Neurones du cortex cérébral de souris reconstruits à partir d'images de microscopie électronique (gris). Chaque cellule nerveuse forme des contacts avec des milliers d'autres cellules. Les scientifiques analysent les caractéristiques de ces réseaux à l'aide de simulations informatiques. Crédit :MPI f. Recherche sur le cerveau/ Berning, Börgens, Helmstaedter
Les neurones qui restent actifs même après que le stimulus déclencheur a été réduit au silence forment la base de la mémoire à court terme. Le cerveau utilise des neurones rythmiquement actifs pour combiner de plus grands groupes de neurones en unités fonctionnelles. Jusqu'à maintenant, les neuroscientifiques ont, pour la plupart, étudié ces propriétés et d'autres à l'aide de modèles de réseau, dont chacun ne peut recréer qu'une seule propriété. Des scientifiques de l'Institut Max Planck pour la recherche sur le cerveau à Francfort ont maintenant montré comment le nouveau modèle peut être utilisé pour étudier plusieurs propriétés en parallèle. D'après leurs calculs, toutes les propriétés partagent une base commune :les canaux ioniques de la membrane cellulaire qui contrôlent la force avec laquelle les neurones sont stimulés électriquement. L'émergence de ces propriétés ne nécessite pas de plasticité synaptique - une découverte qui aide à expliquer, par exemple, pourquoi certains médicaments psychoactifs peuvent avoir des effets secondaires de grande envergure.
"Ce que je ne peux pas créer, Je ne comprends pas." Fidèle à cette observation du physicien américain Richard Feynman, les neuroscientifiques s'efforcent de modéliser virtuellement le cerveau humain à l'intérieur d'un ordinateur. Ils se concentrent spécifiquement sur le cortex cérébral, qui est responsable des capacités cognitives supérieures.
L'un des modèles informatiques du cortex cérébral développé ces dernières années est connu sous le nom de modèle de réseau supralinéaire stabilisé (SNN). Il est basé, entre autres, en supposant que la relation entre les signaux d'entrée et de sortie n'est pas linéaire. Les neurones virtuels du modèle sont conçus de manière à ce qu'une légère augmentation de l'entrée puisse entraîner une sortie considérablement amplifiée. Le SSN est constitué d'éléments qui s'activent ou s'inhibent mutuellement, tout comme le cerveau consiste à stimuler et à inhiber les neurones. D'autre part, les connexions entre les éléments, c'est-à-dire les synapses virtuelles, sont immuables. Ainsi, contrairement aux synapses du cortex cérébral, les connexions dans le SSN ne peuvent pas être augmentées ou atténuées.
Des études antérieures avaient montré que le SSN incarne des propriétés importantes pour le traitement des signaux d'entrée similaires aux centres du cortex cérébral qui traitent les informations visuelles. Ils comprennent, par exemple, normalisation des stimuli visuels de différentes forces, amplification de l'activité pour les faibles contrastes et suppression des stimuli voisins. Un tel réseau pourrait-il également constituer la base d'autres propriétés du cortex cérébral ?
Les canaux ioniques sont intégrés dans la membrane cellulaire des neurones. L'étranglement à l'intérieur du canal, le pore dit du canal, détermine sa perméabilité pour différents ions (rouge, vert). Par ça, les canaux ioniques contribuent considérablement à l'activité électrique des neurones – et selon les dernières découvertes, même aux caractéristiques des réseaux neuronaux. Crédit :MPI f. Médecine expérimentale
Selon les analyses effectuées par les scientifiques de l'Institut Max Planck de recherche sur le cerveau, c'est effectivement le cas. Par exemple, les neurones virtuels du SSN restent actifs en permanence, même après que le signal d'activation d'origine a été réduit au silence. "C'est un préalable au stockage à court terme ou aux informations sensorielles, c'est-à-dire la mémoire de travail du cerveau, " dit Nataliya Kraynyukova de l'Institut Max Planck pour la recherche sur le cerveau. De plus, le modèle de réseau peut générer une activité rythmique. De tels signaux croissants et décroissants sont des caractéristiques typiques du cortex cérébral et apparaissent comme des modèles d'activité ondulatoires sur les électroencéphalogrammes.
Mémoire à court terme sans plasticité synaptique
Les résultats montrent que des capacités étendues telles que la mémoire à court terme et la normalisation des signaux de contraste pourraient partager une base neuronale commune, à savoir les canaux ioniques dans la membrane cellulaire. La plasticité synaptique n'est pas requise. « Cela nous a étonnés, car on pense depuis des années que la plasticité synaptique est un mécanisme clé pour le stockage de l'information dans le cerveau. Évidemment, cependant, cela ne s'applique pas à la mémoire à court terme, ", dit Tatjana Tchumatchenko.
Les nouvelles découvertes aident également à expliquer pourquoi certains médicaments psychoactifs ont des effets secondaires indésirables en plus de leur effet principal souhaité :certains médicaments modifient l'activité de certains canaux ioniques dans le cerveau. "De nombreux médicaments pour l'épilepsie et la migraine, par exemple la carbamazépine et le topiramate, bloquer l'activité des canaux sodiques déclenchés par le potentiel. Nous savons maintenant que cela peut avoir un impact sur des activités importantes du cerveau et, par exemple, affecter la mémoire à court terme, " explique Tchumatchenko.
