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Délai de transmission des informations d'un neurone à un autre dans le cerveau

Délai de transmission des informations d'un neurone à un autre dans le cerveau



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À l'intérieur du cerveau, les signaux électriques sont transmis d'un neurone à un autre en utilisant des produits chimiques spéciaux, appelés "neuro-transmetteurs" à partir des terminaisons axonales.

Quelqu'un pourrait-il me dire comment calculer la valeur approximative du délai de transmission de l'information d'un neurone à un autre. Je pense que ce sera moins de pico-secondes !

S'il y a des articles / documents de recherche pertinents qui s'y rapportent, je l'apprécie vraiment. Merci


Vous avez mentionné les neurotransmetteurs libérés au niveau de la fente synaptique, mais semblez vous intéresser au tableau complet. Un potentiel d'action est en fait très lent à se propager dans un axone avec une vitesse de conduction de 0,5 à 150 m/s, selon le degré de myélinisation de l'axone (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK10921/ ). Un tout-petit peut courir plus vite que les signaux les plus lents ! La longueur des axones dans le cerveau varie également considérablement, de quelques micromètres à quelques centimètres, mais seule une fraction de pour cent pousse en fait plus d'un centimètre.

Nous allons faire un calcul très approximatif. En prétendant que la longueur moyenne des axones est d'un demi-centimètre (5 millimètres) et que la vitesse de conduction moyenne est de 25 mètres/seconde (ou 25 000 millimètres/seconde), alors le délai encouru par le potentiel d'action le long de l'axone sera de 0,005 secondes (ou 5 millisecondes).

Cela n'inclut pas le temps qu'il faut à la cellule présynaptique pour libérer les neurotransmetteurs, à la cellule postsynaptique pour absorber les neurotransmetteurs et les transformer à nouveau en impulsion électrique, et propager l'impulsion électrique au soma pour intégration. Pour cela, le délai est d'environ 0,5 à 4 millisecondes (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14980200).

Évidemment, il y a beaucoup de variations dans tous ces chiffres. Alors, combien de temps faut-il pour qu'un signal soit transmis du soma à la terminaison axonale du neurone à l'autre ? Quelques millisecondes. Combien de temps faut-il pour la libération et l'absorption des neurotransmetteurs ? Peut-être encore quelques millisecondes. Si vous êtes du genre à vouloir un nombre simple, idéalisé et singulier qui ignore la complexité des faits, alors j'estimerais quelque chose comme 7 millisecondes pour le processus total.


Les neurones changent d'identité de manière dynamique en réponse à l'activité cérébrale

On dit souvent que le cerveau humain est l'objet le plus complexe de l'univers connu, et il y a de bonnes raisons de croire que ce vieux cliché est vrai. Même la tâche apparemment simple de compiler un recensement des différents types de cellules qu'il contient s'est avérée extrêmement difficile. Les chercheurs ne peuvent toujours pas s'entendre sur la meilleure façon de classer les nombreux sous-types de neurones, et différentes méthodes produisent des résultats différents, donc les estimations vont de plusieurs centaines à plus d'un millier.

Les cellules paniers illustrent parfaitement cette crise d'identité neuronale. Ils sont actuellement subdivisés en plusieurs types différents, selon leur forme, leurs propriétés électriques et leurs profils moléculaires. Après près de dix ans de travail de détective, les chercheurs du King's College de Londres les révèlent désormais maîtres du déguisement. Dans une nouvelle étude surprenante, ils montrent que ces cellules peuvent passer dynamiquement d'une identité à une autre en réponse à l'activité du réseau neuronal.

Les cellules panier sont un type d'interneurone, qui se trouvent dispersés dans le cortex cérébral, l'hippocampe et le cervelet, et représentent environ 5% du nombre total de cellules dans ces régions du cerveau. Ils forment des circuits locaux entre eux et avec les neurones pyramidaux, les cellules beaucoup plus grandes et plus nombreuses qui transmettent des informations à des parties éloignées du cerveau, et synthétisent le neurotransmetteur inhibiteur GABA, qui atténue l'activité des cellules pyramidales lorsqu'il est libéré.

On pense que ces cellules énigmatiques existent dans plus de vingt types différents, les plus connus étant ceux à pic rapide, qui répondent rapidement aux signaux entrants, et les plus lents, qui répondent après un délai. Au cours du développement du cerveau, des formes immatures de tous les types de cellules paniers sont créées dans une structure appelée éminence ganglionnaire médiale, ainsi que divers autres types de cellules cérébrales. Ils migrent ensuite dans le cortex cérébral en développement, avant de former des connexions synaptiques avec d'autres cellules.

En 2007, Oscar Marín du MRC Center for Developmental Neurobiology et ses collègues ont signalé qu'une protéine appelée Er81 se trouve dans les cellules d'éminence ganglionnaire médiale immatures, ainsi qu'à des niveaux variables dans un petit nombre de cellules à travers le cortex. Er81 est un contrôleur principal qui orchestre l'activité des gènes du développement. Lorsqu'il est synthétisé par une cellule, il pénètre dans le noyau, se lie à des séquences d'ADN spécifiques dans ses gènes cibles et aide les jeunes cellules cérébrales à trouver leur place et leur objectif, en activant et désactivant des ensembles de ces gènes à différents moments et lieux. Il est, par exemple, nécessaire pour spécifier l'identité des neurones sensoriels et moteurs, et contrôle également la façon dont ils se connectent les uns aux autres dans la moelle épinière.

Sa fonction dans les cellules paniers est cependant inconnue, et donc cette nouvelle étude, dirigée par Nathalie Dehorer, a cherché à étudier la possibilité que Er81 spécifie également leur identité. Tout d'abord, ils ont examiné des tranches de tissu du cortex de souris génétiquement modifiées dont les cellules panier produisent une protéine fluorescente verte. Tout d'abord, ils ont utilisé des microélectrodes pour enregistrer l'activité électrique des cellules, confirmant que certains des neurones marqués par fluorescence étaient des cellules panier à pic rapide, et d'autres des cellules lentes. Une autre expérience a révélé que si Er81 est présent à des niveaux élevés dans les cellules à panier lent, il semble complètement absent de celles à pic rapide.

Ensuite, les chercheurs ont créé leurs propres souris génétiquement modifiées, afin de supprimer le gène Er81 dans des régions spécifiques du cerveau et à différents moments de la vie des animaux. La suppression du gène de l'éminence ganglionnaire médiale chez les souris embryonnaires n'a eu aucun effet sur le nombre de cellules panier, ou leur distribution dans le cortex cérébral, indiquant que la protéine n'est pas nécessaire pour leur migration ou pour les premières étapes de la spécification de leur identité. Ils ont cependant remarqué que la plupart des cellules paniers de ces animaux étaient des cellules à pic rapide, ce qui suggère que Er81 est nécessaire pour maintenir l'identité des cellules lentes.

Pour tester cela, les chercheurs ont créé une autre souche de souris et supprimé le gène des cellules panier dans le cortex d'animaux adultes. L'examen du tissu cérébral a révélé que cela provoquait une perte presque complète des cellules panier lentes, en raison de modifications de l'activité des gènes des canaux potassiques, qui contrôlent les propriétés électriques des cellules, ainsi qu'un réarrangement majeur des entrées synaptiques qu'elles reçoivent de autres cellules.

Cette fois, ils ont découvert que les niveaux d'Er81 dans le noyau étaient directement liés à la durée du retard dans les réponses des cellules paniers, et que l'activité du réseau neuronal modifie de manière marquée le rapport entre les cellules paniers rapides et les cellules paniers lentes. Et bien que la molécule Er81 soit absente des cellules rapides, tous les sous-types de cellules panier contiennent des transcrits Er81, les copies du modèle génétique qui sont exportées du noyau pour être utilisées pour la synthèse des protéines.

Ainsi, Er81 semble agir comme un commutateur moléculaire qui peut modifier les propriétés électriques des cellules paniers, leur permettant de se transformer dynamiquement entre des états rapides et lents, en réponse aux changements d'activité du réseau neuronal. Les résultats, publiés dans la revue Science la semaine dernière, suggèrent que les cellules panier existent sur un continuum, plutôt que sous forme de sous-types discrets, qu'elles sont en permanence à l'écoute de l'activité du réseau neuronal et qu'elles s'y adaptent continuellement en basculant entre leurs états rapide et lent.


Comment les protéines contrôlent le traitement de l'information dans le cerveau

Une interaction complexe entre différentes protéines est nécessaire pour que l'information passe d'une cellule nerveuse à l'autre. Des chercheurs de l'Université Martin Luther de Halle-Wittenberg (MLU) ont maintenant réussi à étudier ce processus dans les vésicules synaptiques, qui jouent un rôle important dans ce processus. L'étude est parue dans la revue Communication Nature.

Plusieurs milliards de cellules nerveuses communiquent entre elles dans le corps afin que les humains et les autres êtres vivants puissent percevoir et réagir à leur environnement. Une multitude de processus chimiques et électriques complexes se produisent en quelques millisecondes. "Des substances messagères spéciales - connues sous le nom de neurotransmetteurs - sont libérées au niveau des synapses des cellules nerveuses. Elles transmettent des informations entre les cellules nerveuses individuelles", explique le Dr Carla Schmidt, professeure adjointe au Center for Innovation Competence HALOmem à MLU. Les substances messagères sont emballées dans de petites vésicules appelées vésicules synaptiques, qui fusionnent avec la membrane cellulaire en réponse à une impulsion électrique et libèrent les substances messagères. Les substances messagères sont ensuite reconnues par des protéines réceptrices spéciales dans la cellule nerveuse suivante. Pour que cela réussisse, de nombreuses protéines doivent travailler ensemble, s'engrenant comme des rouages ​​dans un mécanisme d'horlogerie. Cependant, on sait actuellement trop peu de choses sur le fonctionnement précis de ce processus, dit Schmidt.

Les chercheurs ont utilisé une forme spéciale de spectrométrie de masse pour étudier le processus. La spectrométrie de masse par réticulation permet d'identifier les sites d'interaction des protéines. Ceux-ci sont mélangés à une substance qui lie les protéines voisines. Cette substance réagit à différents endroits selon la façon dont les protéines interagissent les unes avec les autres. Le spectromètre de masse analyse les schémas de liaison, qui peuvent être utilisés pour tirer des conclusions sur l'arrangement des protéines. Cela permet aux chercheurs d'examiner différentes étapes des vésicules et de détecter quels réseaux de protéines se sont formés.

L'étude de Halle permet une compréhension plus approfondie du processus de transmission du signal dans les cellules nerveuses. La connaissance des processus normaux aide les scientifiques à reconnaître et à comprendre les dysfonctionnements qui pourraient déclencher des maladies telles que la maladie d'Alzheimer.

L'étude a été soutenue par le ministère fédéral de la Recherche et de l'Éducation en Allemagne, le Fonds européen de développement régional (FEDER) et la Fondation Alexander von Humboldt.


Délai de transmission de l'information d'un neurone à un autre dans le cerveau - Psychologie

Communication entre les cellules nerveuses
Par Silvia Helena Cardoso, PhD

Toutes nos sensations, sentiments, pensées, réponses motrices et émotionnelles, apprentissage et mémoire, les actions des drogues psychoactives, les causes des troubles mentaux et toute autre fonction ou dysfonctionnement du cerveau humain ne peuvent être compris sans la connaissance du processus fascinant. de communication entre les cellules nerveuses (neurones). Les neurones doivent recueillir en permanence des informations sur l'état interne de l'organisme et de son environnement externe, évaluer ces informations et coordonner les activités appropriées à la situation et aux besoins actuels de la personne.

Comment les neurones traitent-ils ces informations ?

Cela se produit essentiellement au moyen de l'influx nerveux. Une impulsion nerveuse est la transmission d'un signal codé à partir d'un stimulus donné le long de la membrane du neurone, à partir du point où il a été appliqué. Les influx nerveux peuvent passer d'une cellule à l'autre, créant ainsi une chaîne d'informations au sein d'un réseau de neurones.

Deux types de phénomènes interviennent dans le traitement de l'influx nerveux : électrique et chimique. Les événements électriques propagent un signal dans un neurone et des processus chimiques transmettent le signal d'un neurone à un autre ou à une cellule musculaire. Le processus chimique d'interaction entre les neurones et entre les neurones et les cellules effectrices se produit à l'extrémité de l'axone, dans une structure appelée synapse. En touchant de très près la dendrite d'une autre cellule (mais sans continuité matérielle entre les deux cellules), l'axone libère des substances chimiques appelées neurotransmetteurs, qui se fixent sur des récepteurs chimiques dans la membrane du neurone suivant et favorisent des modifications excitatrices ou inhibitrices de sa membrane.

Par conséquent, les neurotransmetteurs permettent aux impulsions nerveuses d'une cellule d'influencer les impulsions nerveuses d'une autre, permettant ainsi aux cellules cérébrales de "se parler", pour ainsi dire. Le corps humain a développé un grand nombre de ces messagers chimiques afin de faciliter la communication interne et la transmission des signaux dans le cerveau. Lorsque tout fonctionne correctement, les communications internes ont lieu sans même que nous en soyons conscients.

Une compréhension de la transmission synaptique est la clé pour comprendre le fonctionnement de base du système nerveux au niveau cellulaire. Le but du système nerveux est de contrôler et de coordonner les fonctions corporelles et de permettre au corps de réagir et d'agir sur l'environnement. La transmission synaptique est le processus clé de l'action intégrative du système nerveux.

Nous avons déjà vu le processus électrique de l'influx nerveux dans l'article précédent. Dans ce numéro, nous allons examiner de plus près le fonctionnement de la synapse et des neurotransmetteurs.

Synapse : point de rencontre entre les neurones

Puisque les neurones forment un réseau d'activités électriques, ils doivent en quelque sorte être interconnectés. Lorsqu'un signal nerveux, ou une impulsion, atteint les extrémités de son axone, il a voyagé sous la forme d'un potentiel d'action ou d'une impulsion électrique. Cependant, il n'y a pas de continuité cellulaire entre un neurone et le suivant, il existe un espace appelé synapse. Les membranes des cellules émettrices et réceptrices sont séparées les unes des autres par l'espace synaptique rempli de liquide. Le signal ne peut pas sauter électriquement à travers l'espace. Ainsi, des produits chimiques spéciaux appelés neurotransmetteurs ont ce rôle. Ils sont libérés par la membrane d'envoi présynaptique et s'infiltrent à travers les récepteurs tp de l'espace sur la membrane postsynaptique du neurone récepteur. La liaison des neurotransmetteurs à ces récepteurs a pour effet de permettre aux ions (particules chargées) d'entrer et de sortir de la cellule réceptrice, comme nous l'avons vu dans l'article sur la conduction neurale.

La direction normale du flux d'informations va de l'axone terminal au neurone cible. Ainsi, l'axone terminal est dit présynaptique (transmet les informations vers une synapse) et le neurone cible est dit postsynaptique (transmet les informations d'une synapse).

Le type de synapse typique et le plus fréquent est celui dans lequel l'axone d'un neurone se connecte à un deuxième neurone en entrant généralement en contact avec l'une de ses dendrites ou avec le corps cellulaire. Cela peut se produire de deux manières : les synapses électriques et chimiques.

La synapse électrique


Une jonction lacunaire. (a) Les neurites de deux cellules connectées
La plupart des synapses des mammifères sont chimiques, mais il existe une forme simple de synapse électrique qui permet le transfert direct du courant ionique d'une cellule à l'autre. Les synapses électriques se produisent sur des sites spécialisés appelés jonctions communicantes. Ils forment des canaux qui permettent aux ions de passer directement du cytoplasme d'une cellule au cytoplasme de l'autre. La transmission au niveau des synapses électriques est très rapide, ainsi, un potentiel d'action dans le neurone présynaptique peut produire presque instantanément, un potentiel d'action dans le neurone postsynaptique. Les synapses électriques dans le SNC des mammifères se trouvent principalement dans des endroits spécialisés où les fonctions normales nécessitent que l'activité des neurones voisins soit hautement synchronisée. Bien que les jonctions communicantes soient relativement rares entre les neurones de mammifères adultes, elles sont très courantes dans une grande variété de cellules non neurales, notamment les cellules musculaires lisses du cœur, les cellules épithéliales, certaines cellules glandulaires, la glie, etc. Elles sont également courantes chez de nombreux invertébrés.

Dans ce type de synapse, le signal entrant est transmis lorsqu'un neurone libère un neurotransmetteur dans la fente synaptique qui est détecté par le deuxième neurone grâce à l'activation de récepteurs placés en face du site de libération.

Les neurotransmetteurs sont des produits chimiques fabriqués par les neurones et utilisés par eux pour transmettre des signaux aux autres neurones ou aux cellules non neuronales (par exemple, le myocarde du muscle squelettique, les cellules de la glande pinéale) qu'ils innervent.

La liaison chimique du neurotransmetteur aux récepteurs provoque une série de changements physiologiques dans le deuxième neurone qui constitue le signal. Habituellement, la libération du premier neurone (appelé présynaptique) est causée par une série d'événements intracellulaires provoqués par une dépolarisation de sa membrane, et presque invariablement lorsqu'un potentiel d'action a lieu.

Schéma et micrographie d'une synapse de la jonction neuromusculaire d'une mouche des fruits.
1 - Les vésicules synaptiques 2 - Neurone présynaptique (axone terminal) 3 - Fente synaptique 4 - Neurone postsynaptique.

Il doit exister un mécanisme par lequel le potentiel d'action provoque l'expulsion du transmetteur stocké dans les vésicules synaptiques dans la fente.

Catégories de synapses chimiques

Il existe deux types de synapses chimiques, selon l'effet qu'elles provoquent sur l'élément postsynaptique :

Ils provoquent une modification électrique excitatrice du potentiel postsynaptique (EPSP). Cela se produit lorsque l'effet net de la libération de l'émetteur est de dépolariser la membrane, la rapprochant du seuil électrique pour déclencher un potentiel d'action. Cet effet est typiquement médié par l'ouverture de canaux membranaires (sorte de pores qui traversent les membranes cellulaires) pour les ions sodium et calcium.

L'enregistrement du potentiel membranaire pour un potentiel postsynaptique inhibiteur (IPSP : en vert) montre une hyperpolarisation, c'est-à-dire une déviation vers le bas dans le tracé, car il devient plus négatif que le potentiel de repos.

Synapses dans le système nerveux central

Arranjements synaptiques dans le SNC. UNE. Une synapse axodendritique, B. une synapse axosomatique. C. Une synapse axoxonique. Différents types de synapse peuvent être distingués par quelle partie du neurone est postsynaptique à la terminaison axonale. Si la membrane postsynaptique est sur une dendrite, la synapse est dite axo-dendritique. Si la membrane postsynaptique est sur le corps cellulaire, la synapse est dite axosomatique. Dans certains cas, la membrane postsynaptique se trouve sur un autre axone et ces synapses sont appelées axoaxoniques. Dans certains neurones spécialisés, les dendrites forment en fait des synapses les unes avec les autres, appelées synapses dendrodendritiques.

Neurotransmetteurs : messagers du cerveau

Chimiquement, les neurotransmetteurs sont des molécules relativement petites et simples. Différents types de cellules sécrètent différents neurotransmetteurs. Chaque substance chimique du cerveau fonctionne dans des emplacements cérébraux largement répandus mais assez spécifiques et peut avoir un effet différent selon l'endroit où elle est activée. Quelque 60 neurotransmetteurs ont été identifiés, et ils appartiennent principalement à l'une des quatre classes suivantes :

1) les cholines dont l'acétylcholine est la plus importante

2) amines biogènes : sérotonine, histamine, et les catécholamines - dopamine et noradrénaline

3) acides aminés - le glutamate et l'aspartate sont des transmetteurs excitateurs bien connus, tandis que l'acide gamma-aminobutyrique (GABA), la glycine et la taurine sont des neurotransmetteurs inhibiteurs.

4) neuropeptides ,- ceux-ci sont formés par de plus longues chaînes d'acides aminés (comme une petite molécule de protéine). Plus de 50 d'entre eux sont connus pour se produire dans le cerveau, et beaucoup d'entre eux ont été impliqués dans la modulation ou la transmission d'informations neuronales.

Neurotransmetteurs importants et leur fonction

Dopamine
Contrôle les niveaux d'excitation et le contrôle moteur dans de nombreuses parties du cerveau. Lorsque les niveaux sont gravement épuisés dans la maladie de Parkinson, les patients sont incapables de bouger volontairement. On pense que le LSD et d'autres drogues hallucinogènes agissent sur le système dopaminergique.

Sérotonine
C'est le neurotransmetteur renforcé par de nombreux antidépresseurs, comme le Prozac, et est ainsi devenu le neurotransmetteur du « bien-être ». Il a un effet profond sur l'humeur, l'anxiété et l'agressivité.

Acétylcholine (ACh)
Contrôle l'activité dans les zones du cerveau liées à l'attention, à l'apprentissage et à la mémoire. Les personnes atteintes de la maladie d'Alzheimer ont généralement de faibles niveaux d'ACh dans le cortex cérébral, et les médicaments qui renforcent son action peuvent améliorer la mémoire chez ces patients.

Noradrénaline
Principalement un produit chimique excitateur qui induit une excitation physique et mentale et une humeur élevée. La production est centrée dans une zone du cerveau appelée le locus coreuleus, qui est l'un des nombreux candidats putatifs pour le centre du «plaisir» du cerveau. La science médicale a prouvé que la norépinéphrine médie la fréquence cardiaque, la pression artérielle, le taux de conversion du glycogène (glucose) en énergie, ainsi que d'autres avantages physiques.

Glutamate
Le neurotransmetteur excitateur majeur du cerveau, vital pour forger les liens entre les neurones qui sont à la base de l'apprentissage et de la mémoire à long terme.

Enképhalines et endorphines
Ce sont des opioïdes qui, comme les drogues héroïne et morphine, modulent la douleur, réduisent le stress, etc. Ils peuvent être impliqués dans les mécanismes de la dépendance physique .


Interfaces cerveau-machine

José del R. Millán , Serafeim Perdikis , in Principles of Tissue Engineering (cinquième édition) , 2020

Introduction

L'utilisation de signaux cérébraux pour l'interaction ainsi que pour le contrôle de robots et de prothèses a suscité une attention croissante au cours des deux dernières décennies. Il s'agit d'un domaine de recherche multidisciplinaire en plein essor appelé interfaces cerveau-machine (IMC), ou interfaces cerveau-ordinateur (BCI), qui a connu des réalisations impressionnantes au cours des dernières années – des prototypes pour écrire des messages avec un clavier virtuel [1–6] , jouer à des jeux de réflexion [2,7–10] , et même contrôler des robots ou des fauteuils roulants [11–21 ] . Un IMC surveille l'activité cérébrale de l'utilisateur, extrait des signaux cérébraux des caractéristiques spécifiques qui reflètent l'intention du sujet et traduit ses intentions en actions, telles que la fermeture de la main prothétique ou la sélection d'une lettre à partir d'un clavier virtuel, sans utiliser l'activité de tout muscle ou nerf périphérique [22] . Le principe central d'un IMC est la capacité de faire la distinction entre différents modèles d'activité cérébrale, chacun étant associé à une intention ou à une tâche mentale particulière. Par conséquent, l'adaptation est un élément clé d'un IMC, car, d'un côté, les utilisateurs doivent apprendre à moduler leurs ondes cérébrales afin de générer des schémas cérébraux distincts, tandis que, d'autre part, les techniques d'apprentissage automatique doivent découvrir les schémas cérébraux individuels caractérisant les tâches mentales exécutées par l'utilisateur. Ce chapitre présente le domaine de l'IMC, avec un accent particulier sur les principes d'un fonctionnement fiable et à long terme des neuroprothèses. Pour une couverture plus détaillée de l'IMC, le lecteur intéressé peut se référer à [22–24] .

La technologie BMI offre un moyen naturel de restaurer, remplacer ou augmenter les capacités humaines en fournissant un nouveau lien d'interaction avec le monde extérieur. À cet égard, il est particulièrement pertinent en tant qu'aide pour les patients atteints de handicaps neuromusculaires sévères, bien qu'il ouvre également de nouvelles possibilités d'interaction homme-machine pour les personnes valides [25] . La figure 57.1 montre l'architecture générale d'un dispositif actionné par le cerveau tel que les neuroprothèses pour la restauration et la récupération motrices. L'activité cérébrale, les signaux d'électroencéphalogramme (EEG) dans cet exemple, sont enregistrés avec un appareil portable. Ces signaux bruts sont d'abord traités afin d'extraire certaines caractéristiques pertinentes qui sont ensuite transmises à un modèle mathématique (par exemple, des classificateurs/régressions statistiques ou des réseaux de neurones). Ce modèle calcule, après un processus d'entraînement où il trouve les modèles d'activité cérébrale prototypiques associés à chaque commande mentale, l'intention de l'utilisateur qui est transformée en une action appropriée pour contrôler l'appareil. Enfin, la rétroaction visuelle, et peut-être d'autres types tels que la stimulation haptique [26,27] , la stimulation périphérique [28] , ou la microstimulation intracorticale [29-31] , informe le sujet sur les performances de la neuroprothèse afin qu'il puisse apprendre les stratégies de contrôle et apporter des changements rapides pour accomplir la tâche.

Figure 57.1 . Architecture générale d'un IMC pour le contrôle d'appareils tels qu'une orthèse de main ou un fauteuil roulant motorisé. Dans ce cas, l'IMC mesure les signaux EEG enregistrés à partir d'électrodes placées sur le cuir chevelu du sujet. IMC, Interface cerveau-machine. EEG, électroencéphalogramme.

Ce chapitre est organisé comme suit : tout d'abord, nous passerons en revue les différents types de signaux cérébraux qui peuvent être enregistrés en entrée d'un IMC. Ensuite, nous discuterons d'une série de principes pour construire des IMC efficaces qui sont indépendants du signal particulier de choix. Ces principes concernent la nature des corrélats cérébraux électriques plus adaptés pour contrôler les dispositifs neuroprothétiques et promouvoir la rééducation motrice, l'utilisation de techniques d'apprentissage automatique et la conception d'IMC sensibles au contexte. Nous conclurons en discutant de quelques pistes de recherche futures dans le domaine de l'IMC.


Un microscope à grande vitesse capture des signaux cérébraux fugaces

Des signaux électriques et chimiques clignotent constamment dans notre cerveau lorsque nous nous déplaçons dans le monde, mais il faudrait une caméra à haute vitesse et une fenêtre dans le cerveau pour capturer leurs chemins fugaces.

Université de Californie, Berkeley, les enquêteurs ont maintenant construit une telle caméra : un microscope qui peut imager le cerveau d'une souris alerte 1 000 fois par seconde, enregistrant pour la première fois le passage d'impulsions électriques d'une milliseconde à travers les neurones.

"C'est vraiment excitant, car nous sommes maintenant capables de faire quelque chose que les gens n'étaient vraiment pas capables de faire auparavant", a déclaré le chercheur principal Na Ji, professeur agrégé de physique et de biologie moléculaire et cellulaire à l'UC Berkeley.

La nouvelle technique d'imagerie combine la microscopie à fluorescence à deux photons et le balayage laser tout optique dans un microscope de pointe qui peut imager une tranche bidimensionnelle à travers le néocortex du cerveau de la souris jusqu'à 3 000 fois par seconde. C'est assez rapide pour tracer les signaux électriques circulant dans les circuits cérébraux.

Grâce à cette technique, les neuroscientifiques comme Ji peuvent désormais synchroniser les signaux électriques au fur et à mesure qu'ils se propagent dans le cerveau et finalement rechercher les problèmes de transmission associés à la maladie.

L'un des principaux avantages de la technique est qu'elle permettra aux neuroscientifiques de suivre les centaines à des dizaines de milliers d'entrées qu'une cellule cérébrale donnée reçoit d'autres cellules cérébrales, y compris celles qui ne déclenchent pas le déclenchement de la cellule. Ces entrées inférieures au seuil - excitant ou inhibant le neurone - s'ajoutent progressivement à un crescendo qui déclenche la cellule pour déclencher un potentiel d'action, transmettant des informations à d'autres neurones.

Des électrodes à l'imagerie de fluorescence

La méthode typique d'enregistrement des décharges électriques dans le cerveau, via des électrodes intégrées dans les tissus, ne détecte que les impulsions de quelques neurones au fur et à mesure que les changements de tension en millisecondes passent. La nouvelle technique peut localiser le neurone de déclenchement réel et suivre le chemin du signal, milliseconde par milliseconde.

L'imagerie rapide – mille fois par seconde — montre une activité électrique spontanée dans quatre neurones distincts de 75 microns à l'intérieur du cerveau d'une souris alerte. Il s'agit d'une tranche de 3 microns d'épaisseur à travers le néocortex - si fine que le corps cellulaire du neurone n'est visible qu'en coupe transversale, sous la forme d'un cercle. (Image de l'UC Berkeley par Na Ji)

"Dans les maladies, beaucoup de choses se produisent, avant même que vous ne puissiez voir les neurones se déclencher, comme tous les événements sous le seuil", a déclaré Ji, membre du Helen Wills Neuroscience Institute de l'UC Berkeley. "Nous n'avons jamais regardé comment une maladie allait changer avec une entrée sous le seuil. Maintenant, nous avons une poignée pour résoudre ce problème.

Ji et ses collègues ont rapporté la nouvelle technique d'imagerie dans le numéro de mars du journal Méthodes naturelles. Dans le même numéro, elle et d'autres collègues ont également publié un article démontrant une technique différente pour l'imagerie de la signalisation du calcium sur une grande partie d'un hémisphère entier du cerveau de souris à la fois, une technique qui utilise un « mésoscope » à large champ de vision avec deux -imagerie photonique et balayage de mise au point de Bessel. Les concentrations de calcium sont liées aux changements de tension lorsque les signaux sont transmis à travers le cerveau.

"C'est la première fois que quelqu'un montre en trois dimensions l'activité neuronale d'un si grand volume de cerveau à la fois, ce qui est bien au-delà de ce que les électrodes peuvent faire", a déclaré Ji. "De plus, notre approche d'imagerie nous donne la possibilité de résoudre les synapses de chaque neurone."

Les synapses sont les points où les neurotransmetteurs sont libérés par un neurone pour en exciter ou en inhiber un autre.

L'un des objectifs de Ji est de comprendre comment les neurones interagissent dans de vastes zones du cerveau et éventuellement de localiser les circuits malades liés aux troubles cérébraux.

"Dans les troubles cérébraux, y compris les maladies neurodégénératives, ce n'est pas seulement un seul neurone ou quelques neurones qui tombent malades", a déclaré Ji. « Donc, si vous voulez vraiment comprendre ces maladies, vous voulez pouvoir examiner autant de neurones que possible dans différentes régions du cerveau. Avec cette méthode, nous pouvons obtenir une image beaucoup plus globale de ce qui se passe dans le cerveau. »

Microscopie à deux photons

Ji et ses collègues sont capables de scruter le cerveau grâce à des sondes qui peuvent être fixées à des types spécifiques de cellules et devenir fluorescentes lorsque l'environnement change. Pour suivre les changements de tension dans les neurones, par exemple, son équipe a utilisé un capteur développé par le co-auteur Michael Lin de l'Université de Stanford qui devient fluorescent lorsque la membrane cellulaire se dépolarise lorsqu'un signal de tension se propage le long de la membrane cellulaire.

À l'aide d'un microscope à fluorescence à deux photons avec un champ de vision extra-large, les chercheurs de l'UC Berkeley ont imagé des neurones (verts) dans une grande partie du cortex du cerveau d'une souris vivante. La zone montre des neurites dans un volume de 4,2 mm × 4,2 mm x 100 microns. Les branches sombres sont des vaisseaux sanguins. (Image de l'UC Berkeley par Na Ji)

Les chercheurs éclairent ensuite ces sondes fluorescentes avec un laser à deux photons, ce qui les fait émettre de la lumière, ou fluorescentes, si elles ont été activées. La lumière émise est capturée par un microscope et combinée en une image 2D qui montre l'emplacement du changement de tension ou la présence d'un produit chimique spécifique, tel que l'ion de signalisation, le calcium.

En balayant rapidement le laser sur le cerveau, un peu comme une lampe de poche qui révèle progressivement la scène à l'intérieur d'une pièce sombre, les chercheurs sont en mesure d'obtenir des images d'une seule couche mince du néocortex. L'équipe a pu effectuer 1 000 à 3 000 scans 2D complets d'une seule couche cérébrale chaque seconde en remplaçant l'un des deux miroirs rotatifs du laser par un miroir optique – une technique appelée délai d'amplification angulaire en espace libre (FACED). FACED a été développé par le co-auteur de l'article Kevin Tsia à l'Université de Hong Kong.

L'imagerie en kilohertz a non seulement révélé des changements de tension d'une milliseconde, mais aussi des concentrations de calcium et de glutamate, un neurotransmetteur, changeant plus lentement, jusqu'à 350 microns (un tiers de millimètre) de la surface du cerveau.

Pour obtenir des images 3D rapides du mouvement du calcium à travers les neurones, elle a combiné la microscopie à fluorescence à deux photons avec une technique différente, le balayage à focale de Bessel. Pour éviter les analyses fastidieuses de chaque couche d'un micron d'épaisseur du néocortex, le foyer d'excitation du laser à deux photons est formé d'un point à un petit cylindre, comme un crayon, d'environ 100 microns de long. Ce faisceau de crayon est ensuite balayé à six profondeurs différentes à travers le cerveau, et les images fluorescentes sont combinées pour créer une image 3D. Cela permet un balayage plus rapide avec peu de perte d'informations car dans chaque volume en forme de crayon, généralement un seul neurone est actif à la fois. Le mésoscope peut imager une zone d'environ 5 mm de diamètre - près d'un quart d'hémisphère du cerveau de souris - et 650 microns de profondeur, proche de toute la profondeur du néocortex, qui est impliqué dans le traitement complexe de l'information.

« En utilisant des méthodes conventionnelles, nous aurions à numériser 300 images pour couvrir ce volume, mais avec un faisceau allongé qui réduit le volume sur un seul plan, nous n'avons besoin de numériser que six images, ce qui signifie que nous pouvons maintenant avoir un volumétrique assez rapide. taux pour examiner son activité calcique », a déclaré Ji.

Ji travaille maintenant sur la combinaison de quatre techniques - la microscopie à fluorescence à deux photons, la focalisation du faisceau de Bessel, FACED et l'optique adaptative - pour obtenir des images à grande vitesse et à haute sensibilité profondément dans le néocortex, qui fait environ 1 millimètre d'épaisseur.

"Comme moyen de comprendre le cerveau, mon rêve est de combiner ces techniques de microscopie pour obtenir une résolution spatiale submicronique afin que nous puissions voir les synapses, une résolution temporelle en millisecondes pour l'imagerie de tension, et voir tout cela au plus profond du cerveau", a-t-elle ajouté. . "Ce qui est compliqué et difficile à propos du cerveau, c'est que si vous ne faites qu'une seule section optique, vous n'obtenez pas une image complète, car un réseau de neurones est très tridimensionnel."

Les co-auteurs de l'article sur l'imagerie de tension avec Ji, Lin et Tsia sont Jianglai Wu et Shuo Chen de l'UC Berkeley, Yajie Liang et Ching-Lung Hsu du Janelia Research Campus du Howard Hughes Medical Institute (HHMI) en Virginie, et Mariya Chavarha, Stephen Evans et Dongqing Shi de Stanford.

Les co-auteurs avec Ji sur l'article sur l'imagerie du calcium sont les co-premiers auteurs Rongwen Lu et Yajie Liang de Janelia et Guanghan Meng de l'UC Berkeley Pengcheng Zhou et Liam Paninski de l'Université de Columbia et Karel Svoboda de Janelia.

Le travail de Ji est soutenu par le HHMI et le National Institute of Neurological Disorders and Stroke des National Institutes of Health (U01NS103489, UF1NS107696).


Neurotransmission

Si vous devez donner le meilleur de vous-même, vous concentrer, résoudre des problèmes ou maintenir un état d'esprit calme et clair, vous tirerez un énorme avantage de Mind Lab Pro.

Avantages

  • Meilleure concentration
  • état d'esprit calme
  • 55+ mémoire et humeur
  • Athlètes axés sur la performance
  • Apprentissage des étudiants

Notre corps est contrôlé par notre cerveau. Avez-vous déjà pensé à ce qui contrôle notre cerveau ? Le cerveau a-t-il besoin d'un mécanisme de contrôle ? C'est ce que pensaient les scientifiques il y a longtemps d'où est originaire le concept de neurotransmission.

Eh bien, ce n'est pas qu'un concept, c'était une découverte. Henry Hallett Dale est l'homme qui a découvert l'acétylcholine. L'acétylcholine est l'un des neurotransmetteurs les plus abondants dans le cerveau. C'est ainsi que nous avons connu la neurotransmission.


Résumé

Les réseaux cérébraux présentent une connectivité fonctionnelle très variable et dynamique et des configurations flexibles d'échange d'informations malgré leur structure fixe globale. On suppose que les oscillations cérébrales sous-tendent la connectivité fonctionnelle dépendante du temps en modifiant périodiquement l'excitabilité des populations de neurones. Dans cet article, nous étudions le rôle du délai de connexion et du désaccord entre les fréquences naturelles des populations de neurones dans la transmission des signaux. Sur la base de simulations numériques et d'arguments analytiques, nous montrons que la quantité de transfert d'informations entre deux populations de neurones oscillantes pourrait être déterminée par leur délai de connexion et la non-concordance de leurs fréquences d'oscillation. Nos résultats mettent en évidence le rôle de la courbe de réponse en phase collective des populations de neurones oscillants pour l'efficacité de la transmission du signal et la qualité du transfert d'information dans les réseaux cérébraux.


La congélation instantanée révèle une structure plus vraie des connexions cérébrales

Modèle 3D d'épines dendritiques (violet) faisant des synapses avec des axones contenant des vésicules (jaune). L'arrière-plan montre une image au microscope électronique du tissu cérébral. Crédit : Graham Knott (EPFL)

Des scientifiques de l'EPFL ont utilisé une méthode de congélation instantanée pour révéler la véritable structure des connexions qui unissent les neurones entre eux dans le cerveau adulte.

La plupart des connexions synaptiques dans le cerveau adulte sont situées sur des épines dendritiques, de petites protubérances micrométriques de long s'étendant de la surface des neurones. La taille et la forme exactes des épines déterminent la qualité de la transmission des signaux d'un neurone à un autre.

Ces détails deviennent très importants lorsque les neuroscientifiques veulent modéliser des circuits cérébraux ou comprendre comment l'information est transmise entre les neurones à travers les circuits neuronaux du cerveau. Cependant, leur petite taille et les difficultés à préserver le tissu cérébral dans son état naturel ont toujours laissé la question ouverte de savoir quelle est la véritable structure de la colonne vertébrale dendritique.

Des scientifiques de la Faculté des sciences de la vie de l'EPFL ont maintenant utilisé une méthode de congélation instantanée de jets d'azote liquide, combinée à de très hautes pressions, pour conserver instantanément de petits morceaux de tissu cérébral. Les chercheurs, des laboratoires de Graham Knott et Carl Petersen, ont ensuite utilisé une imagerie 3D haute résolution avec des microscopes électroniques pour révéler comment la véritable structure de la colonne vertébrale dendritique était similaire à celle montrée dans les études précédentes, à l'exception d'un aspect important : méthode de congélation instantanée a montré des épines dendritiques avec des cous significativement plus minces.

Cette découverte valide un ensemble considérable de données théoriques et fonctionnelles remontant à de nombreuses années, qui montrent que les épines dendritiques sont des compartiments chimiques, ainsi qu'électriques, isolés du reste du neurone par un cou mince et à haute résistance. Les variations du diamètre du cou ont un impact important sur la façon dont une synapse influence le reste du neurone.

"En plus de révéler la véritable forme de ces structures cérébrales importantes, ce travail met en évidence l'utilité des méthodes de congélation rapide et de la microscopie électronique pour obtenir une vue plus détaillée de l'architecture des cellules et des tissus", explique Graham Knott.


Contrôle de l'esprit par téléphone portable

Les signaux électromagnétiques des téléphones portables peuvent modifier vos ondes cérébrales et votre comportement. Mais ne brisez pas le bouclier de tête en aluminium pour l'instant.

Les hôpitaux et les avions interdisent l'utilisation des téléphones portables, car leurs transmissions électromagnétiques peuvent interférer avec les appareils électriques sensibles. Le cerveau pourrait-il aussi entrer dans cette catégorie ? Bien sûr, toutes nos pensées, sensations et actions proviennent de la bioélectricité générée par les neurones et transmise par des circuits neuronaux complexes à l'intérieur de notre crâne.Les signaux électriques entre les neurones génèrent des champs électriques qui rayonnent hors du tissu cérébral sous forme d'ondes électriques qui peuvent être captées par des électrodes touchant le cuir chevelu d'une personne. Les mesures de ces ondes cérébrales dans les EEG fournissent un aperçu puissant de la fonction cérébrale et un outil de diagnostic précieux pour les médecins. En effet, si fondamentales sont les ondes cérébrales pour le fonctionnement interne de l'esprit, elles sont devenues la définition juridique ultime traçant la ligne entre la vie et la mort.

Les ondes cérébrales changent avec l'activité mentale consciente et inconsciente d'une personne en bonne santé et son état d'excitation. Mais les scientifiques peuvent faire plus avec les ondes cérébrales que simplement écouter le cerveau au travail - ils peuvent contrôler sélectivement la fonction cérébrale par stimulation magnétique transcrânienne (TMS). Cette technique utilise de puissantes impulsions de rayonnement électromagnétique projetées dans le cerveau d'une personne pour brouiller ou exciter des circuits cérébraux particuliers.

Bien qu'un téléphone portable soit beaucoup moins puissant que le TMS, la question demeure : les signaux électriques provenant d'un téléphone pourraient-ils affecter certaines ondes cérébrales fonctionnant en résonance avec les fréquences de transmission du téléphone portable ? Après tout, le cortex cérébral de l'appelant n'est qu'à quelques centimètres du rayonnement diffusé par l'antenne du téléphone. Deux études apportent des nouvelles révélatrices.

Le premier, dirigé par Rodney Croft, du Brain Science Institute de l'Université de technologie de Swinburne à Melbourne, en Australie, a testé si les transmissions par téléphone portable pouvaient altérer les ondes cérébrales d'une personne. Les chercheurs ont surveillé les ondes cérébrales de 120 hommes et femmes en bonne santé tandis qu'un téléphone portable Nokia 6110, l'un des téléphones portables les plus populaires au monde, était attaché à leur tête. Un ordinateur contrôlait les transmissions du téléphone dans une conception expérimentale en double aveugle, ce qui signifiait que ni le sujet du test ni les chercheurs ne savaient si le téléphone portable transmettait ou était inactif pendant la collecte des données EEG. Les données ont montré que lorsque le téléphone portable transmettait, la puissance d'un modèle d'ondes cérébrales caractéristique appelé ondes alpha dans le cerveau de la personne était considérablement augmentée. L'augmentation de l'activité des ondes alpha était la plus importante dans le tissu cérébral directement sous le téléphone portable, renforçant ainsi le fait que le téléphone était responsable de l'effet observé.

Ondes alpha du cerveau
Les ondes alpha fluctuent à un rythme de huit à 12 cycles par seconde (Hertz). Ces ondes cérébrales reflètent l'état d'excitation et d'attention d'une personne. Les ondes alpha sont généralement considérées comme un indicateur d'un effort mental réduit, d'un " ralenti cortical " ou d'un vagabondage mental. Mais cette vision conventionnelle est peut-être une simplification excessive. Croft, par exemple, soutient que l'onde alpha régule vraiment le déplacement de l'attention entre les entrées externes et internes. Les ondes alpha augmentent en puissance lorsqu'une personne déplace sa conscience du monde extérieur vers des pensées internes, ce sont également les principales signatures des ondes cérébrales du sommeil.

Insomnie de téléphone portable
Si les signaux des téléphones portables amplifient les ondes alpha d'une personne, cela la pousse-t-il de manière subliminale dans un état de conscience altéré ou a-t-il un effet quelconque sur le fonctionnement de son esprit qui peut être observé dans le comportement d'une personne ? Dans la deuxième étude, James Horne et ses collègues du Loughborough University Sleep Research Center en Angleterre ont conçu une expérience pour tester cette question. Le résultat était surprenant. Non seulement les signaux du téléphone portable pouvaient modifier le comportement d'une personne pendant l'appel, mais les effets des ondes cérébrales perturbées se sont poursuivis longtemps après que le téléphone a été éteint.

"C'était une découverte complètement inattendue", m'a dit Horne. "Nous n'avons soupçonné aucun effet sur l'EEG [après avoir éteint le téléphone]. Nous étions intéressés à étudier l'effet des signaux des téléphones portables sur le sommeil lui-même. » Mais il est rapidement devenu évident pour Horne et ses collègues lors de la préparation des expériences de recherche sur le sommeil que certains des sujets testés avaient du mal à s'endormir.

Horne et ses collègues contrôlaient un téléphone portable Nokia 6310e et un autre téléphone populaire et basique attaché à la tête de 10 hommes en bonne santé mais privés de sommeil dans leur laboratoire de recherche sur le sommeil. (Leur sommeil avait été limité à six heures la nuit précédente.) Les chercheurs ont ensuite surveillé les ondes cérébrales des hommes par EEG pendant que le téléphone était allumé et éteint par un ordinateur distant, et ont également basculé entre les modes de fonctionnement "veille", "écouter" et "parler" pendant 30 minutes d'intervalle sur différentes nuits. L'expérience a révélé qu'une fois le téléphone passé en mode "talk", un autre modèle d'ondes cérébrales, appelé ondes delta (de l'ordre de un à quatre Hertz), est resté amorti pendant près d'une heure après l'arrêt du téléphone. Ces ondes cérébrales sont le marqueur le plus fiable et le plus sensible du sommeil de la deuxième étape et environ 50 % du sommeil total se compose de cette étape et les sujets sont restés éveillés deux fois plus longtemps après que le téléphone transmettant en mode conversation ait été éteint. Bien que les sujets testés aient été privés de sommeil la nuit précédente, ils n'ont pas pu s'endormir pendant près d'une heure après que le téléphone ait fonctionné à leur insu.

Bien que cette recherche montre que les transmissions par téléphone portable peuvent affecter les ondes cérébrales d'une personne avec des effets persistants sur le comportement, Horne ne pense pas qu'il y ait lieu de craindre que les téléphones portables soient dommageables. Les effets d'éveil mesurés par les chercheurs équivalent à environ une demi-tasse de café, et de nombreux autres facteurs dans l'environnement d'une personne affecteront autant ou plus le sommeil d'une nuit que les transmissions par téléphone portable.

" L'importance de la recherche ", a-t-il expliqué, est que bien que la puissance du téléphone portable soit faible, " le rayonnement électromagnétique peut néanmoins avoir un effet sur le comportement mental lorsqu'il transmet à la bonne fréquence ". Il trouve ce fait particulièrement remarquable lorsqu'on considère que tout le monde est entouré. par le fouillis électromagnétique rayonnant de toutes sortes d'appareils électroniques dans notre monde moderne. Les téléphones portables en mode conversation semblent être particulièrement bien réglés sur les fréquences qui affectent l'activité des ondes cérébrales. "Les résultats montrent une sensibilité aux rayonnements de faible niveau à un degré subtil. Ces découvertes ouvrent la porte par une fissure pour plus de recherche à suivre. On se demande seulement si avec des doses, des durées ou d'autres appareils différents, il y aurait des effets plus importants ? »

Croft de Swinburne souligne qu'il n'y a pas de soucis de santé de ces nouvelles découvertes. "Ce qui est passionnant dans cette recherche, c'est qu'elle nous permet d'avoir un aperçu de la façon dont vous pourriez moduler la fonction cérébrale et ce [look] nous dit quelque chose sur la façon dont le cerveau fonctionne à un niveau fondamental." En d'autres termes, l'importance de ce travail est d'éclairer le fonctionnement fondamental du cerveau, les scientifiques peuvent maintenant s'éclabousser avec leurs propres ondes électromagnétiques autogénérées et en apprendre beaucoup sur la façon dont les ondes cérébrales réagissent et ce qu'elles font.

Mind Matters est édité par Jonah Lehrer, l'écrivain scientifique derrière le blog The Frontal Cortex et le livre Proust was a Neuroscientist.


Contrôle de l'esprit par téléphone portable

Les signaux électromagnétiques des téléphones portables peuvent modifier vos ondes cérébrales et votre comportement. Mais ne brisez pas le bouclier de tête en aluminium pour l'instant.

Les hôpitaux et les avions interdisent l'utilisation des téléphones portables, car leurs transmissions électromagnétiques peuvent interférer avec les appareils électriques sensibles. Le cerveau pourrait-il aussi entrer dans cette catégorie ? Bien sûr, toutes nos pensées, sensations et actions proviennent de la bioélectricité générée par les neurones et transmise par des circuits neuronaux complexes à l'intérieur de notre crâne. Les signaux électriques entre les neurones génèrent des champs électriques qui rayonnent hors du tissu cérébral sous forme d'ondes électriques qui peuvent être captées par des électrodes touchant le cuir chevelu d'une personne. Les mesures de ces ondes cérébrales dans les EEG fournissent un aperçu puissant de la fonction cérébrale et un outil de diagnostic précieux pour les médecins. En effet, si fondamentales sont les ondes cérébrales pour le fonctionnement interne de l'esprit, elles sont devenues la définition juridique ultime traçant la ligne entre la vie et la mort.

Les ondes cérébrales changent avec l'activité mentale consciente et inconsciente d'une personne en bonne santé et son état d'excitation. Mais les scientifiques peuvent faire plus avec les ondes cérébrales que simplement écouter le cerveau au travail - ils peuvent contrôler sélectivement la fonction cérébrale par stimulation magnétique transcrânienne (TMS). Cette technique utilise de puissantes impulsions de rayonnement électromagnétique projetées dans le cerveau d'une personne pour brouiller ou exciter des circuits cérébraux particuliers.

Bien qu'un téléphone portable soit beaucoup moins puissant que le TMS, la question demeure : les signaux électriques provenant d'un téléphone pourraient-ils affecter certaines ondes cérébrales fonctionnant en résonance avec les fréquences de transmission du téléphone portable ? Après tout, le cortex cérébral de l'appelant n'est qu'à quelques centimètres du rayonnement diffusé par l'antenne du téléphone. Deux études apportent des nouvelles révélatrices.

Le premier, dirigé par Rodney Croft, du Brain Science Institute de l'Université de technologie de Swinburne à Melbourne, en Australie, a testé si les transmissions par téléphone portable pouvaient altérer les ondes cérébrales d'une personne. Les chercheurs ont surveillé les ondes cérébrales de 120 hommes et femmes en bonne santé tandis qu'un téléphone portable Nokia 6110, l'un des téléphones portables les plus populaires au monde, était attaché à leur tête. Un ordinateur contrôlait les transmissions du téléphone dans une conception expérimentale en double aveugle, ce qui signifiait que ni le sujet du test ni les chercheurs ne savaient si le téléphone portable transmettait ou était inactif pendant la collecte des données EEG. Les données ont montré que lorsque le téléphone portable transmettait, la puissance d'un modèle d'ondes cérébrales caractéristique appelé ondes alpha dans le cerveau de la personne était considérablement augmentée. L'augmentation de l'activité des ondes alpha était la plus importante dans le tissu cérébral directement sous le téléphone portable, renforçant ainsi le fait que le téléphone était responsable de l'effet observé.

Ondes Alpha du cerveau
Les ondes alpha fluctuent à un rythme de huit à 12 cycles par seconde (Hertz). Ces ondes cérébrales reflètent l'état d'excitation et d'attention d'une personne. Les ondes alpha sont généralement considérées comme un indicateur d'un effort mental réduit, d'un " ralenti cortical " ou d'un vagabondage mental. Mais cette vision conventionnelle est peut-être une simplification excessive. Croft, par exemple, soutient que l'onde alpha régule vraiment le déplacement de l'attention entre les entrées externes et internes. Les ondes alpha augmentent en puissance lorsqu'une personne déplace sa conscience du monde extérieur vers des pensées internes, ce sont également les principales signatures des ondes cérébrales du sommeil.

Insomnie de téléphone portable
Si les signaux des téléphones portables amplifient les ondes alpha d'une personne, cela la pousse-t-il de manière subliminale dans un état de conscience altéré ou a-t-il un effet quelconque sur le fonctionnement de son esprit qui peut être observé dans le comportement d'une personne ? Dans la deuxième étude, James Horne et ses collègues du Loughborough University Sleep Research Center en Angleterre ont conçu une expérience pour tester cette question. Le résultat était surprenant. Non seulement les signaux du téléphone portable pouvaient modifier le comportement d'une personne pendant l'appel, mais les effets des ondes cérébrales perturbées se sont poursuivis longtemps après que le téléphone a été éteint.

"C'était une découverte complètement inattendue", m'a dit Horne. "Nous n'avons suspecté aucun effet sur l'EEG [après avoir éteint le téléphone]. Nous étions intéressés à étudier l'effet des signaux des téléphones portables sur le sommeil lui-même. » Mais il est rapidement devenu évident pour Horne et ses collègues lors de la préparation des expériences de recherche sur le sommeil que certains des sujets testés avaient du mal à s'endormir.

Horne et ses collègues contrôlaient un téléphone portable Nokia 6310e et un autre téléphone populaire et basique attaché à la tête de 10 hommes en bonne santé mais privés de sommeil dans leur laboratoire de recherche sur le sommeil. (Leur sommeil avait été limité à six heures la nuit précédente.) Les chercheurs ont ensuite surveillé les ondes cérébrales des hommes par EEG pendant que le téléphone était allumé et éteint par un ordinateur distant, et ont également basculé entre les modes de fonctionnement "veille", "écouter" et "parler" pendant 30 minutes d'intervalle sur différentes nuits. L'expérience a révélé qu'une fois le téléphone passé en mode "parler", un autre modèle d'ondes cérébrales, appelé ondes delta (de l'ordre de un à quatre Hertz), est resté amorti pendant près d'une heure après l'arrêt du téléphone. Ces ondes cérébrales sont le marqueur le plus fiable et le plus sensible du sommeil de la deuxième étape et environ 50 % du sommeil total se compose de cette étape et les sujets sont restés éveillés deux fois plus longtemps après que le téléphone transmettant en mode conversation ait été éteint. Bien que les sujets testés aient été privés de sommeil la nuit précédente, ils n'ont pas pu s'endormir pendant près d'une heure après que le téléphone ait fonctionné à leur insu.

Bien que cette recherche montre que les transmissions par téléphone portable peuvent affecter les ondes cérébrales d'une personne avec des effets persistants sur le comportement, Horne ne pense pas qu'il y ait lieu de craindre que les téléphones portables soient dommageables. Les effets d'éveil mesurés par les chercheurs équivalent à environ une demi-tasse de café, et de nombreux autres facteurs dans l'environnement d'une personne affecteront autant ou plus le sommeil d'une nuit que les transmissions par téléphone portable.

" L'importance de la recherche ", a-t-il expliqué, est que bien que la puissance du téléphone portable soit faible, " le rayonnement électromagnétique peut néanmoins avoir un effet sur le comportement mental lorsqu'il transmet à la bonne fréquence ". Il trouve ce fait particulièrement remarquable lorsqu'on considère que tout le monde est entouré. par le fouillis électromagnétique rayonnant de toutes sortes d'appareils électroniques dans notre monde moderne. Les téléphones portables en mode conversation semblent être particulièrement bien réglés sur les fréquences qui affectent l'activité des ondes cérébrales. "Les résultats montrent une sensibilité aux rayonnements de faible niveau à un degré subtil. Ces découvertes ouvrent la porte par une fissure pour plus de recherche à suivre. On se demande seulement si avec des doses, des durées ou d'autres appareils différents, il y aurait des effets plus importants ? »

Croft de Swinburne souligne qu'il n'y a pas de soucis pour la santé de ces nouvelles découvertes. "Ce qui est passionnant dans cette recherche, c'est qu'elle nous permet d'avoir un aperçu de la façon dont vous pourriez moduler la fonction cérébrale et ce [look] nous dit quelque chose sur la façon dont le cerveau fonctionne à un niveau fondamental." En d'autres termes, l'importance de ce travail est d'éclairer le fonctionnement fondamental du cerveau, les scientifiques peuvent désormais s'éclabousser avec leurs propres ondes électromagnétiques autogénérées et en apprendre beaucoup sur la façon dont les ondes cérébrales réagissent et ce qu'elles font.

Mind Matters est édité par Jonah Lehrer, l'écrivain scientifique derrière le blog The Frontal Cortex et le livre Proust was a Neuroscientist.


Neurotransmission

Si vous devez donner le meilleur de vous-même, vous concentrer, résoudre des problèmes ou maintenir un état d'esprit calme et clair, vous tirerez un énorme avantage de Mind Lab Pro.

Avantages

  • Meilleure concentration
  • état d'esprit calme
  • 55+ mémoire et humeur
  • Athlètes axés sur la performance
  • Apprentissage des étudiants

Notre corps est contrôlé par notre cerveau. Avez-vous déjà pensé à ce qui contrôle notre cerveau ? Le cerveau a-t-il besoin d'un mécanisme de contrôle ? C'est ce que pensaient les scientifiques il y a longtemps d'où est originaire le concept de neurotransmission.

Eh bien, ce n'est pas qu'un concept, c'était une découverte. Henry Hallett Dale est l'homme qui a découvert l'acétylcholine. L'acétylcholine est l'un des neurotransmetteurs les plus abondants dans le cerveau. C'est ainsi que nous avons connu la neurotransmission.


Résumé

Les réseaux cérébraux présentent une connectivité fonctionnelle très variable et dynamique et des configurations flexibles d'échange d'informations malgré leur structure fixe globale. On suppose que les oscillations cérébrales sous-tendent la connectivité fonctionnelle dépendante du temps en modifiant périodiquement l'excitabilité des populations de neurones. Dans cet article, nous étudions le rôle du délai de connexion et du désaccord entre les fréquences naturelles des populations de neurones dans la transmission des signaux. Sur la base de simulations numériques et d'arguments analytiques, nous montrons que la quantité de transfert d'informations entre deux populations de neurones oscillantes pourrait être déterminée par leur délai de connexion et la non-concordance de leurs fréquences d'oscillation. Nos résultats mettent en évidence le rôle de la courbe de réponse en phase collective des populations de neurones oscillants pour l'efficacité de la transmission du signal et la qualité du transfert d'information dans les réseaux cérébraux.


Interfaces cerveau-machine

José del R. Millán , Serafeim Perdikis , in Principles of Tissue Engineering (cinquième édition) , 2020

Introduction

L'utilisation de signaux cérébraux pour l'interaction ainsi que pour le contrôle de robots et de prothèses a suscité une attention croissante au cours des deux dernières décennies. Il s'agit d'un domaine de recherche multidisciplinaire en plein essor appelé interfaces cerveau-machine (IMC), ou interfaces cerveau-ordinateur (BCI), qui a connu des réalisations impressionnantes au cours des dernières années – des prototypes pour écrire des messages avec un clavier virtuel [1–6] , jouer à des jeux de réflexion [2,7–10] , et même contrôler des robots ou des fauteuils roulants [11–21 ] . Un IMC surveille l'activité cérébrale de l'utilisateur, extrait des signaux cérébraux des caractéristiques spécifiques qui reflètent l'intention du sujet et traduit ses intentions en actions, telles que la fermeture de la main prothétique ou la sélection d'une lettre à partir d'un clavier virtuel, sans utiliser l'activité de tout muscle ou nerf périphérique [22] . Le principe central d'un IMC est la capacité de faire la distinction entre différents modèles d'activité cérébrale, chacun étant associé à une intention ou à une tâche mentale particulière. Par conséquent, l'adaptation est un élément clé d'un IMC, car, d'un côté, les utilisateurs doivent apprendre à moduler leurs ondes cérébrales afin de générer des schémas cérébraux distincts, tandis que, d'autre part, les techniques d'apprentissage automatique doivent découvrir les schémas cérébraux individuels caractérisant les tâches mentales exécutées par l'utilisateur. Ce chapitre présente le domaine de l'IMC, avec un accent particulier sur les principes d'un fonctionnement fiable et à long terme des neuroprothèses. Pour une couverture plus détaillée de l'IMC, le lecteur intéressé peut se référer à [22–24] .

La technologie BMI offre un moyen naturel de restaurer, remplacer ou augmenter les capacités humaines en fournissant un nouveau lien d'interaction avec le monde extérieur. À cet égard, il est particulièrement pertinent en tant qu'aide pour les patients atteints de handicaps neuromusculaires sévères, bien qu'il ouvre également de nouvelles possibilités d'interaction homme-machine pour les personnes valides [25] . La figure 57.1 montre l'architecture générale d'un dispositif actionné par le cerveau tel que les neuroprothèses pour la restauration et la récupération motrices. L'activité cérébrale, les signaux d'électroencéphalogramme (EEG) dans cet exemple, sont enregistrés avec un appareil portable. Ces signaux bruts sont d'abord traités afin d'extraire certaines caractéristiques pertinentes qui sont ensuite transmises à un modèle mathématique (par exemple, des classificateurs/régressions statistiques ou des réseaux de neurones). Ce modèle calcule, après un processus d'entraînement où il trouve les modèles d'activité cérébrale prototypiques associés à chaque commande mentale, l'intention de l'utilisateur qui est transformée en une action appropriée pour contrôler l'appareil.Enfin, la rétroaction visuelle, et peut-être d'autres types tels que la stimulation haptique [26,27] , la stimulation périphérique [28] , ou la microstimulation intracorticale [29-31] , informe le sujet sur les performances de la neuroprothèse afin qu'il puisse apprendre les stratégies de contrôle et apporter des changements rapides pour accomplir la tâche.

Figure 57.1 . Architecture générale d'un IMC pour le contrôle d'appareils tels qu'une orthèse de main ou un fauteuil roulant motorisé. Dans ce cas, l'IMC mesure les signaux EEG enregistrés à partir d'électrodes placées sur le cuir chevelu du sujet. IMC, Interface cerveau-machine. EEG, électroencéphalogramme.

Ce chapitre est organisé comme suit : tout d'abord, nous passerons en revue les différents types de signaux cérébraux qui peuvent être enregistrés en entrée d'un IMC. Ensuite, nous discuterons d'une série de principes pour construire des IMC efficaces qui sont indépendants du signal particulier de choix. Ces principes concernent la nature des corrélats cérébraux électriques plus adaptés pour contrôler les dispositifs neuroprothétiques et promouvoir la rééducation motrice, l'utilisation de techniques d'apprentissage automatique et la conception d'IMC sensibles au contexte. Nous conclurons en discutant de quelques pistes de recherche futures dans le domaine de l'IMC.


Délai de transmission de l'information d'un neurone à un autre dans le cerveau - Psychologie

Communication entre les cellules nerveuses
Par Silvia Helena Cardoso, PhD

Toutes nos sensations, sentiments, pensées, réponses motrices et émotionnelles, apprentissage et mémoire, les actions des drogues psychoactives, les causes des troubles mentaux et toute autre fonction ou dysfonctionnement du cerveau humain ne peuvent être compris sans la connaissance du processus fascinant. de communication entre les cellules nerveuses (neurones). Les neurones doivent recueillir en permanence des informations sur l'état interne de l'organisme et de son environnement externe, évaluer ces informations et coordonner les activités appropriées à la situation et aux besoins actuels de la personne.

Comment les neurones traitent-ils ces informations ?

Cela se produit essentiellement au moyen de l'influx nerveux. Une impulsion nerveuse est la transmission d'un signal codé à partir d'un stimulus donné le long de la membrane du neurone, à partir du point où il a été appliqué. Les influx nerveux peuvent passer d'une cellule à l'autre, créant ainsi une chaîne d'informations au sein d'un réseau de neurones.

Deux types de phénomènes interviennent dans le traitement de l'influx nerveux : électrique et chimique. Les événements électriques propagent un signal dans un neurone et des processus chimiques transmettent le signal d'un neurone à un autre ou à une cellule musculaire. Le processus chimique d'interaction entre les neurones et entre les neurones et les cellules effectrices se produit à l'extrémité de l'axone, dans une structure appelée synapse. En touchant de très près la dendrite d'une autre cellule (mais sans continuité matérielle entre les deux cellules), l'axone libère des substances chimiques appelées neurotransmetteurs, qui se fixent sur des récepteurs chimiques dans la membrane du neurone suivant et favorisent des modifications excitatrices ou inhibitrices de sa membrane.

Par conséquent, les neurotransmetteurs permettent aux impulsions nerveuses d'une cellule d'influencer les impulsions nerveuses d'une autre, permettant ainsi aux cellules cérébrales de "se parler", pour ainsi dire. Le corps humain a développé un grand nombre de ces messagers chimiques afin de faciliter la communication interne et la transmission des signaux dans le cerveau. Lorsque tout fonctionne correctement, les communications internes ont lieu sans même que nous en soyons conscients.

Une compréhension de la transmission synaptique est la clé pour comprendre le fonctionnement de base du système nerveux au niveau cellulaire. Le but du système nerveux est de contrôler et de coordonner les fonctions corporelles et de permettre au corps de réagir et d'agir sur l'environnement. La transmission synaptique est le processus clé de l'action intégrative du système nerveux.

Nous avons déjà vu le processus électrique de l'influx nerveux dans l'article précédent. Dans ce numéro, nous allons examiner de plus près le fonctionnement de la synapse et des neurotransmetteurs.

Synapse : point de rencontre entre les neurones

Puisque les neurones forment un réseau d'activités électriques, ils doivent en quelque sorte être interconnectés. Lorsqu'un signal nerveux, ou une impulsion, atteint les extrémités de son axone, il a voyagé sous la forme d'un potentiel d'action ou d'une impulsion électrique. Cependant, il n'y a pas de continuité cellulaire entre un neurone et le suivant, il existe un espace appelé synapse. Les membranes des cellules émettrices et réceptrices sont séparées les unes des autres par l'espace synaptique rempli de liquide. Le signal ne peut pas sauter électriquement à travers l'espace. Ainsi, des produits chimiques spéciaux appelés neurotransmetteurs ont ce rôle. Ils sont libérés par la membrane d'envoi présynaptique et s'infiltrent à travers les récepteurs tp de l'espace sur la membrane postsynaptique du neurone récepteur. La liaison des neurotransmetteurs à ces récepteurs a pour effet de permettre aux ions (particules chargées) d'entrer et de sortir de la cellule réceptrice, comme nous l'avons vu dans l'article sur la conduction neurale.

La direction normale du flux d'informations va de l'axone terminal au neurone cible. Ainsi, l'axone terminal est dit présynaptique (transmet les informations vers une synapse) et le neurone cible est dit postsynaptique (transmet les informations d'une synapse).

Le type de synapse typique et le plus fréquent est celui dans lequel l'axone d'un neurone se connecte à un deuxième neurone en entrant généralement en contact avec l'une de ses dendrites ou avec le corps cellulaire. Cela peut se produire de deux manières : les synapses électriques et chimiques.

La synapse électrique


Une jonction lacunaire. (a) Les neurites de deux cellules connectées
La plupart des synapses des mammifères sont chimiques, mais il existe une forme simple de synapse électrique qui permet le transfert direct du courant ionique d'une cellule à l'autre. Les synapses électriques se produisent sur des sites spécialisés appelés jonctions communicantes. Ils forment des canaux qui permettent aux ions de passer directement du cytoplasme d'une cellule au cytoplasme de l'autre. La transmission au niveau des synapses électriques est très rapide, ainsi, un potentiel d'action dans le neurone présynaptique peut produire presque instantanément, un potentiel d'action dans le neurone postsynaptique. Les synapses électriques dans le SNC des mammifères se trouvent principalement dans des endroits spécialisés où les fonctions normales nécessitent que l'activité des neurones voisins soit hautement synchronisée. Bien que les jonctions communicantes soient relativement rares entre les neurones de mammifères adultes, elles sont très courantes dans une grande variété de cellules non neurales, notamment les cellules musculaires lisses du cœur, les cellules épithéliales, certaines cellules glandulaires, la glie, etc. Elles sont également courantes chez de nombreux invertébrés.

Dans ce type de synapse, le signal entrant est transmis lorsqu'un neurone libère un neurotransmetteur dans la fente synaptique qui est détecté par le deuxième neurone grâce à l'activation de récepteurs placés en face du site de libération.

Les neurotransmetteurs sont des produits chimiques fabriqués par les neurones et utilisés par eux pour transmettre des signaux aux autres neurones ou aux cellules non neuronales (par exemple, le myocarde du muscle squelettique, les cellules de la glande pinéale) qu'ils innervent.

La liaison chimique du neurotransmetteur aux récepteurs provoque une série de changements physiologiques dans le deuxième neurone qui constitue le signal. Habituellement, la libération du premier neurone (appelé présynaptique) est causée par une série d'événements intracellulaires provoqués par une dépolarisation de sa membrane, et presque invariablement lorsqu'un potentiel d'action a lieu.

Schéma et micrographie d'une synapse de la jonction neuromusculaire d'une mouche des fruits.
1 - Les vésicules synaptiques 2 - Neurone présynaptique (axone terminal) 3 - Fente synaptique 4 - Neurone postsynaptique.

Il doit exister un mécanisme par lequel le potentiel d'action provoque l'expulsion du transmetteur stocké dans les vésicules synaptiques dans la fente.

Catégories de synapses chimiques

Il existe deux types de synapses chimiques, selon l'effet qu'elles provoquent sur l'élément postsynaptique :

Ils provoquent une modification électrique excitatrice du potentiel postsynaptique (EPSP). Cela se produit lorsque l'effet net de la libération de l'émetteur est de dépolariser la membrane, la rapprochant du seuil électrique pour déclencher un potentiel d'action. Cet effet est typiquement médié par l'ouverture de canaux membranaires (sorte de pores qui traversent les membranes cellulaires) pour les ions sodium et calcium.

L'enregistrement du potentiel membranaire pour un potentiel postsynaptique inhibiteur (IPSP : en vert) montre une hyperpolarisation, c'est-à-dire une déviation vers le bas dans le tracé, car il devient plus négatif que le potentiel de repos.

Synapses dans le système nerveux central

Arranjements synaptiques dans le SNC. UNE. Une synapse axodendritique, B. une synapse axosomatique. C. Une synapse axoxonique. Différents types de synapse peuvent être distingués par quelle partie du neurone est postsynaptique à la terminaison axonale. Si la membrane postsynaptique est sur une dendrite, la synapse est dite axo-dendritique. Si la membrane postsynaptique est sur le corps cellulaire, la synapse est dite axosomatique. Dans certains cas, la membrane postsynaptique se trouve sur un autre axone et ces synapses sont appelées axoaxoniques. Dans certains neurones spécialisés, les dendrites forment en fait des synapses les unes avec les autres, appelées synapses dendrodendritiques.

Neurotransmetteurs : messagers du cerveau

Chimiquement, les neurotransmetteurs sont des molécules relativement petites et simples. Différents types de cellules sécrètent différents neurotransmetteurs. Chaque substance chimique du cerveau fonctionne dans des emplacements cérébraux largement répandus mais assez spécifiques et peut avoir un effet différent selon l'endroit où elle est activée. Quelque 60 neurotransmetteurs ont été identifiés, et ils appartiennent principalement à l'une des quatre classes suivantes :

1) les cholines dont l'acétylcholine est la plus importante

2) amines biogènes : sérotonine, histamine, et les catécholamines - dopamine et noradrénaline

3) acides aminés - le glutamate et l'aspartate sont des transmetteurs excitateurs bien connus, tandis que l'acide gamma-aminobutyrique (GABA), la glycine et la taurine sont des neurotransmetteurs inhibiteurs.

4) neuropeptides ,- ceux-ci sont formés par de plus longues chaînes d'acides aminés (comme une petite molécule de protéine). Plus de 50 d'entre eux sont connus pour se produire dans le cerveau, et beaucoup d'entre eux ont été impliqués dans la modulation ou la transmission d'informations neuronales.

Neurotransmetteurs importants et leur fonction

Dopamine
Contrôle les niveaux d'excitation et le contrôle moteur dans de nombreuses parties du cerveau. Lorsque les niveaux sont gravement épuisés dans la maladie de Parkinson, les patients sont incapables de bouger volontairement. On pense que le LSD et d'autres drogues hallucinogènes agissent sur le système dopaminergique.

Sérotonine
C'est le neurotransmetteur renforcé par de nombreux antidépresseurs, comme le Prozac, et est ainsi devenu le neurotransmetteur du « bien-être ». Il a un effet profond sur l'humeur, l'anxiété et l'agressivité.

Acétylcholine (ACh)
Contrôle l'activité dans les zones du cerveau liées à l'attention, à l'apprentissage et à la mémoire. Les personnes atteintes de la maladie d'Alzheimer ont généralement de faibles niveaux d'ACh dans le cortex cérébral, et les médicaments qui renforcent son action peuvent améliorer la mémoire chez ces patients.

Noradrénaline
Principalement un produit chimique excitateur qui induit une excitation physique et mentale et une humeur élevée. La production est centrée dans une zone du cerveau appelée le locus coreuleus, qui est l'un des nombreux candidats putatifs pour le centre du «plaisir» du cerveau. La science médicale a prouvé que la norépinéphrine médie la fréquence cardiaque, la pression artérielle, le taux de conversion du glycogène (glucose) en énergie, ainsi que d'autres avantages physiques.

Glutamate
Le neurotransmetteur excitateur majeur du cerveau, vital pour forger les liens entre les neurones qui sont à la base de l'apprentissage et de la mémoire à long terme.

Enképhalines et endorphines
Ce sont des opioïdes qui, comme les drogues héroïne et morphine, modulent la douleur, réduisent le stress, etc. Ils peuvent être impliqués dans les mécanismes de la dépendance physique .


Un microscope à grande vitesse capture des signaux cérébraux fugaces

Des signaux électriques et chimiques clignotent constamment dans notre cerveau lorsque nous nous déplaçons dans le monde, mais il faudrait une caméra à haute vitesse et une fenêtre dans le cerveau pour capturer leurs chemins fugaces.

Université de Californie, Berkeley, les enquêteurs ont maintenant construit une telle caméra : un microscope qui peut imager le cerveau d'une souris alerte 1 000 fois par seconde, enregistrant pour la première fois le passage d'impulsions électriques d'une milliseconde à travers les neurones.

"C'est vraiment excitant, car nous sommes maintenant capables de faire quelque chose que les gens n'étaient vraiment pas capables de faire auparavant", a déclaré le chercheur principal Na Ji, professeur agrégé de physique et de biologie moléculaire et cellulaire à l'UC Berkeley.

La nouvelle technique d'imagerie combine la microscopie à fluorescence à deux photons et le balayage laser tout optique dans un microscope de pointe qui peut imager une tranche bidimensionnelle à travers le néocortex du cerveau de la souris jusqu'à 3 000 fois par seconde. C'est assez rapide pour tracer les signaux électriques circulant dans les circuits cérébraux.

Grâce à cette technique, les neuroscientifiques comme Ji peuvent désormais synchroniser les signaux électriques au fur et à mesure qu'ils se propagent dans le cerveau et finalement rechercher les problèmes de transmission associés à la maladie.

L'un des principaux avantages de la technique est qu'elle permettra aux neuroscientifiques de suivre les centaines à des dizaines de milliers d'entrées qu'une cellule cérébrale donnée reçoit d'autres cellules cérébrales, y compris celles qui ne déclenchent pas le déclenchement de la cellule. Ces entrées inférieures au seuil - excitant ou inhibant le neurone - s'ajoutent progressivement à un crescendo qui déclenche la cellule pour déclencher un potentiel d'action, transmettant des informations à d'autres neurones.

Des électrodes à l'imagerie de fluorescence

La méthode typique d'enregistrement des décharges électriques dans le cerveau, via des électrodes intégrées dans les tissus, ne détecte que les impulsions de quelques neurones au fur et à mesure que les changements de tension en millisecondes passent. La nouvelle technique peut localiser le neurone de déclenchement réel et suivre le chemin du signal, milliseconde par milliseconde.

L'imagerie rapide – mille fois par seconde — montre une activité électrique spontanée dans quatre neurones distincts de 75 microns à l'intérieur du cerveau d'une souris alerte. Il s'agit d'une tranche de 3 microns d'épaisseur à travers le néocortex - si fine que le corps cellulaire du neurone n'est visible qu'en coupe transversale, sous la forme d'un cercle. (Image de l'UC Berkeley par Na Ji)

"Dans les maladies, beaucoup de choses se produisent, avant même que vous ne puissiez voir les neurones se déclencher, comme tous les événements sous le seuil", a déclaré Ji, membre du Helen Wills Neuroscience Institute de l'UC Berkeley. "Nous n'avons jamais regardé comment une maladie allait changer avec une entrée sous le seuil. Maintenant, nous avons une poignée pour résoudre ce problème.

Ji et ses collègues ont rapporté la nouvelle technique d'imagerie dans le numéro de mars du journal Méthodes naturelles. Dans le même numéro, elle et d'autres collègues ont également publié un article démontrant une technique différente pour l'imagerie de la signalisation du calcium sur une grande partie d'un hémisphère entier du cerveau de souris à la fois, une technique qui utilise un « mésoscope » à large champ de vision avec deux -imagerie photonique et balayage de mise au point de Bessel. Les concentrations de calcium sont liées aux changements de tension lorsque les signaux sont transmis à travers le cerveau.

"C'est la première fois que quelqu'un montre en trois dimensions l'activité neuronale d'un si grand volume de cerveau à la fois, ce qui est bien au-delà de ce que les électrodes peuvent faire", a déclaré Ji. "De plus, notre approche d'imagerie nous donne la possibilité de résoudre les synapses de chaque neurone."

Les synapses sont les points où les neurotransmetteurs sont libérés par un neurone pour en exciter ou en inhiber un autre.

L'un des objectifs de Ji est de comprendre comment les neurones interagissent dans de vastes zones du cerveau et éventuellement de localiser les circuits malades liés aux troubles cérébraux.

"Dans les troubles cérébraux, y compris les maladies neurodégénératives, ce n'est pas seulement un seul neurone ou quelques neurones qui tombent malades", a déclaré Ji. « Donc, si vous voulez vraiment comprendre ces maladies, vous voulez pouvoir examiner autant de neurones que possible dans différentes régions du cerveau. Avec cette méthode, nous pouvons obtenir une image beaucoup plus globale de ce qui se passe dans le cerveau. »

Microscopie à deux photons

Ji et ses collègues sont capables de scruter le cerveau grâce à des sondes qui peuvent être fixées à des types spécifiques de cellules et devenir fluorescentes lorsque l'environnement change. Pour suivre les changements de tension dans les neurones, par exemple, son équipe a utilisé un capteur développé par le co-auteur Michael Lin de l'Université de Stanford qui devient fluorescent lorsque la membrane cellulaire se dépolarise lorsqu'un signal de tension se propage le long de la membrane cellulaire.

À l'aide d'un microscope à fluorescence à deux photons avec un champ de vision extra-large, les chercheurs de l'UC Berkeley ont imagé des neurones (verts) dans une grande partie du cortex du cerveau d'une souris vivante. La zone montre des neurites dans un volume de 4,2 mm × 4,2 mm x 100 microns. Les branches sombres sont des vaisseaux sanguins. (Image de l'UC Berkeley par Na Ji)

Les chercheurs éclairent ensuite ces sondes fluorescentes avec un laser à deux photons, ce qui les fait émettre de la lumière, ou fluorescentes, si elles ont été activées. La lumière émise est capturée par un microscope et combinée en une image 2D qui montre l'emplacement du changement de tension ou la présence d'un produit chimique spécifique, tel que l'ion de signalisation, le calcium.

En balayant rapidement le laser sur le cerveau, un peu comme une lampe de poche qui révèle progressivement la scène à l'intérieur d'une pièce sombre, les chercheurs sont en mesure d'obtenir des images d'une seule couche mince du néocortex. L'équipe a pu effectuer 1 000 à 3 000 scans 2D complets d'une seule couche cérébrale chaque seconde en remplaçant l'un des deux miroirs rotatifs du laser par un miroir optique – une technique appelée délai d'amplification angulaire en espace libre (FACED). FACED a été développé par le co-auteur de l'article Kevin Tsia à l'Université de Hong Kong.

L'imagerie en kilohertz a non seulement révélé des changements de tension d'une milliseconde, mais aussi des concentrations de calcium et de glutamate, un neurotransmetteur, changeant plus lentement, jusqu'à 350 microns (un tiers de millimètre) de la surface du cerveau.

Pour obtenir des images 3D rapides du mouvement du calcium à travers les neurones, elle a combiné la microscopie à fluorescence à deux photons avec une technique différente, le balayage à focale de Bessel. Pour éviter les analyses fastidieuses de chaque couche d'un micron d'épaisseur du néocortex, le foyer d'excitation du laser à deux photons est formé d'un point à un petit cylindre, comme un crayon, d'environ 100 microns de long. Ce faisceau de crayon est ensuite balayé à six profondeurs différentes à travers le cerveau, et les images fluorescentes sont combinées pour créer une image 3D. Cela permet un balayage plus rapide avec peu de perte d'informations car dans chaque volume en forme de crayon, généralement un seul neurone est actif à la fois. Le mésoscope peut imager une zone d'environ 5 mm de diamètre - près d'un quart d'hémisphère du cerveau de souris - et 650 microns de profondeur, proche de toute la profondeur du néocortex, qui est impliqué dans le traitement complexe de l'information.

« En utilisant des méthodes conventionnelles, nous aurions à numériser 300 images pour couvrir ce volume, mais avec un faisceau allongé qui réduit le volume sur un seul plan, nous n'avons besoin de numériser que six images, ce qui signifie que nous pouvons maintenant avoir un volumétrique assez rapide. taux pour examiner son activité calcique », a déclaré Ji.

Ji travaille maintenant sur la combinaison de quatre techniques - la microscopie à fluorescence à deux photons, la focalisation du faisceau de Bessel, FACED et l'optique adaptative - pour obtenir des images à grande vitesse et à haute sensibilité profondément dans le néocortex, qui fait environ 1 millimètre d'épaisseur.

"Comme moyen de comprendre le cerveau, mon rêve est de combiner ces techniques de microscopie pour obtenir une résolution spatiale submicronique afin que nous puissions voir les synapses, une résolution temporelle en millisecondes pour l'imagerie de tension, et voir tout cela au plus profond du cerveau", a-t-elle ajouté. . "Ce qui est compliqué et difficile à propos du cerveau, c'est que si vous ne faites qu'une seule section optique, vous n'obtenez pas une image complète, car un réseau de neurones est très tridimensionnel."

Les co-auteurs de l'article sur l'imagerie de tension avec Ji, Lin et Tsia sont Jianglai Wu et Shuo Chen de l'UC Berkeley, Yajie Liang et Ching-Lung Hsu du Janelia Research Campus du Howard Hughes Medical Institute (HHMI) en Virginie, et Mariya Chavarha, Stephen Evans et Dongqing Shi de Stanford.

Les co-auteurs avec Ji sur l'article sur l'imagerie du calcium sont les co-premiers auteurs Rongwen Lu et Yajie Liang de Janelia et Guanghan Meng de l'UC Berkeley Pengcheng Zhou et Liam Paninski de l'Université de Columbia et Karel Svoboda de Janelia.

Le travail de Ji est soutenu par le HHMI et le National Institute of Neurological Disorders and Stroke des National Institutes of Health (U01NS103489, UF1NS107696).


Comment les protéines contrôlent le traitement de l'information dans le cerveau

Une interaction complexe entre différentes protéines est nécessaire pour que l'information passe d'une cellule nerveuse à l'autre. Des chercheurs de l'Université Martin Luther de Halle-Wittenberg (MLU) ont maintenant réussi à étudier ce processus dans les vésicules synaptiques, qui jouent un rôle important dans ce processus. L'étude est parue dans la revue Communication Nature.

Plusieurs milliards de cellules nerveuses communiquent entre elles dans le corps afin que les humains et les autres êtres vivants puissent percevoir et réagir à leur environnement. Une multitude de processus chimiques et électriques complexes se produisent en quelques millisecondes. "Des substances messagères spéciales - connues sous le nom de neurotransmetteurs - sont libérées au niveau des synapses des cellules nerveuses. Elles transmettent des informations entre les cellules nerveuses individuelles", explique le Dr Carla Schmidt, professeure adjointe au Center for Innovation Competence HALOmem à MLU. Les substances messagères sont emballées dans de petites vésicules appelées vésicules synaptiques, qui fusionnent avec la membrane cellulaire en réponse à une impulsion électrique et libèrent les substances messagères. Les substances messagères sont ensuite reconnues par des protéines réceptrices spéciales dans la cellule nerveuse suivante. Pour que cela réussisse, de nombreuses protéines doivent travailler ensemble, s'engrenant comme des rouages ​​dans un mécanisme d'horlogerie. Cependant, on sait actuellement trop peu de choses sur le fonctionnement précis de ce processus, dit Schmidt.

Les chercheurs ont utilisé une forme spéciale de spectrométrie de masse pour étudier le processus. La spectrométrie de masse par réticulation permet d'identifier les sites d'interaction des protéines. Ceux-ci sont mélangés à une substance qui lie les protéines voisines. Cette substance réagit à différents endroits selon la façon dont les protéines interagissent les unes avec les autres. Le spectromètre de masse analyse les schémas de liaison, qui peuvent être utilisés pour tirer des conclusions sur l'arrangement des protéines. Cela permet aux chercheurs d'examiner différentes étapes des vésicules et de détecter quels réseaux de protéines se sont formés.

L'étude de Halle permet une compréhension plus approfondie du processus de transmission du signal dans les cellules nerveuses. La connaissance des processus normaux aide les scientifiques à reconnaître et à comprendre les dysfonctionnements qui pourraient déclencher des maladies telles que la maladie d'Alzheimer.

L'étude a été soutenue par le ministère fédéral de la Recherche et de l'Éducation en Allemagne, le Fonds européen de développement régional (FEDER) et la Fondation Alexander von Humboldt.


Les neurones changent d'identité de manière dynamique en réponse à l'activité cérébrale

On dit souvent que le cerveau humain est l'objet le plus complexe de l'univers connu, et il y a de bonnes raisons de croire que ce vieux cliché est vrai. Même la tâche apparemment simple de compiler un recensement des différents types de cellules qu'il contient s'est avérée extrêmement difficile. Les chercheurs ne peuvent toujours pas s'entendre sur la meilleure façon de classer les nombreux sous-types de neurones, et différentes méthodes produisent des résultats différents, donc les estimations vont de plusieurs centaines à plus d'un millier.

Les cellules paniers illustrent parfaitement cette crise d'identité neuronale. Ils sont actuellement subdivisés en plusieurs types différents, selon leur forme, leurs propriétés électriques et leurs profils moléculaires. Après près de dix ans de travail de détective, les chercheurs du King's College de Londres les révèlent désormais maîtres du déguisement. Dans une nouvelle étude surprenante, ils montrent que ces cellules peuvent passer dynamiquement d'une identité à une autre en réponse à l'activité du réseau neuronal.

Les cellules panier sont un type d'interneurone, qui se trouvent dispersés dans le cortex cérébral, l'hippocampe et le cervelet, et représentent environ 5% du nombre total de cellules dans ces régions du cerveau. Ils forment des circuits locaux entre eux et avec les neurones pyramidaux, les cellules beaucoup plus grandes et plus nombreuses qui transmettent des informations à des parties éloignées du cerveau, et synthétisent le neurotransmetteur inhibiteur GABA, qui atténue l'activité des cellules pyramidales lorsqu'il est libéré.

On pense que ces cellules énigmatiques existent dans plus de vingt types différents, les plus connus étant ceux à pic rapide, qui répondent rapidement aux signaux entrants, et les plus lents, qui répondent après un délai. Au cours du développement du cerveau, des formes immatures de tous les types de cellules paniers sont créées dans une structure appelée éminence ganglionnaire médiale, ainsi que divers autres types de cellules cérébrales. Ils migrent ensuite dans le cortex cérébral en développement, avant de former des connexions synaptiques avec d'autres cellules.

En 2007, Oscar Marín du MRC Center for Developmental Neurobiology et ses collègues ont signalé qu'une protéine appelée Er81 se trouve dans les cellules d'éminence ganglionnaire médiale immatures, ainsi qu'à des niveaux variables dans un petit nombre de cellules à travers le cortex. Er81 est un contrôleur principal qui orchestre l'activité des gènes du développement. Lorsqu'il est synthétisé par une cellule, il pénètre dans le noyau, se lie à des séquences d'ADN spécifiques dans ses gènes cibles et aide les jeunes cellules cérébrales à trouver leur place et leur objectif, en activant et désactivant des ensembles de ces gènes à différents moments et lieux. Il est, par exemple, nécessaire pour spécifier l'identité des neurones sensoriels et moteurs, et contrôle également la façon dont ils se connectent les uns aux autres dans la moelle épinière.

Sa fonction dans les cellules paniers est cependant inconnue, et donc cette nouvelle étude, dirigée par Nathalie Dehorer, a cherché à étudier la possibilité que Er81 spécifie également leur identité. Tout d'abord, ils ont examiné des tranches de tissu du cortex de souris génétiquement modifiées dont les cellules panier produisent une protéine fluorescente verte. Tout d'abord, ils ont utilisé des microélectrodes pour enregistrer l'activité électrique des cellules, confirmant que certains des neurones marqués par fluorescence étaient des cellules panier à pic rapide, et d'autres des cellules lentes. Une autre expérience a révélé que si Er81 est présent à des niveaux élevés dans les cellules à panier lent, il semble complètement absent de celles à pic rapide.

Ensuite, les chercheurs ont créé leurs propres souris génétiquement modifiées, afin de supprimer le gène Er81 dans des régions spécifiques du cerveau et à différents moments de la vie des animaux. La suppression du gène de l'éminence ganglionnaire médiale chez les souris embryonnaires n'a eu aucun effet sur le nombre de cellules panier, ou leur distribution dans le cortex cérébral, indiquant que la protéine n'est pas nécessaire pour leur migration ou pour les premières étapes de la spécification de leur identité. Ils ont cependant remarqué que la plupart des cellules paniers de ces animaux étaient des cellules à pic rapide, ce qui suggère que Er81 est nécessaire pour maintenir l'identité des cellules lentes.

Pour tester cela, les chercheurs ont créé une autre souche de souris et supprimé le gène des cellules panier dans le cortex d'animaux adultes. L'examen du tissu cérébral a révélé que cela provoquait une perte presque complète des cellules panier lentes, en raison de modifications de l'activité des gènes des canaux potassiques, qui contrôlent les propriétés électriques des cellules, ainsi qu'un réarrangement majeur des entrées synaptiques qu'elles reçoivent de autres cellules.

Cette fois, ils ont découvert que les niveaux d'Er81 dans le noyau étaient directement liés à la durée du retard dans les réponses des cellules paniers, et que l'activité du réseau neuronal modifie de manière marquée le rapport entre les cellules paniers rapides et les cellules paniers lentes. Et bien que la molécule Er81 soit absente des cellules rapides, tous les sous-types de cellules panier contiennent des transcrits Er81, les copies du modèle génétique qui sont exportées du noyau pour être utilisées pour la synthèse des protéines.

Ainsi, Er81 semble agir comme un commutateur moléculaire qui peut modifier les propriétés électriques des cellules paniers, leur permettant de se transformer dynamiquement entre des états rapides et lents, en réponse aux changements d'activité du réseau neuronal. Les résultats, publiés dans la revue Science la semaine dernière, suggèrent que les cellules panier existent sur un continuum, plutôt que sous forme de sous-types discrets, qu'elles sont en permanence à l'écoute de l'activité du réseau neuronal et qu'elles s'y adaptent continuellement en basculant entre leurs états rapide et lent.


La congélation instantanée révèle une structure plus vraie des connexions cérébrales

Modèle 3D d'épines dendritiques (violet) faisant des synapses avec des axones contenant des vésicules (jaune). L'arrière-plan montre une image au microscope électronique du tissu cérébral. Crédit : Graham Knott (EPFL)

Des scientifiques de l'EPFL ont utilisé une méthode de congélation instantanée pour révéler la véritable structure des connexions qui unissent les neurones entre eux dans le cerveau adulte.

La plupart des connexions synaptiques dans le cerveau adulte sont situées sur des épines dendritiques, de petites protubérances micrométriques de long s'étendant de la surface des neurones. La taille et la forme exactes des épines déterminent la qualité de la transmission des signaux d'un neurone à un autre.

Ces détails deviennent très importants lorsque les neuroscientifiques veulent modéliser des circuits cérébraux ou comprendre comment l'information est transmise entre les neurones à travers les circuits neuronaux du cerveau. Cependant, leur petite taille et les difficultés à préserver le tissu cérébral dans son état naturel ont toujours laissé la question ouverte de savoir quelle est la véritable structure de la colonne vertébrale dendritique.

Des scientifiques de la Faculté des sciences de la vie de l'EPFL ont maintenant utilisé une méthode de congélation instantanée de jets d'azote liquide, combinée à de très hautes pressions, pour conserver instantanément de petits morceaux de tissu cérébral. Les chercheurs, des laboratoires de Graham Knott et Carl Petersen, ont ensuite utilisé une imagerie 3D haute résolution avec des microscopes électroniques pour révéler comment la véritable structure de la colonne vertébrale dendritique était similaire à celle montrée dans les études précédentes, à l'exception d'un aspect important : méthode de congélation instantanée a montré des épines dendritiques avec des cous significativement plus minces.

Cette découverte valide un ensemble considérable de données théoriques et fonctionnelles remontant à de nombreuses années, qui montrent que les épines dendritiques sont des compartiments chimiques, ainsi qu'électriques, isolés du reste du neurone par un cou mince et à haute résistance. Les variations du diamètre du cou ont un impact important sur la façon dont une synapse influence le reste du neurone.

"En plus de révéler la véritable forme de ces structures cérébrales importantes, ce travail met en évidence l'utilité des méthodes de congélation rapide et de la microscopie électronique pour obtenir une vue plus détaillée de l'architecture des cellules et des tissus", explique Graham Knott.


Voir la vidéo: lexplication la plus facile - Neurones et Transmission Neuronale (Août 2022).