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Article. Nouvelles données concernant l'activité des dendrites dans les comportements cérébraux complexes.
Jean-Paul Baquiast 13/03/2017

 


 

 

 

 


 

Illustration of neuron and dendrites. Dendrites receive electrochemical stimulation (via synapses, not shown here) from neurons (not shown here), and propagate that stimulation to the neuron cell body (soma). A neuron sends electrochemical stimulation via an axon to communicate with other neurons via telodendria (purple, right) at the end of the axon and synapses (not shown here). (credit: Quasar/CC).

Il avait été observé depuis longtemps que les dendrites, c'est-à-dire des prolongement filamenteux du neurone servant à recevoir et conduire l'influx nerveux. 1) jouaient un rôle essentiel dans la capacité des cerveaux à traiter l'information. Ceci, non seulement dans les cerveaux humains mais chez toutes les espèces ayant acquis au cours de l'évolution des organes précurseurs du cerveau, autrement dit des organes capable de se ,comporter en unité centrale dans les gestion des informations en entrée et en sortie.

Les dendrites constituent environ 90% du système cérébral. Elles forment l'essentiel de la substance blanche, différente à l'observation de la substance grise ou matière grise constituée du noyau des neurones.

Or l'importance du rôle des dendrites dans le traitement de l'information et les capacités computationnelles du cerveau apparait aujourd'hui avoir été considérablement sous-estimée. Une étude conduite par des chercheurs de l'Université de Californie (UCLA), qui vient d'être publiée, en fourni des preuves (Cf ci-dessous Référence) . Selon eux le cerveau disposerait grâce aux dendrites de capacités computationnelles plus de 100 fois supérieures à celles jusqu'ici estimées. De plus ces capacités permettraient au cerveau de se comporter en fonction des besoins en calculateur analogique ou en calculateur digital.

Cette découverte a été permise grâce à l'observation de rats se mouvant librement dans un environnement complexe, et non dans le cadre d'expériences de laboratoire. Les dendrites s'y révèlent électriquement actives. Elles génèrent 10 fois plus de liaisons (spikes) que le corps même du neurone dit soma. Autrement dit, elles ne se comportent pas en conducteurs passifs des signaux inter-neuronaux.

Cette découverte, selon le neuroscientifique Mayank Mehta qui a dirigé l'étude, change profondément la façon dont l'on concevait jusqu'à alors le rôle du cerveau dans la perception, l'apprentissage et la mémoire.

Il faut préciser que l'observation des cerveaux de rats actifs en toute liberté dans un labyrinthe conçu à cette fin a été rendue possible par une nouvelle technique développée par l'équipe permettant de placer de mini-électrodes dans les cellules cérébrales des animaux, sans détruire ces cellules.

Introduites dans le cortex pariétal postérieur qui joue un rôle essentiel dans la programmation des mouvements, elles ont décelé une activité dans les dendrites supérieure de 5 à 10 fois à celle enregistrée dans les somas, selon que le rat dormait ou était éveillé et explorait son environnement.

De plus les observations ont montré que les « calculs » opérés dans les dendrites et par conséquent dans les neurones n'étaient pas seulement digitaux, mais analogiques. Un calculateur digital traite l'information sous la forme de bits 0 ou 1, tandis que le calculateur analogique traite des modèles physiques ou mathématiques reconstitués pour être aussi proches que possible des processus naturels étudiés.

On pourrait peut-être en conclure que le cerveau se construit des «  réalités virtuelles » aussi proche que possible des « réalités réelles ». De telles réalités virtuelles, élaborées dans le cortex supérieur des rats – à plus forte raison dans celui des humains -- pourraient donner matière à la construction d'hypothèses ou de comportements nouveaux. A partir de ces hypothèses ou comportements, l'organisme, sous la maîtrise du cerveau, pourrait s'engager dans des pensées ou dans des actions modifiant l'environnement réel servant de cadre général à l'action du sujet pensant.

Ceci corroborerait l'idée généralement répandue selon laquelle ce que nous inventons du fait du cerveau nous permet de modifier sur une grande échelle le monde dans lequel nous vivons. Ces modifications en retour modifient nos comportements ultérieurs créant ainsi un cercle vertueux grâce auquel les organismes dotés de cerveau ont transformé leur environnement naturel bien plus vite que ceux en étaient dépourvus – par exemple les végétaux. Chez l'homme, ceci peut entrainer le meilleur ou le pire, comme on le pense aujourd'hui.

Conséquences

Faut-il souligner les conséquences de cette découverte, tant au plan technologique que conceptuel. Dans le premier cas, les chercheurs de l'UCLA disposent désormais d'électrodes capable de pénétrer dans les neurones d'un cerveau de rat. Cet organe, déjà très petit à notre échelle, dispose cependant de millions, sinon de milliards de neurones, tous spécialisés.

Au plan conceptuel, il faut désormais se représenter - bien que comparaison ne soit pas raison - le cerveau comme un ordinateur occupant une surface au sol de 100m2 au lieu d'une surface, comme précédemment estimée, de 1m2.

1) Dendrite https://fr.wikipedia.org/wiki/Dendrite_(biologie)

Les dendrites sont des prolongements du corps cellulaire des neurones dont elles partagent les organites (à l'exception du noyau et des lysosomes). Ces dendrites peuvent se diviser par dichotomies successives, s'affinant ainsi de leur origine trapue vers la périphérie, ce qui leur confère un aspect arborescent. Elles peuvent également apparaître soit lisses soit couvertes de courtes excroissances, allongées ou pédiculées, appelées épines dendritiques (1 à 2 microns). Les dendrites, en particulier les épines dendritiques, reçoivent des afférences d'autres neurones au niveau des synapses dont elles constituent l'élément post-synaptique (séparé par la fente synaptique de renflements terminaux des neurones afférents). Les dendrites conduisent des courants électriques (ioniques) générés au niveau synaptique préférentiellement vers le soma, soit de manière passive selon une loi décrémentielle, soit activement grâce à des processus regénvient d'être publiéeératifs faisant intervenir des conductances ioniques transmembranaires (potentiel d'action dendritique). Chez certains neurones, le potentiel d'action axonal peut remonter vers les dendrites (potentiel rétrograde).
Le nombre, la morphologie et la localisation des dentrites permettent de différencier des familles différentes de neurones et sont associés à des propriétés électriques et computationnelles distinctes (aucun chez les neurones unipolaires, beaucoup chez les neurones multipolaires…)

Abstract
Neural activity in vivo is primarily measured using extracellular somatic spikes, which provide limited information about neural computation. Hence, it is necessary to record from neuronal dendrites, which generate dendritic action potentials (DAP) and profoundly influence neural computation and plasticity. We measured neocortical sub- and suprathreshold dendritic membrane potential (DMP) from putative distal-most dendrites using tetrodes in freely behaving rats over multiple days with a high degree of stability and sub-millisecond temporal resolution. DAP firing rates were several fold larger than somatic rates. DAP rates were modulated by subthreshold DMP fluctuations which were far larger than DAP amplitude, indicting hybrid, analog-digital coding in the dendrites. Parietal DAP and DMP exhibited egocentric spatial maps comparable to pyramidal neurons. These results have important implications for neural coding and plasticity.


Référence

* Dynamics of cortical dendritic membrane potential and spikes in freely behaving rats
http://science.sciencemag.org/content/early/2017/03/08/science.aaj1497

 

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