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Science. La coopération des aires cérébrales dans la génération d'une représentation globale.

Il n'est pas nécessaire de disposer d'une forte compétence en neurosciences pour comprendre que les représentations globales de l'environnement que notre cerveau se construit en permanence résultent d'une coopération entre diverses aires associées aux sens

Image. Commentaire

Illustrating the ability to record several layers of brain regions simultaneously, 741 electrodes in two Neuropixels probes recorded signals from five major brain structures in 13 awake head-fixed mice. The number of putative single neurons from each structure is shown in parentheses. (Approximate probe locations are shown overlaid on the Allen Mouse Brain Atlas at the left.) (credit: James J. Jun et al./Nature)

Si nous décidons de traverser une rue fréquentée en évitant la circulation, nos aires visuelles nous donnent des images du trafic auto que nous utilisons pour passer sans rencontrer une voiture. Mais à celles-ci sont associées des perceptions auditives, par exemple absence de bruit de moteur proche. Au delà de ces perceptions immédiates, nous jugeons de l'opportunité de traverser, quitte à faire vite pour éviter les risques de rencontre, en fonction de l'urgence que nous ressentons à le faire compte-tenu du plus ou moins grand désir, par exemple, d'honorer un rendez-vous.

L'observation de l'activité des neurones et des réseaux de neurones par l'IRM fonctionnelle (https://www.imaios.com/fr/e-Cours/e-MRI/irm-fonctionnelle-cerebrale/applications-irm-fonctionnelle) est difficile quand il s'agit de procéder à une observation limitée sur un sujet vivant et actif. Pratiquement elle est limitée à une seule aire cérébrale, par exemple l'aire visuelle quand il s'agit d'identifier l'activité d'un neurone ou d'un réseau de neurones correspondant à la perception visuelle d'un objet. Il était jusqu'ici impossible d'enregistrer simultanément l'activité neuronale se produisant dans les diverses aires associées à une activité complexe, telle que décider de traverser une rue.

D'où l'intérêt que provoque la publication dans la revue Nature du 8 novembre 2017, référencée https://www.nature.com/articles/nature24636 d'un article décrivant les résultats de la recherche d'une équipe internationale de neuroscientifiques et d'ingénieurs ayant disposé pour ce faire d'un crédit de 5;5 millions de dollars.

L'équipe a mis au point une sonde cérébrale qu'elle a baptisé Neuropixels probe permettant d'observer l'activité simultanée de centaines de neurones appartenant à différentes aires cérébrales d'un sujet vivant le livrant à une tâche déterminée. Bien évidemment ce sujet n'est pas un humain mais en l'espèce une souris. Le cerveau de celle-ci, comme celui d'un humain, placée dans une situation complexe donnée, doit coordonner l'activité de zones cérébrales différentes quand il s'agit de donner à l'animal la capacité d'une action complexe s'appuyant sur une cognition globale.

La sonde Neuropixels est proche des sondes de même nature utilisées par les neurosciences depuis des années pour détecter l'activité électrique dans les cerveaux d'animaux vivants. Mais elle en diffère sur deux points critiques.

- Le premier réside dans les dimensions. Le diamètre de la sonde est, selon les exemplaires, de 20 à 70 micromètres, soit moindre que celui d'un cheveu humain. Sa longueur est d'1 centimètre, qui correspond à celle d'un cerveau de souris. Plusieurs de ces sondes peuvent en conséquence être implantées sans dommage dans plusieurs régions cérébrales du cerveau du rongeur, afin d'y détecter leur activité simultanée dans des circonstances données. Sur cette longueur, il a été possible de placer 960 électrodes fournissant un enregistrement coordonné. Inutile de dire qu'il s'agit déjà là d'un exploit en termes de microélectronique

- Le second point critique tient au fait que chacune de ces sondes incorpore un système d'enregistrement complet, évitant les coûts et les risques découlant de la gestion de multiples réseaux de sortie extérieurs.

Ainsi pourra être mesurée et rapprochée l'activité de plusieurs neurones appartenant à des aires cérébrales différentes confrontés à une tâche complexe. Les chercheurs considèrent que la sonde Neuropixels permettra des avancées considérables dans l'étude des activités cérébrales de divers sujets d'expérience, qui pourront ne pas seulement être des souris. Il n'est pas question d'envisager son implantation dans des cerveaux humains, mais les résultats des études réalisées sur des cerveaux animaux pourront vraisemblablement être transposés aux neurosciences humaines
Ces sondes n'existent encore que sous forme de prototypes, mais très prochainement elles devraient pouvoir être réalisées et mises à la disposition de tous les laboratoires intéressés.On trouvera dans l'article de Nature les références des nombreux chercheurs ayant participé à ce travail qui pourrait être révolutionnaire.
 

Abstract

 Sensory, motor and cognitive operations involve the coordinated action of large neuronal populations across multiple brain regions in both superficial and deep structures. Existing extracellular probes record neural activity with excellent spatial and temporal (sub-millisecond) resolution, but from only a few dozen neurons per shank. Optical Ca2+imaging offers more coverage but lacks the temporal resolution needed to distinguish individual spikes reliably and does not measure local field potentials. Until now, no technology compatible with use in unrestrained animals has combined high spatiotemporal resolution with large volume coverage. Here we design, fabricate and test a new silicon probe known as Neuropixels to meet this need. Each probe has 384 recording channels that can programmably address 960 complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) processing-compatible low-impedance TiN6 sites that tile a single 10-mm long, 70 × 20-μm cross-section shank. The 6 × 9-mm probe base is fabricated with the shank on a single chip. Voltage signals are filtered, amplified, multiplexed and digitized on the base, allowing the direct transmission of noise-free digital data from the probe. The combination of dense recording sites and high channel count yielded well-isolated spiking activity from hundreds of neurons per probe implanted in mice and rats. Using two probes, more than 700 well-isolated single neurons were recorded simultaneously from five brain structures in an awake mouse. The fully integrated functionality and small size of Neuropixels probes allowed large populations of neurons from several brain structures to be recorded in freely moving animals. This combination of high-performance electrode technology and scalable chip fabrication methods opens a path towards recording of brain-wide neural activity during behaviour.


 

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13/11/2017

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