Une étude montre que la structure des forces irrégulières des connexions neuronales contient un ordre caché

Une étude montre que la structure des forces irrégulières des connexions neuronales contient un ordre caché

Dans le cerveau, notre perception est créée par une interaction complexe de neurones connectés via des synapses. Cependant, le nombre et la force des connexions entre des types spécifiques de neurones peuvent varier. Des chercheurs de l'hôpital universitaire de Bonn (UKB), de l'hôpital universitaire de Mayence et de l'université Ludwig Maximilian de Munich (LMU) ainsi qu'une équipe de recherche de l'institut Max Planck de recherche sur le cerveau de Francfort dans le cadre du projet financé par la DFG. Le programme prioritaire « Computational Connectomics » (SPP2041) ont découvert que la structure des forces de connexion neuronales apparemment irrégulières contient un ordre caché. Ceci est essentiel pour la stabilité du réseau neuronal. L'étude a été publiée dans la revue scientifique « PNAS ».

Il y a dix ans, la connectomique, c'est-à-dire la création d'une carte des connexions entre les quelque 86 milliards de neurones du cerveau, a été déclarée comme une étape majeure de la science. Car dans les réseaux neuronaux complexes, les neurones sont connectés les uns aux autres par des milliers de synapses. La force des connexions entre les neurones individuels est importante car elle est cruciale pour l’apprentissage et les performances cognitives. "Cependant, chaque synapse est unique et sa force peut varier dans le temps. Même les expériences mesurant le même type de synapse dans la même région cérébrale ont donné des valeurs différentes pour la force synaptique. Cependant, cette variabilité observée expérimentalement rend difficile la recherche de principes généraux." "Le fonctionnement robuste des réseaux neuronaux", explique le professeur Tatjana Tchumatchenko, responsable du groupe de recherche à l'Institut d'épileptologie expérimentale et de recherche cognitive de l'UKB et à l'Institut de chimie physiologique du centre médical universitaire de Mayence, qui a motivé la réalisation de l'étude.

Mathématiques et laboratoire judicieusement combinés

Dans le cortex visuel primaire (V1), les stimuli visuels sont d'abord enregistrés, que l'œil transmet via le thalamus, un point de contrôle des impressions sensorielles dans le diencéphale. Les chercheurs ont examiné de plus près les connexions entre les neurones actifs dans ce processus. Pour ce faire, les chercheurs ont mesuré expérimentalement la réponse conjointe de deux classes de neurones à différents stimuli visuels dans un modèle murin. En même temps, ils ont utilisé des modèles mathématiques pour prédire la force des connexions synaptiques. Pour expliquer leur activité enregistrée en laboratoire de telles connexions de réseau dans le cortex visuel primaire, ils ont utilisé ce qu'on appelle le « réseau supralinéaire stabilisé » (SSN). "C'est l'un des rares modèles mathématiques non linéaires qui offre l'opportunité unique de comparer une activité théoriquement simulée avec une activité réellement observée", explique le professeur Laura Busse, responsable du groupe de recherche au LMU Neurobiology. "Nous avons montré que la combinaison du SSN avec des enregistrements expérimentaux de réponses visuelles dans le thalamus et le cortex de la souris nous permet de déterminer différents ensembles de forces de connexion qui donnent lieu aux réponses visuelles enregistrées dans le cortex visuel."

L’ordre entre les forces de connexion est essentiel

Les chercheurs ont découvert qu’il y avait un ordre derrière la variabilité observée dans la force des synapses. Par exemple, les connexions des neurones excitateurs aux neurones inhibiteurs étaient toujours les plus fortes, tandis que les connexions inverses dans le cortex visuel étaient plus faibles. En effet, les valeurs absolues des forces synaptiques dans la modélisation - comme dans les études expérimentales précédentes - variaient, mais respectaient toujours un certain ordre. Ce ne sont donc pas les valeurs absolues qui sont déterminantes pour le déroulement et l'intensité de l'activité mesurée, mais plutôt les conditions relatives.

"Il est à noter que l'analyse des mesures directes précédentes des connexions synaptiques a révélé le même ordre des forces synaptiques que notre prédiction de modèle basée uniquement sur les réponses neuronales mesurées."

Simon Renner, Ph.D., neurobiologie LMU

Les enregistrements expérimentaux de Renner sur l'activité corticale et thalamique ont permis de caractériser les connexions entre les neurones corticaux. "Nos résultats montrent que l'activité neuronale contient de nombreuses informations sur la structure sous-jacente des réseaux neuronaux qui ne ressortent pas immédiatement des mesures directes de la force des synapses. Ainsi, notre méthode ouvre une perspective prometteuse pour l'étude des structures de réseaux difficiles d'accès expérimentalement." " explique Nataliya Kraynyukova, Ph.D., de l'Institut d'épileptologie expérimentale et de recherche sur la cognition de l'UKB et de l'Institut Max Planck de recherche sur le cerveau à Francfort. Cette étude est le résultat d'une collaboration interdisciplinaire entre le laboratoire du professeur Busse et du professeur Tchumatchenko, qui ont travaillé en étroite collaboration et sur la base de leur expertise informatique et expérimentale.

Source:

Hôpital universitaire de Bonn

Référence:

Kraynyukova, N., et al. (2022) Les enregistrements extracellulaires in vivo des réponses visuelles thalamiques et corticales révèlent les règles de connectivité V1. PNAS. est ce que je.org/10.1073/pnas.2207032119.

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