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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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