Des chercheurs de Stanford développent une technique optique pour montrer comment les décisions éclairent le cerveau

Lorsque nous prenons des décisions, même simples, sur la façon d'interagir avec le monde, nous nous appuyons sur des calculs effectués par des réseaux de neurones qui couvrent notre cerveau. Mais que calculent exactement ces réseaux de neurones?

Pour répondre à cette question, il faut mesurer l'activité de nombreux neurones dans le cerveau au moment où un animal prend une décision.

Maintenant, une équipe de chercheurs de Stanford dirigée par le bio-ingénieur Karl Deisseroth et l'ingénieur électricien Gordon Wetzstein – avec un étudiant diplômé Isaac Kauvar et un stagiaire postdoctoral Timothy Machado – a développé une technique optique qui peut simultanément enregistrer l'activité des neurones répartis sur toute la surface supérieure d'un cortex cérébral de la souris, un élément clé du cerveau impliqué dans la prise de décisions. Ils ont publié leurs résultats en mai dans le journal Neurone.

Les études optiques du cerveau ne sont pas entièrement nouvelles. Les chercheurs savent déjà comment suivre l'activité cérébrale en utilisant des colorants fluorescents et des protéines qui émettent de la lumière lorsqu'un neurone se déclenche. Jusqu'à présent, cependant, ces techniques optiques n'ont pas été en mesure d'enregistrer ces faibles éclairs de lumière provenant de nombreux neurones, répartis sur la surface incurvée du cortex cérébral et travaillant ensemble pour prendre une décision, comme prendre ou non un verre d'eau. .

Pour surmonter cette barrière, les chercheurs de Stanford ont conçu un microscope bifocal – analogue aux lunettes bifocales – qui leur permet de garder toute la surface incurvée du cerveau au point.

Le microscope bifocal utilise une seule caméra pour capturer deux films d'activité neuronale en même temps: l'un focalisé sur les côtés du cerveau et l'autre focalisé sur le milieu, pour fournir une vue côte à côte montrée dans une vidéo ( disponible en téléchargement avec cette version). Les chercheurs ont ensuite extrait par calcul les signaux – reflétant le moment, l'intensité et la durée du déclenchement des neurones – de ces deux films pour obtenir une mesure complète de l'activité neuronale sur toute la surface.

Les chercheurs appellent ce système l'observation corticale par échantillonnage optique multifocale synchrone ou COSMOS. En plus d'étudier le contrôle moteur et la prise de décision, l'équipe utilise également COSMOS pour étudier la perception sensorielle chez les animaux et comme technique de dépistage pour développer de meilleurs médicaments psychiatriques.

Le prototype du système COSMOS est relativement simple à construire et coûte moins de 50 000 $, ce qui représente des centaines de milliers de dollars moins cher que d'autres systèmes optiques pour enregistrer la dynamique des populations neuronales. Pour encourager l'adoption et le développement de la technique, les auteurs ont créé un site Web contenant des instructions pour aider d'autres chercheurs à construire leurs propres systèmes COSMOS.

La source:

École d'ingénierie de Stanford

Référence de la revue:

Kauvar, I.V., et al. (2020) L'observation corticale par échantillonnage optique multifocale synchrone révèle un codage généralisé des actions de la population. Neurone. doi.org/10.1016/j.neuron.2020.04.023.

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