Comment les scientifiques du cerveau déjouent leurs souris de laboratoire

Les scientifiques peuvent désormais observer le cerveau des animaux de laboratoire avec des détails microscopiques au fur et à mesure que les animaux effectuent certaines actions. Une technique appelée imagerie à deux photons, en particulier, permet aux neuroscientifiques d'observer des milliers de neurones travaillant de concert pour coder des informations.

Une souris est prête à entrer dans un système de réalité virtuelle où son cerveau peut être imagé alors qu'elle pense qu'elle traverse un labyrinthe.

Le problème est que l'imagerie à deux photons nécessite que la tête de l'animal reste fixée en place. Cela semblerait empêcher de regarder le cerveau pendant que l'animal fait quelque chose de très intéressant.

Une solution créative est la réalité virtuelle, un environnement généré par ordinateur expérimenté via un casque. Il y a quelques années, des neuroscientifiques ont commencé à concevoir de minuscules systèmes de réalité virtuelle pour tromper les souris en leur faisant croire qu'elles naviguaient dans un labyrinthe alors qu'elles couraient en réalité au sommet d'une grosse boule, la tête en position fixe.

Jusqu'à présent, cependant, les souris ne couraient pas sur le ballon avant d'avoir suivi des semaines d'entraînement. Nicholas Sofroniew, en collaboration avec d'autres au HHMI Janelia Campus en Virginie, a créé un labyrinthe virtuel tactile que les souris semblent comprendre tout de suite : elles naviguent dans des couloirs virtuels sans formation. Plus récemment, il a travaillé avec Jeremy Freeman pour accroître la complexité du système.

Il est conçu pour exploiter la façon dont les souris naviguent dans la nature, dit Freeman. Au lieu de se fier principalement à leurs yeux, les souris comptent beaucoup sur leurs moustaches pour se frayer un chemin à travers le monde.

Dans la réalité virtuelle axée sur les moustaches, les murs bougent pour donner à la souris l'illusion qu'elle court dans des couloirs sinueux, dit-il. Mais tout le temps, la tête du rongeur est immobile.

Une image haute résolution montre des neurones en action lorsque la souris navigue dans le système de réalité virtuelle.

Karel Svoboda, chercheur principal sur le projet, dit qu'ils ont déjà appris que différents neurones se déclenchent en fonction de la distance entre la tête de la souris et le mur. Le cerveau semble traduire l'entrée des moustaches en une forme que la souris peut utiliser.

La technique d'imagerie, que Svoboda a aidé à développer, repose sur des protéines fluorescentes de méduses. Les chercheurs modifient génétiquement les souris afin que leurs cellules fabriquent cette protéine fluorescente sous une forme qui s'active lorsqu'elle est exposée aux ions calcium. Les neurones communiquent en transférant des ions calcium, de sorte que les neurones marqués s'allument de concert avec l'activité cérébrale. Pour voir et enregistrer ce qui se passe, les chercheurs remplacent une partie du crâne des animaux par une petite fenêtre.

Les scientifiques ont longtemps été capables d'écouter des neurones uniques à l'aide d'électrodes, dit Svoboda, mais c'est comme être capable d'entendre un seul instrument pendant une symphonie. Maintenant, dit-il, ils peuvent observer la façon dont l'information circule dans le cerveau pendant que la souris apprend à faire face à un nouvel environnement, bien que virtuel.

Même si la tête de la souris ne bouge pas, elle est engagée dans ce que Svoboda appelle la sensation active. Nous le faisons lorsque nous bougeons nos yeux pour explorer notre environnement. Les souris le font aussi, et elles bougent aussi leurs moustaches pour explorer au toucher. Le cerveau de la souris semble utiliser des ensembles de neurones pour représenter les distances, dit-il.

À terme, les chercheurs espèrent comprendre comment le cerveau calcule les informations. Cela pourrait aider à découvrir ce qui se passe dans des troubles tels que l'autisme. Nous voulons comprendre comment les cerveaux font tout ce qui est impliqué dans la détection, l'apprentissage et la prise de décision, explique Freeman.

Ce qu'ils aimeraient vraiment, c'est comprendre le mécanisme de l'apprentissage et comprendre la nature de l'intelligence. C'est un problème difficile, dit-il, mais essayer de comprendre le cerveau tout en explorant des environnements immersifs est l'un de nos meilleurs coups.

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