencéphale chez la souris (pectine supérieure) et les oiseaux (tectum optique).

Les deux structures cérébrales ont une origine évolutive commune et jouent un rôle important dans le traitement visuel des signaux d’entrée rétiniens dans les deux groupes d’animaux.

Leurs travaux ont conduit les chercheurs à une découverte surprenante : « Habituellement, ce type d’enregistrement électrophysiologique mesure les signaux électriques des potentiels d’action qui proviennent du soma, le corps de la cellule nerveuse », explique le Dr Krimko.

Cependant, dans nos enregistrements, nous avons observé des signaux dont l’apparence diffère de celle des potentiels d’action normaux. Nous avons continué à rechercher la cause de ce phénomène et avons découvert que les signaux d’entrée dans le mésencéphale étaient causés par des potentiels d’action propagés dans le « trône axial » (branches) des cellules ganglionnaires rétiniennes. Nos résultats suggèrent que la nouvelle technologie de matrice électronique peut être utilisée pour enregistrer les signaux électriques des axones, les projections des neurones qui transmettent les signaux neuronaux. C’est une toute nouvelle découverte. »

Dans une première mondiale, l’équipe du Dr Krymkov a pu capturer simultanément l’activité des neurones rétiniens et des neurones cibles synaptiques connectés dans le mésencéphale.

Jusqu’à présent, la quantité de connexions fonctionnelles entre l’œil et le mésencéphale est restée inconnue. Les chercheurs ont pu montrer au niveau de la cellule unique que l’organisation spatiale des entrées des cellules ganglionnaires rétiniennes du mésencéphale constitue une représentation très précise des entrées rétiniennes d’origine.

« Les structures du mésencéphale fournissent effectivement près d’une copie de la structure de la rétine », explique le Dr Krimkov.

Il poursuit : « Une autre nouvelle découverte pour nous est que les neurones du mésencéphale reçoivent des entrées synaptiques très fortes et spécifiques des cellules ganglionnaires rétiniennes, mais seulement d’un petit nombre de ces neurones sensoriels. Ces voies neuronales permettent une connexion hautement structurée et fonctionnelle entre la rétine et la rétine et les régions correspondantes du mésencéphale.

Entre autres choses, ces nouvelles connaissances feront progresser notre compréhension du phénomène connu sous le nom de vision aveugle, qui peut être observé chez les personnes qui ont subi des dommages au cortex visuel en raison d’un traumatisme ou d’une tumeur.

Ces personnes sont incapables de percevoir consciemment et conservent la capacité résiduelle de traiter les informations visuelles, ce qui entraîne une perception intuitive des stimuli, des lignes, des mouvements et même des couleurs qui semblent être associées au mésencéphale.

Pour tester si les principes initialement observés dans le modèle de souris pouvaient également s’appliquer à d’autres vertébrés – et donc s’ils pouvaient être de nature plus générale – le Dr Krimko et son équipe ont travaillé aux côtés d’une équipe de l’Institut Max Planck pour l’intelligence biologique, où ils a concentré le groupe de recherche de Lise Meitner dirigé par le Dr Daniel Valentine sur les circuits neuronaux responsables de la coordination des mouvements fins chez les oiseaux.

« En utilisant les mêmes types de mesures, nous avons pu montrer que chez les diamants mandarins, l’organisation spatiale des voies neuronales reliant la rétine au mésencéphale suit un principe similaire », explique le Dr Valentine.

« Cette découverte était surprenante, étant donné que les oiseaux ont une acuité visuelle nettement plus élevée et que la distance évolutive entre les oiseaux et les mammifères est grande », ajoute-t-elle.

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Les observations des auteurs indiquent que les cellules ganglionnaires rétiniennes du tectum optique et des estuaires supérieurs présentent une organisation spatiale et un câblage fonctionnel similaires. Leurs découvertes ont amené les chercheurs à conclure que les principes découverts doivent être cruciaux pour le traitement visuel dans le mésencéphale des mammifères. Ces principes peuvent être de nature générale et s’appliquer à tous les cerveaux de vertébrés, y compris ceux des humains.

En ce qui concerne les projets futurs des chercheurs, le Dr Krimkov déclare : « Maintenant que nous comprenons les connexions fonctionnelles en mosaïque entre les cellules ganglionnaires rétiniennes et les neurones dans les colliculi supérieurs, nous allons explorer davantage la manière dont les signaux sensoriels sont traités dans le système de vision, en particulier dans les régions du mésencéphale et comment ils contribuent au comportement réflexif dirigé visuellement ».

L’équipe veut également déterminer si la nouvelle méthode peut être utilisée dans d’autres structures et si elle peut être utilisée pour mesurer l’activité des axones ailleurs dans le cerveau. Si cela s’avère possible, cela ouvrira une multitude de nouvelles opportunités pour explorer les mécanismes sous-jacents du cerveau.

À propos de cette recherche dans l’actualité des neurosciences visuelles

auteur: Manuela Zingel
la source: Charité
Contact: Manuela Zingel – Charité
image: L’image est attribuée à Charité | Jens Krymko et PhotoStudio Farptonwerk i Bernhardt Lien

recherche originale : libre accès.
« Les enregistrements d’électrodes à haute densité révèlent des connexions fortes et spécifiques entre les cellules ganglionnaires rétiniennes et les cellules du mésencéphaleÉcrit par Jens Kremkow et al. Connexions avec la nature

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Les enregistrements d’électrodes à haute densité révèlent des connexions fortes et spécifiques entre les cellules ganglionnaires rétiniennes et les cellules du mésencéphale

Le colliculus supérieur est une structure du mésencéphale qui joue un rôle important dans les comportements visuels chez les mammifères. Les neurones du colliculus supérieur reçoivent des entrées des cellules ganglionnaires rétiniennes, mais la manière dont ces entrées sont intégrées in vivo est inconnue.

Ici, nous avons découvert que les électrodes à haute intensité capturent simultanément l’activité des axones rétiniens et des neurones cibles postsynaptiques dans le colliculus supérieur, in vivo.

Nous avons montré que les axones des cellules rétiniennes de souris fournissent une représentation précise d’une seule cellule rétinienne comme entrée du colliculus supérieur.

Cette désignation symétrique construit un échafaudage pour les fils à mailles fines et une force de connexion définie de manière fonctionnelle. Nos méthodes sont largement applicables, ce que nous démontrons en enregistrant les entrées rétiniennes dans le tectum optique chez les diamants mandarins.

Nous trouvons des règles de câblage communes chez les souris et les diamants mandarins qui fournissent une représentation précise du monde visuel codé dans les connexions cellules-neurones ganglionnaires rétiniennes dans les zones réceptrices rétiniennes.