Comment les neurones en développement construisent des « mini-ordinateurs » pour une puissance de calcul accrue

Une nouvelle étude réalisée sur des souris par l’Institut néerlandais des neurosciences (NIN) révèle que les neurones créent des « mini-ordinateurs » très tôt dans la vie pour rendre le cerveau plus puissant sur le plan informatique. L’étude est publiée dans la revue eVie.

Pour que le cerveau soit fonctionnel, il faut que les circuits neuronaux soient câblés avec une grande spécificité. Les principaux acteurs de ce système sont des extensions ramifiées des neurones appelées dendrites, qui traitent et intègrent les informations qu’elles reçoivent d’autres neurones.

Les neuroscientifiques computationnels ont déjà avancé l’hypothèse que les dendrites pourraient traiter des informations localement dans de nombreux segments individuels d’une cellule. De telles « sous-unités informatiques » ou « mini-ordinateurs » augmenteraient considérablement la puissance de calcul d’un neurone. Cependant, on ignore encore comment les neurones connectent ces mini-ordinateurs à l’intérieur du cerveau vivant au cours du développement.

Et si nous pouvions observer le développement de ces sous-unités dans la vie réelle ? Dans une nouvelle étude du groupe de Christian Lohmann, les chercheurs ont examiné les sous-unités informatiques du cerveau intact en développement de jeunes souris. Ils ont en effet découvert que les points de communication dans les dendrites, ou synapses, sont regroupés en fonction des informations qu’ils transmettent. En d’autres termes, les synapses voisines qui transmettent des informations similaires sont regroupées dans des domaines dendritiques.

Enregistrements en direct

Christian Lohmann explique : « Nous avons fait cette découverte en enregistrant des vidéos accélérées à partir des dendrites de neurones individuels dans le cortex de souris vivantes. Il est intéressant de noter que ce tri se produit déjà avant que les souris n’ouvrent les yeux, donc avant qu’elles ne reçoivent des informations visuelles. Ici, nous démontrons que les synapses voisines sont fréquemment coactives. Lorsque les synapses sont plus éloignées les unes des autres, elles sont moins coactives. Il semble que cette activité spontanée (l’activité que le cerveau génère avant l’ouverture des yeux) soit suffisante pour trier les synapses en domaines et donc probablement pour établir les sous-unités informatiques. »

Mais pourquoi est-ce important ? Ce travail pourrait expliquer pourquoi certaines erreurs de développement peuvent être à l’origine de troubles du développement neurologique. « Pour approfondir cette question, nous aimerions examiner des modèles murins de troubles du développement neurologique afin de déterminer si le tri des synapses est absent ou altéré. Cela étayerait l’idée selon laquelle le tri réussi des synapses le long des dendrites est nécessaire au développement d’un cerveau sain », explique Lohmann.

Les réponses à cette question nous aideront à mieux comprendre comment notre cerveau se développe et comment les erreurs de développement peuvent compromettre la puissance de calcul du cerveau. Elles pourraient également donner de nouvelles idées pour la conception de réseaux neuronaux artificiels inspirés de la biologie pour le traitement de l’information de haut niveau. Lohmann conclut : « Pour moi, le plus fascinant est la façon dont les neurones sont connectés et à quel point cela est possible très tôt, sans même connaître quoi que ce soit du monde extérieur. C’est incroyable de voir comment le cerveau peut faire cela. »

Fourni par l’Institut néerlandais des neurosciences – KNAW