Un nouveau modèle de circuit pour mieux comprendre le cerveau

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Des scientifiques de l’EPFL ont mis au point un modèle informatique du microcircuit thalamique dans le cerveau de la souris. Ce modèle apporte de nouvelles informations sur le rôle de cette aire cérébrale dans le fonctionnement et le dysfonctionnement du cerveau.

Le thalamus et le noyau réticulaire thalamique sont situés au coeur du cerveau des mammifères. Ils jouent un rôle clé dans de nombreuses fonctions, notamment la transmission d’informations sensorielles au cortex et la transition entre des états cérébraux tels que le sommeil et la veille. Cependant, les altérations des tirs et de l’interconnectivité des neurones thalamiques ont été associées à des rythmes cérébraux pathologiques et à des changements dans les ondes cérébrales rythmiques se produisant pendant le sommeil, qui ont été observés dans des troubles tels que la schizophrénie, les troubles du développement neurologique, le trouble déficitaire de l’attention avec hyperactivité et la maladie d’Alzheimer.

Mis au point par l’équipe Blue Brain, ce nouveau modèle est le premier à capturer les formes complexes et les propriétés biophysiques de 14 000 neurones connectés par 6 millions de synapses. Il peut servir à explorer la complexité structurelle et fonctionnelle des circuits neuronaux. Le modèle reproduit également plusieurs résultats expérimentaux indépendants au niveau du réseau dans différents états cérébraux, et fournit une nouvelle explication cellulaire et synaptique unificatrice de l’activité spontanée et évoquée à la fois dans la veille et dans le sommeil.

L’une des principales conclusions de l’étude est que le rebond inhibiteur, un processus qui permet de réguler l’activité des cellules nerveuses, produit une augmentation des réponses thalamiques pendant la veille à certaines fréquences. Le modèle a également révélé que les interactions thalamiques génèrent les oscillations caractéristiques du fuseau, les ondes cérébrales rythmiques observées pendant le sommeil, et que les changements dans l’excitabilité des cellules thalamiques contrôlent la fréquence et l’occurrence de ces oscillations du fuseau.

«C’est particulièrement utile pour interpréter la présence ou l’absence de fuseaux dans différents troubles cérébraux», souligne Elisabetta Iavarone , principale autrice. «Cette approche a permis d’obtenir le premier modèle morphologique et biophysique détaillé d’un microcircuit thalamique, démontrant que la méthode de modélisation développée par Blue Brain pour les microcircuits corticaux peut être appliquée à d’autres aires cérébrales», ajoute Henry Markram , fondateur et directeur du Blue Brain Project.

«Les modèles informatiques et les simulations peuvent faciliter l’intégration et la normalisation de différentes sources de données expérimentales, mettre en évidence les expériences clés manquantes et, en même temps, fournir un outil pour tester des hypothèses et explorer la complexité structurelle et fonctionnelle des circuits neuronaux», explique Sean Hill , co-directeur du Blue Brain Project et directeur scientifique du Krembil Centre for Neuroinformatics.

Publiée dans le dernier numéro de Cell Reports , la recherche représente une avancée significative en matière de compréhension du rôle du thalamus et du noyau réticulaire thalamique dans le fonctionnement et le dysfonctionnement du cerveau. Le modèle mis au point par le Blue Brain Project de l’EPFL est désormais accessible aux chercheuses et chercheurs qui peuvent l’utiliser pour leurs propres études.

«Ce modèle est disponible en libre accès et fournit un nouvel outil pour interpréter les oscillations du fuseau et tester des hypothèses sur le fonctionnement et le dysfonctionnement du circuit thalamoréticulaire dans différents états du réseau, dans la santé et la maladie», conclut Sean Hill.

Références

Thalamoreticular Microcircuit Portal

Iavarone, E., Simko, J., Shi, Y., Bertschy, M., García-Amado, M., Litvak, P., Kaufmann, A.-K., O’Reilly, C., Amsalem, O., Abdellah, M., Chevtchenko, G., Coste, B., Courcol, J.-D., Ecker, A., Favreau, C., Fleury, A. C., Van Geit, W., Gevaert, M., Guerrero, N. R, Herttuainen, J., Ivaska, G., Kerrien, S., King, J.G., Kumbhar, P., Lurie, P., Magkanaris, I., Muddapu, V.R., Nair, J., Pereira, F.L., Perin, R., Petitjean, F., Ranjan, R., Reimann, M., Soltuzu, L., Sy, M.F., Tuncel, M.A., Ulbrich, A., Wolf, M., Clascá, F., Markram, H., & Hill, S. L. (2023). Thalamic control of sensory processing and spindles in a biophysical somatosensory thalamoreticular circuit model of wakefulness and sleep. Cell Reports, 42(3), 112200. https://doi.org/10.1016/­j.celrep.2­023.112200