Des circuits neuronaux simples composés de deux populations de neurones en interaction présentent une capacité remarquable à s'adapter à de multiples résonances non linéaires organisées dans des diagrammes étonnamment divers et intrigants. La figure montre les schémas de verrouillage de six circuits différents réglés pour présenter cette propriété. Lorsqu'il est entraîné par une entrée périodique, les circuits peuvent être entraînés dans les différents régimes sous-harmoniques indiqués par des couleurs différentes. Dans ces circuits, de petites modulations de l'entrée périodique peuvent entraîner des rythmes stables qualitativement différents. Cela fournit une stratégie pour obtenir une diversité de formes d'onde avec plusieurs échelles de temps à partir de l'interaction non linéaire des populations neuronales et de leur dynamique intrinsèque. Crédit :Leandro Alonso
Les chercheurs qui étudient le cerveau s'intéressent depuis longtemps à ses oscillations neuronales, l'activité électrique rythmique qui joue un rôle important dans la transmission de l'information au sein des circuits neuronaux du cerveau. Chez le rat, Il a été démontré que les oscillations dans la région de l'hippocampe du cerveau encodent des informations décrivant la position de l'animal dans un espace physique. Chez l'homme, les oscillations neurales sont souvent étudiées en relation avec l'épilepsie et divers troubles du sommeil bien que des questions subsistent quant à leur fonction précise.
Pour les neuroscientifiques computationnels, qui étudient comment différentes structures du cerveau traitent l'information, une facette intéressante de cette activité est la capacité du tissu neural à répondre aux stimuli externes avec différents types d'oscillations.
« Ces diverses réponses sous-tendent plusieurs questions importantes en neurosciences, " a expliqué Leandro Alonso, un neuroscientifique computationnel et ancien boursier postdoctoral à l'Université Rockefeller à New York. « Comment le même tissu neural fait-il différentes choses à différents moments ? Comment l'information est-elle altérée par les connexions et la dynamique intrinsèque du circuit neuronal ? »
Travailler avec le modèle Wilson-Cowan, un modèle largement utilisé en neurosciences computationnelles qui décrit l'activité moyenne de populations de neurones interconnectés, Alonso a conçu un nouvel outil mathématique pour aider d'autres neuroscientifiques à explorer le large éventail de réponses possibles à partir d'un simple circuit neuronal.
Alonso explique ses découvertes cette semaine dans le journal le chaos .
"Il est utile dans la modélisation de concepts en neurosciences d'avoir un système qui produira une gamme variée de comportements pour de petits changements d'un paramètre de contrôle, car cela peut aider à fournir des informations sur la façon dont le même tissu neural présente des réponses différentes, " Alonso a dit, dont la recherche a été financée par une bourse de la Fondation Leon Levy.
Le modèle d'Alonso repose sur un concept mathématique appelé « oscillateur non linéaire ». Lorsque les oscillateurs, quantités en état de fluctuation répétitive, sont linéaires, l'oscillateur répond à une entrée externe en reflétant son rythme ou sa fréquence. En revanche, avec des oscillateurs non linéaires, la fréquence de la réponse oscillatoire varie de la fréquence de l'entrée. Des différences peuvent souvent être observées également dans la forme des oscillations de la réponse.
Bien que l'oscillation non linéaire ne soit pas spécifique aux neurosciences, Alonso a été agréablement surpris de voir à quel point il s'est bien intégré au modèle Wilson-Cowan pour offrir un aperçu de la façon dont les neurones peuvent être connectés afin qu'ils produisent une gamme variée d'oscillations lorsqu'ils sont stimulés.
"Quand vous observez la complexité des phénomènes oscillatoires dans le cerveau, il semble raisonnable de supposer qu'il peut être expliqué par un système tout aussi complexe qui sous-tend ces oscillations, " dit Alonso. " Que ce soit le cas ou non, il est intéressant de noter qu'un simple circuit avec seulement deux populations de neurones interconnectés peut produire un répertoire d'activités tout aussi diversifié. »
Dans son article, Alonso comprend une série de « diagrammes de verrouillage » colorés qui représentent visuellement la variété de réponses possibles en tant que paramètres du stimulus externe, tels que sa fréquence et son amplitude, sont subtilement modifiés.
"Les différentes couleurs montrent comment la fréquence de la réponse a changé, " a expliqué Alonso.
Alonso, qui a commencé à étudier les oscillations non linéaires des neurones lors de sa formation au Laboratoire de systèmes dynamiques de l'Université de Buenos Aires, pense que son modèle peut aider d'autres neuroscientifiques computationnels travaillant sur leurs propres modèles.
"J'espère que la procédure sera utile pour dériver les paramètres des circuits neuronaux tels que leurs connectivités, de sorte qu'une oscillation entrante déclenchera plusieurs types de réponses différentes, " a déclaré Alonso. " Il est également possible que la discussion plus large des oscillations non linéaires puisse être utile aux scientifiques examinant d'autres systèmes biologiques qui présentent des réponses dynamiques comparables. "
Le prochain projet de recherche d'Alonso sera d'étudier les propriétés des systèmes qui ont plusieurs circuits neuronaux avec ces propriétés connectées ensemble.
