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Numéro
Med Sci (Paris)
Volume 24, Numéro 10, Octobre 2008
Page(s) 802 - 804
Section Nouvelles
DOI https://doi.org/10.1051/medsci/20082410802
Publié en ligne 15 octobre 2008

Parvenir à comprendre les mécanismes neuronaux de la perception sensorielle est l’un des plus vieux défis que les neurophysiologistes ont tenté de relever. Des décennies de recherches les ont menés à décrire les différents relais neuronaux par lesquels chemine l’information sensorielle depuis la périphérie vers les aires sensorielles primaires du cortex cérébral. Cependant, la manière dont l’activation de neurones, au sein du réseau dense et complexe que constitue le cortex cérébral, peut induire la genèse d’une sensation, est aujourd’hui encore l’objet de recherches intensives.

Pour appréhender la relation entre l’activité neuronale au sein des aires sensorielles primaires et la perception, de nombreuses études se sont fondées sur des expériences de microstimulations. Des stimulations électriques de l’ordre du microampère, délivrées au niveau du cortex somatosensoriel primaire, peuvent en effet induire des sensations comparables à celles qu’évoquent des stimulations mécaniques appliquées en périphérie [14]. Cependant, ces expériences de microstimulations corticales ne permettent de connaître ni la quantité, ni l’identité des neurones à l’origine de la sensation évoquée (Figure 1A).

thumbnail Figure 1.

De nouvelles méthodes de stimulation développées chez le rongeur permettent de cibler des neurones spécifiques du cortex in vivo. A. Avec la méthode de microstimulation classique consistant à délivrer un courant de quelques microampères dans une zone donnée du cortex à l’aide d’une microélectrode de tungstène, il n’est possible de déterminer ni la nature ni le nombre de neurones stimulés. B. La technique de photostimulation utilisée par Huber et ses collaborateurs [5] permet d’activer spécifiquement les neurones exprimant la channelrhodopsin-2 (CR2) en appliquant un flash lumineux (470 nm) à l’aide d’une diode électroluminescente (LED) placée à la surface du cortex. L’expression de la CR2 était ici restreinte aux neurones excitateurs (pyramidaux) des couches superficielles (2/3) du cortex. Le nombre de neurones activés par le flash lumineux dépend de l’intensité lumineuse utilisée. C. Houweling et Brecht [6] ont adopté une approche expérimentale permettant de stimuler un seul neurone, en approchant une micropipette de verre de son corps cellulaire. Cette microélectrode juxtacellulaire permet à la fois d’identifier le profil de décharge de potentiels d’action du neurone cible et de le stimuler par des injections de courant de quelques nanoampères.

Soixante et un neurones pour une goutte d’eau

Deux articles publiés récemment dans la revue Nature, tirant parti d’approches expérimentales novatrices, ouvrent de nouvelles perspectives pour la compréhension des bases neuronales de la perception [5, 6]. En manipulant spécifiquement l’activité de certains neurones du cortex somatosensoriel primaire de rongeurs éveillés, les auteurs ont démontré qu’une modification de l’activité d’un très faible nombre de neurones, voire de neurones uniques, peut être détectée et interprétée par l’animal.

Dans la première étude [5], Huber et al., ont utilisé la méthode d’électroporation in utero [7] pour exprimer spécifiquement la channelrhodopsin-2 (CR2) dans les neurones excitateurs (pyramidaux) des couches superficielles (2/3) du cortex de souris. La CR2 est une protéine, récemment identifiée à partir de l’algue unicellulaire Chlamydomonas reinhardtii, dont l’activation par la lumière bleue (~ 470 nm) induit l’ouverture d’un canal cationique [8, 9]. Ici, les auteurs ont utilisé une diode électroluminescente (LED) miniature, placée à la surface du cortex, pour stimuler la CR2 exprimée par les neurones corticaux (Figure 1B). Des enregistrements électrophysiologiques leur ont permis de vérifier que les neurones exprimant la CR2 répondaient à l’application d’un éclair d’une milliseconde par une dépolarisation menant à la décharge d’un potentiel d’action. La quantité de neurones ainsi activés est directement dépendante de l’intensité lumineuse utilisée. Ils ont ensuite entraîné les souris à une tâche de détection consistant à associer la photostimulation de neurones corticaux à une récompense en eau. Les animaux démarraient un essai en plaçant leur museau dans une cavité centrale, la photostimulation (5 éclairs lumineux d’une milliseconde à 20 Hz) était alors délivrée, ou non, au niveau du cortex somatosensoriel primaire. Les souris devaient ensuite placer leur museau dans une autre cavité, d’un côté de la position d’initiation lorsque la stimulation avait été délivrée, ou du côté opposé en l’absence de stimulation. Les réponses correctes étaient récompensées par une goutte d’eau. Après quelques séances d’entraînement, toutes les souris exprimant la CR2 ont atteint un taux de 72 % à 93 % de réponses correctes. Les auteurs ont démontré que la stimulation de 61 neurones en moyenne est suffisante dans ces conditions pour obtenir une performance robuste (plus de 65 % de réponses correctes). Par contre, lorsqu’un seul éclair lumineux était délivré, induisant donc un seul potentiel d’action dans les neurones stimulés, 300 neurones devaient être activés simultanément pour obtenir un bon niveau de performance.

Stimulation de neurones uniques

Dans la seconde étude [6], Houweling et Brecht ont entraîné des rats à une tâche de détection consistant à associer, dans un premier temps, une microstimulation classique (2-8 µA, 200 ms), délivrée au niveau des couches 4/5 du cortex somatosensoriel primaire, à une récompense en eau. Lorsque l’animal répondait à la stimulation par un mouvement de léchage immédiat (entre 100 et 1 200 ms après le stimulus), il était récompensé par une goutte d’eau. En revanche, si l’animal répondait en l’absence de stimulation, un délai supplémentaire était imposé avant le début de l’essai suivant. Dans ces conditions expérimentales, une seule session d’entraînement était suffisante pour que les rats apprennent la tâche de détection. Dès l’acquisition d’un bon niveau de performances, une pipette de verre était introduite dans le cortex, à proximité de l’électrode utilisée pour les microstimulations, et mise en contact « juxtacellulaire » avec un neurone unique (Figure 1C). Après avoir vérifié que l’injection de courant (3-43 nA) par cette électrode juxtacellulaire était capable de déclencher en moyenne 14,2 potentiels d’action par neurone stimulé, les auteurs ont continué à entraîner les animaux en faisant intervenir, de manière aléatoire, soit des microstimulations (40 %), soit des stimulations juxtacellulaires de neurones uniques (40 %), en plus d’essais sans stimulation (20 %). Ces expériences ont permis de démontrer que les stimulations juxtacellulaires conduisent à un taux de réponses (27,4 %) légèrement supérieur à celui observé en l’absence de stimulation (20,6 %, p = 0,019). Les résultats obtenus avec des stimulations de neurones uniques varient largement en fonction des neurones stimulés. Les auteurs ont observé en particulier que la stimulation d’interneurones inhibiteurs conduisait à des performances comportementales plus importantes, mais aussi plus variables que celle de neurones excitateurs.

De nouveaux outils pour comprendre la perception sensorielle

Les deux études présentées ici ont donc permis d’évaluer la manière dont l’activation de neurones spécifiques du cortex somatosensoriel primaire peut influencer le comportement de l’animal. Les résultats indiquent que quelques potentiels d’actions évoqués dans un nombre restreint de neurones peuvent être détectés et interprétés par l’animal. Les seuils de perception décrits ici sont bien inférieurs à ceux estimés à partir des expériences classiques de microstimulations corticales [10]. Si les données présentées par Houweling et Brecht sont relativement limitées en termes d’effets comportementaux, elles indiquent que les neurones excitateurs et inhibiteurs du cortex auraient des influences distinctes sur la perception sensorielle. Au-delà de ces résultats, nous découvrons, avec le travail de Huber et al., l’application de nouvelles approches expérimentales qui s’avéreront certainement déterminantes dans la compréhension des mécanismes neuronaux impliqués dans la perception sensorielle. En effet, le développement récent d’outils qui permettent d’activer ou d’inhiber spécifiquement l’activité de neurones génétiquement ciblés est aujourd’hui en plein essor [11]. La démonstration de leur efficacité in vivo, chez l’animal éveillé, va certainement donner lieu à de nouveaux champs d’investigations visant à identifier les composants neuronaux du circuit cortical spécifiquement impliqués dans différents aspects du comportement.

Références

  1. Romo R, Hernandez A, Zainos A, et al. Sensing without touching : psychophysical performance based on cortical microstimulation. Neuron 2000; 26 : 273–8. (Dans le texte)
  2. Romo R, Hernandez A, Zainos A, Salinas E. Somatosensory discrimination based on cortical microstimulation. Nature 1998; 392 : 387–90.
  3. Butovas S, Schwarz C. Detection psychophysics of intracortical microstimulation in rat primary somatosensory cortex. Eur J Neurosci 2007; 25 : 2161–9.
  4. Leal-Campanario R, Gado-Garcia JM, Gruart A. Microstimulation of the somatosensory cortex can substitute for vibrissa stimulation during Pavlovian conditioning. Proc Natl Acad Sci USA 2006; 103 : 10052–7. (Dans le texte)
  5. Huber D, Petreanu L, Ghitani N, et al. Sparse optical microstimulation in barrel cortex drives learned behaviour in freely moving mice. Nature 2008; 451 : 61–4. (Dans le texte)
  6. Houweling AR, Brecht M. Behavioural report of single neuron stimulation in somatosensory cortex. Nature 2008; 451 : 65–8. (Dans le texte)
  7. Hatanaka Y, Hisanaga S, Heizmann CW, Murakami F. Distinct migratory behavior of early- and late-born neurons derived from the cortical ventricular zone. J Comp Neurol 2004; 479 : 1–14. (Dans le texte)
  8. Nagel G, Szellas T, Huhn W, et al. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. Proc Natl Acad Sci USA 2003; 100 : 13940–5. (Dans le texte)
  9. Boyden ES, Zhang F, Bamberg E, et al. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nat Neurosci 2005; 8 : 1263–8. (Dans le texte)
  10. Tehovnik EJ. Electrical stimulation of neural tissue to evoke behavioral responses. J Neurosci Methods 1996; 65 : 1–17. (Dans le texte)
  11. Knopfel T. Expanding the toolbox for remote control of neuronal circuits. Nat Methods 2008; 5 : 293–5. (Dans le texte)

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Liste des figures

thumbnail Figure 1.

De nouvelles méthodes de stimulation développées chez le rongeur permettent de cibler des neurones spécifiques du cortex in vivo. A. Avec la méthode de microstimulation classique consistant à délivrer un courant de quelques microampères dans une zone donnée du cortex à l’aide d’une microélectrode de tungstène, il n’est possible de déterminer ni la nature ni le nombre de neurones stimulés. B. La technique de photostimulation utilisée par Huber et ses collaborateurs [5] permet d’activer spécifiquement les neurones exprimant la channelrhodopsin-2 (CR2) en appliquant un flash lumineux (470 nm) à l’aide d’une diode électroluminescente (LED) placée à la surface du cortex. L’expression de la CR2 était ici restreinte aux neurones excitateurs (pyramidaux) des couches superficielles (2/3) du cortex. Le nombre de neurones activés par le flash lumineux dépend de l’intensité lumineuse utilisée. C. Houweling et Brecht [6] ont adopté une approche expérimentale permettant de stimuler un seul neurone, en approchant une micropipette de verre de son corps cellulaire. Cette microélectrode juxtacellulaire permet à la fois d’identifier le profil de décharge de potentiels d’action du neurone cible et de le stimuler par des injections de courant de quelques nanoampères.

Dans le texte

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