Une souris est courir sur un tapis roulant intégré dans un couloir de réalité virtuelle. Dans son esprit, il se voit se précipiter dans un tunnel avec un motif distinctif de lumières devant lui. Grâce à l’entraînement, la souris a appris que si elle s’arrête aux lumières et maintient cette position pendant 1,5 seconde, elle recevra une récompense : un petit verre d’eau. Ensuite, il peut se précipiter vers un autre ensemble de lumières pour recevoir une autre récompense.
Cette configuration est à la base d’une recherche publiée en juillet dans Rapports de cellule par les neuroscientifiques Elie Adam, Taylor Johns et Mriganka Sur du Massachusetts Institute of Technology. Il explore une question simple : comment le cerveau des souris, des humains et des autres mammifères fonctionne-t-il assez rapidement pour nous arrêter en un rien de temps ? Les nouveaux travaux révèlent que le cerveau n’est pas câblé pour transmettre une commande « stop » nette de la manière la plus directe ou la plus intuitive. Au lieu de cela, il utilise un système de signalisation plus compliqué basé sur des principes de calcul. Cet arrangement peut sembler trop compliqué, mais c’est une façon étonnamment intelligente de contrôler des comportements qui doivent être plus précis que les commandes du cerveau ne peuvent l’être.
Le contrôle des mécanismes simples de la marche ou de la course est assez facile à décrire : la région locomotrice mésencéphalique (MLR) du cerveau envoie des signaux aux neurones de la moelle épinière, qui envoient des impulsions inhibitrices ou excitatrices aux motoneurones qui régissent les muscles de la jambe : arrêtez . Aller. Arrêt. Aller. Chaque signal est un pic d’activité électrique généré par les ensembles de neurones qui se déclenchent.
L’histoire devient cependant plus complexe lorsque des objectifs sont introduits, comme lorsqu’un joueur de tennis veut courir jusqu’à un endroit précis sur le terrain ou qu’une souris assoiffée regarde un prix rafraîchissant au loin. Les biologistes ont compris depuis longtemps que les objectifs prennent forme dans le cortex cérébral du cerveau. Comment le cerveau traduit-il un objectif (arrêtez de courir là-bas pour obtenir une récompense) en un signal chronométré avec précision qui indique au MLR de freiner ?
« Les humains et les mammifères ont des capacités extraordinaires en matière de contrôle moteur sensoriel », a déclaré Sridevi Sarma, neuroscientifique à l’Université Johns Hopkins. « Pendant des décennies, les gens ont étudié ce qui, dans notre cerveau, nous rend si agiles, rapides et robustes. »
Le rapide et le plus poilu
Pour comprendre la réponse, les chercheurs ont surveillé l’activité neuronale dans le cerveau d’une souris tout en chronométrant le temps qu’il a fallu à l’animal pour décélérer de la vitesse maximale à l’arrêt complet. Ils s’attendaient à voir un signal inhibiteur surgir dans le MLR, déclenchant l’arrêt des jambes presque instantanément, comme un interrupteur électrique éteignant une ampoule.
Mais une divergence dans les données a rapidement sapé cette théorie. Ils ont observé un signal « stop » circulant dans le MLR pendant que la souris ralentissait, mais il n’atteignait pas une intensité assez rapide pour expliquer la rapidité avec laquelle l’animal s’est arrêté.
« Si vous prenez simplement des signaux d’arrêt et que vous les insérez dans le MLR, l’animal s’arrêtera, mais les mathématiques nous disent que l’arrêt ne sera pas assez rapide », a déclaré Adam.
« Le cortex ne fournit pas d’interrupteur », a déclaré Sur. « Nous pensions que c’est ce que ferait le cortex, passer de 0 à 1 avec un signal rapide. Ça ne fait pas ça, c’est le casse-tête.
Les chercheurs savaient donc qu’il devait y avoir un système de signalisation supplémentaire au travail.
Pour le trouver, ils se sont à nouveau penchés sur l’anatomie du cerveau de la souris. Entre le cortex d’où proviennent les buts et le MLR qui contrôle la locomotion se trouve une autre région, le noyau sous-thalamique (STN). On savait déjà que le STN se connecte au MLR par deux voies : l’une envoie des signaux excitateurs et l’autre envoie des signaux inhibiteurs. Les chercheurs ont réalisé que le MLR répond à l’interaction entre les deux signaux plutôt que de compter sur la force de l’un ou l’autre.
