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Sprint Then Stop? Brain Is Wired for the Math to Make It Happen – Neuroscience News

Résumé: Le cerveau met naturellement en œuvre des principes de calcul et intègre des règles de vie apprises avec des informations sensorielles pour guider les plans et les actions motrices.

Police de caractère: Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire

Son nouvel appartement n’est qu’à quelques pâtés de maisons de l’arrêt de bus, mais aujourd’hui, il est en retard et voit le bus passer devant lui. Vous lancez un sprint complet. Votre objectif est d’arriver au bus le plus rapidement possible, puis de vous arrêter exactement devant les portes (qui ne sont jamais exactement au même endroit le long du trottoir) pour monter avant qu’elles ne ferment. Pour s’arrêter assez rapidement et précisément, selon une nouvelle étude du MIT chez la souris, le cerveau des mammifères est intelligemment câblé pour mettre en œuvre les principes du calcul.

On pourrait penser que s’arrêter net sur une cible après un sprint serait aussi simple qu’un réflexe, mais prendre un bus ou courir jusqu’à un waypoint indiqué visuellement pour gagner une récompense en eau (comme le faisaient les souris), c’est un exercice appris, guidé visuellement. , exploit axé sur les buts.

Dans de telles tâches, qui sont d’un grand intérêt pour le laboratoire de l’auteur principal Mriganka Sur, professeur Newton de neurosciences à l’Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire au MIT, la décision cruciale de passer d’un comportement (course) à un autre (arrêt) vient du cortex cérébral, où le cerveau intègre des règles de vie apprises avec des informations sensorielles pour guider les plans et les actions.

“La cible est là où le cortex entre en jeu”, a déclaré Sur, membre du corps professoral du département des sciences cérébrales et cognitives du MIT. “Où suis-je censé m’arrêter pour atteindre cet objectif de monter dans le bus?”

Et c’est aussi là que ça se complique. Les modèles mathématiques de comportement développés par le post-doctorant et auteur principal de l’étude, Elie Adam, ont prédit qu’un signal “stop” allant directement de la région M2 du cortex aux régions du tronc cérébral, qui contrôlent en fait les jambes, serait traité trop lentement.

“Vous avez M2 qui envoie un signal d’arrêt, mais lorsque vous le modélisez et faites le calcul, vous constatez que ce signal, à lui seul, ne serait pas assez rapide pour que l’animal s’arrête à temps”, a déclaré Adam, dont le travail semble dans le journal rapports de cellule.

Alors, comment le cerveau accélère-t-il le processus ? Ce qu’Adam, Sur et le co-auteur Taylor Johns ont découvert, c’est que M2 envoie le signal à une région intermédiaire appelée le noyau sous-thalamique (STN), qui envoie ensuite deux signaux sur deux voies distinctes qui convergent vers le tronc cérébral.

Parce que? Parce que la différence faite par ces deux signaux, un inhibiteur et un excitateur, arrivant l’un après l’autre, transforme le problème de l’intégration, qui est une somme relativement lente d’entrées, en différenciation, qui est une reconnaissance directe du changement. Le changement de calcul met en œuvre le panneau d’arrêt beaucoup plus rapidement.

Le modèle d’Adam utilisant des systèmes et la théorie du contrôle technique a prédit avec précision la vitesse requise pour un arrêt correct et qu’une différenciation serait nécessaire pour y parvenir, mais une série d’investigations anatomiques et de manipulations expérimentales ont été nécessaires pour confirmer les prédictions du modèle. .

Tout d’abord, Adam a confirmé que M2 produisait en fait une augmentation de l’activité neuronale uniquement lorsque les souris devaient atteindre leur objectif d’arrêt au point de consigne. Il a également montré qu’il envoyait les signaux résultants au STN. D’autres arrêts pour d’autres raisons n’ont pas emprunté cet itinéraire. De plus, l’activation artificielle de la voie M2-STN a forcé les souris à s’arrêter et l’inhibition artificielle a amené les souris à outrepasser le point de consigne un peu plus souvent.

La coloration rouge (“mCherry”) met en évidence les projections axonales du cortex moteur M2. D’une importance particulière sont celles qui mènent au noyau sous-thalamique (STN). Crédit : Elie Adam/MIT Picower Institute

Le STN avait certainement besoin d’envoyer des signaux au tronc cérébral, en particulier au noyau pédonculopontin (PPN) dans la région locomotrice mésencéphalique. Mais lorsque les scientifiques ont examiné l’activité neuronale qui a commencé dans M2 et qui a ensuite rapidement abouti à la NPP, ils ont constaté que les différents types de cellules de la NPP répondaient à des moments différents. En particulier, avant l’arrêt, les cellules excitatrices étaient actives et leur activité reflétait la vitesse de l’animal lors des arrêts.

Ensuite, en regardant le STN, ils ont vu deux types de surtensions d’activité autour des arrêts, l’une légèrement plus lente que l’autre, qui ont été transmises directement au PPN par excitation ou indirectement par la substantia nigra pars reticulata (SNr) par inhibition. Le résultat net de l’interaction de ces signaux dans le PPN était une inhibition accrue par l’excitation. Ce changement soudain pourrait être trouvé rapidement par diff pour mettre en œuvre l’arrêt.

“Une poussée inhibitrice suivie d’une excitation peut créer une forte [change of] signe », a déclaré South.

L’étude rejoint d’autres articles récents. En collaboration avec Emery N. Brown, chercheur à l’Institut Picower, Adam a récemment produit un nouveau modèle sur la manière dont la stimulation cérébrale profonde dans le STN corrige rapidement les problèmes moteurs résultant de la maladie de Parkinson. Et l’année dernière, des membres du laboratoire Sur, dont Adam, ont publié une étude montrant comment le cortex remplace les réflexes les plus profonds du cerveau dans les tâches motrices guidées visuellement.

Ensemble, ces études contribuent à comprendre comment le cortex peut consciemment contrôler les comportements moteurs instinctivement connectés, mais aussi à quel point les régions plus profondes, telles que le STN, sont importantes pour la mise en œuvre rapide d’un comportement orienté vers un objectif. Une récente revue de laboratoire l’a révélé.

Adam a émis l’hypothèse que la “voie hyperdirecte” des communications du cortex au STN pourrait avoir un rôle plus large que l’arrêt rapide de l’action, s’étendant potentiellement au-delà du contrôle moteur à d’autres fonctions cérébrales, telles que les interruptions et les changements de pensée ou d’état d’esprit.

Argent: La Fondation JPB, les National Institutes of Health et la Simons Foundation Autism Research Initiative ont financé l’étude.

Voir également

Cela montre deux souris et des ondes cérébrales.

A propos de ce mouvement, l’actualité de la recherche en mathématiques et neurosciences

Auteur: David Orenstein
Police de caractère: Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire
Contact: David Orenstein – Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire
Image: L’image est créditée à Elie Adam/MIT Picower Institute

recherche originale : Libre accès.
“Contrôle dynamique de la locomotion guidée visuellement via des projections cortico-sous-thalamiques” par Mriganka Sur et al. rapports de cellule


résumé

Contrôle dynamique de la locomotion guidée visuellement par projections cortico-sous-thalamiques

Réflexes

  • Nous avons développé une tâche de locomotion guidée visuellement pour étudier la signalisation d’arrêt
  • La projection M2-STN envoie un signal d’arrêt aux arrêts de locomotion guidés visuellement
  • L’activité M2-STN contrôle de manière bidirectionnelle les arrêts de locomotion guidés visuellement
  • Les voies M2-STN à MLR/PPN conduisent à la différenciation pour un contrôle rapide de la locomotion

résumé

La locomotion dirigée vers un objectif nécessite des signaux de contrôle qui se propagent à partir de zones d’ordre supérieur pour réguler les mécanismes de la colonne vertébrale. La voie hyperdirecte corticosubthalamique fournit une voie courte pour que les informations corticales atteignent les centres locomoteurs du tronc cérébral.

Nous avons développé une tâche dans laquelle des souris fixées sur la tête courent vers un repère visuel, puis s’arrêtent et attendent pour recevoir la récompense et ont examiné le rôle des projections du cortex moteur secondaire (M2) vers le noyau sous-thalamique (STN) dans le contrôle de la locomotion. .

Nos résultats de modélisation comportementale, d’imagerie calcique et de manipulation optogénétique suggèrent que la voie M2-STN peut être recrutée pendant la locomotion guidée visuellement pour contrôler rapidement et précisément le noyau pédonculopontin (PPN) de la région locomotrice du mésencéphale via les ganglions de la base.

En capturant la dynamique physiologique grâce à un modèle de contrôle par rétroaction et en analysant les signaux neuronaux dans M2, PPN et STN, nous avons constaté que les projections corticosubthalamiques contrôlent potentiellement l’activité PPN en différenciant un signal d’erreur M2 pour assurer une dynamique d’entrée-sortie rapide.

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