Interactions entre l'activité neuronale et le flux sanguin révélées

Le cerveau est un organe complexe qui dépend des neurones pour communiquer. Les scientifiques étudient comment les neurones fonctionnent en observant leur réaction à diverses activités, comme le mouvement ou la vue. Une méthode utilisée pour observer l'activité neuronale est l'imagerie optique, qui mesure les changements de lumière émise par des capteurs spéciaux dans les neurones. Ces capteurs peuvent réagir à différents signaux, comme les niveaux de Calcium, indiquant l'activité neuronale.

Cependant, quand on mesure ces changements, il faut prendre en compte les effets du flux sanguin dans le cerveau. Le flux sanguin peut changer selon l'activité des neurones. Quand les neurones s'activent, ils peuvent provoquer un élargissement ou un rétrécissement des vaisseaux sanguins voisins, ce qui affecte la façon dont la lumière traverse le tissu cérébral. Cette interaction entre le flux sanguin et l'activité neuronale est super importante à comprendre, car elle peut influencer la précision des mesures prises avec les techniques d'imagerie optique.

#Les bases de l'imagerie optique

L'imagerie optique est une technique utilisée pour observer des neurones vivants dans le cerveau. Les chercheurs utilisent souvent des capteurs sensibles au calcium, une substance qui entre dans les neurones quand ils sont actifs. Quand les niveaux de calcium augmentent, les capteurs produisent un changement de fluorescence, qui peut être détecté grâce à des techniques d'imagerie. Cela permet aux scientifiques de voir quels neurones sont actifs à un moment donné.

Dans des situations réelles, la présence du sang peut interférer avec les mesures de lumière. Les changements de flux sanguin causés par l'activité neuronale peuvent créer un phénomène connu sous le nom d'occlusion hémodynamique. Cela signifie que la lumière des capteurs peut être bloquée ou altérée par le sang qui circule dans les vaisseaux voisins.

#Le rôle de l'hémodynamique

L'hémodynamique fait référence à l'étude du flux sanguin et de ses effets dans le corps. Dans le cerveau, quand les neurones deviennent actifs, ils envoient des signaux aux vaisseaux sanguins voisins, causant des changements de taille. Quand les vaisseaux sanguins se dilatent (vasodilatation), plus de sang circule dans la zone, tandis que lorsqu'ils se contractent (vasoconstriction), le flux sanguin diminue. Ces changements peuvent influencer la façon dont la lumière traverse le tissu cérébral et compliquer l'interprétation des résultats de l'imagerie optique.

Il y a une connexion claire entre l'activité neuronale et le flux sanguin connue sous le nom de Couplage neurovasculaire. Cela signifie que quand les neurones sont actifs, les vaisseaux sanguins s'ajustent pour soutenir cette activité. Cependant, cette relation peut aussi poser des défis lorsqu'on essaie de mesurer la véritable activité neuronale avec des capteurs, car les changements hémodynamiques peuvent obscurcir les résultats.

#Investigation des signaux hémodynamiques

Pour mieux comprendre la relation entre l'activité neuronale et les changements de flux sanguin, les chercheurs ont mené des études sur des souris. Ils ont utilisé un marqueur spécifique, le GFP (protéine fluorescente verte), pour visualiser l'activité neuronale indépendamment des changements de niveaux de calcium. En imaginant le GFP pendant que les souris interagissaient avec un environnement virtuel, ils cherchaient à voir comment les marqueurs réagissaient à différents comportements, comme courir ou voir des stimuli visuels.

Les résultats ont montré que le signal GFP changeait de manière significative pendant le mouvement et en réponse aux stimuli visuels, similaire à la façon dont les indicateurs de calcium comme GCaMP réagissaient. Ces résultats suggèrent que les signaux hémodynamiques peuvent être importants et varier selon les différentes zones du cerveau.

#Techniques et procédures d'imagerie

Dans les études, les chercheurs ont injecté un vecteur AAV contenant le GFP dans des régions spécifiques du cerveau des souris, permettant au marqueur de s'exprimer dans les neurones corticaux. Ils ont ensuite utilisé un microscope à deux photons pour capturer les signaux GFP pendant que les souris exploraient un environnement virtuel. Ce dispositif de réalité virtuelle a permis des expériences contrôlées examinant comment l'activité neuronale et le flux sanguin interagissaient lors de diverses tâches.

Les chercheurs ont constaté que lorsque les souris commençaient à courir, il y avait une augmentation notable de la fluorescence GFP dans les neurones. Cette réaction était similaire en ampleur à ce qui est généralement observé avec des indicateurs de calcium. À l'inverse, lorsque les souris étaient montrées des motifs visuels en mouvement (grillages), le signal GFP diminuait, suggérant que les stimuli visuels affectent aussi la dynamique du flux sanguin.

#Analyse des réponses neuronales

Les chercheurs ont comparé les réponses de différentes couches du cortex, comme la couche 2/3 et la couche 5 du cortex visuel (V1) et le cortex cingulaire antérieur (ACC). Ils ont observé des variations dans la façon dont la fluorescence GFP changeait en réponse aux stimuli en fonction de la région corticale spécifique et de la profondeur d'imagerie.

Par exemple, lors de l'examen des neurones de la couche 5, les changements de fluorescence pendant la course étaient plus faibles par rapport à ceux de la couche 2/3. Cependant, les deux couches ont montré des réponses significatives à la locomotion et aux stimuli visuels. Fait intéressant, dans l'ACC, les neurones ont également affiché une forte augmentation de la fluorescence GFP pendant la course, indiquant la complexité en couches des interactions neuronales et hémodynamiques.

#Compréhension des réponses individuelles des neurones

Les chercheurs ont également exploré si des neurones individuels pouvaient répondre de manière significative à différents stimuli. Ils ont mesuré les réponses des neurones dans le cortex visuel pendant la locomotion et la présentation de stimuli visuels. Remarquablement, un nombre notable de neurones a montré des changements significatifs de fluorescence GFP en réponse à ces événements.

Bien que la réponse générale de la population soit similaire entre le GFP et les indicateurs de calcium, quand on examine les réponses des neurones individuels, les indicateurs de calcium montrent généralement une gamme d'activité de pic plus étendue. Cela suggère que, bien que l'occlusion hémodynamique joue un rôle dans les signaux de fluorescence globaux, des neurones individuels peuvent encore exhiber des niveaux d'activité distincts.

#Influence hémodynamique sur l'activité neuronale

Un des résultats majeurs de la recherche est que les changements de fluorescence GFP étaient étroitement liés à la taille et à la dilatation des vaisseaux sanguins. Cette relation indique que quand les vaisseaux sanguins se dilatent ou se contractent, la transmission de la lumière est affectée, influençant la fluorescence observée des neurones.

La recherche a montré que lors d'expériences spécifiques, les vaisseaux sanguins dans la zone observée se dilataient en réponse à des stimuli visuels. En suivant à la fois la taille des vaisseaux sanguins et les changements de fluorescence GFP, les chercheurs ont trouvé une forte corrélation entre les deux. Cela fournit des preuves que les changements hémodynamiques peuvent influencer les mesures de l'activité neuronale, rendant crucial de tenir compte de ces effets dans les études d'imagerie.

#Investigation de la sensibilité au contexte

Les chercheurs ont également étudié comment le contexte influençait les réponses GFP à travers divers comportements et conditions. Ils ont trouvé que les réponses variaient entre différents contextes visuomoteurs. Par exemple, les réponses pendant les conditions à boucle fermée et à boucle ouverte durant la locomotion étaient différentes, suggérant que la nature de l'entrée visuelle affecte la façon dont les neurones réagissent.

Dans la couche 2/3 de V1, les réponses étaient similaires pendant les conditions à boucle fermée et à boucle ouverte, indiquant un fort signal lié à la locomotion. En revanche, durant des conditions sombres, les réponses étaient plus faibles. Cela met en évidence comment le contexte visuel peut moduler les réponses neuronales et hémodynamiques.

#Analyse de corrélation pendant la locomotion

Un autre aspect intéressant de l'étude était l'analyse de corrélation des signaux GFP pendant la locomotion. À mesure que la locomotion augmentait, les corrélations pair-à-pair entre les réponses individuelles des neurones augmentaient également. Cet effet a été observé à travers différentes couches du cortex.

Cette découverte s'aligne avec des recherches antérieures suggérant que l'activité neuronale se décorelle généralement durant le mouvement. Cependant, la présence de signaux hémodynamiques semblait créer un résultat différent, indiquant que les dynamiques du flux sanguin pourraient mener à une augmentation des corrélations pendant la locomotion.

#Comparaison entre l'imagerie widefield et l'imagerie à deux photons

Pour mieux comprendre l'impact de l'hémodynamique, les chercheurs ont comparé leurs résultats d'imagerie à deux photons avec l'imagerie widefield. Ils ont répété l'imagerie GFP dans différentes zones du cerveau et ont constaté que les réponses enregistrées avec l'imagerie widefield étaient parallèles à celles provenant de l'imagerie à deux photons.

Les Locomotions et les stimuli visuels ont produit de fortes réponses GFP de manière similaire à travers les deux méthodes d'imagerie, suggérant que les problèmes d'occlusion hémodynamique affectent diverses techniques d'imagerie. La cohérence entre les méthodes souligne l'importance de tenir compte des effets du flux sanguin lors de l'interprétation de l'activité neuronale.

#Capteurs GRAB et influence hémodynamique

En plus du GFP, les chercheurs ont exploré l'utilisation de capteurs GRAB, qui détectent les neuromodulateurs comme la dopamine, la sérotonine et l'acétylcholine. Ils cherchaient à déterminer si ces capteurs montraient aussi des réponses similaires affectées par des changements hémodynamiques.

Les résultats ont montré que les réponses mesurées avec les capteurs GRAB reflétaient celles observées avec l'imagerie GFP. Cependant, l'ampleur de ces réponses était généralement plus faible, rendant plus difficile la séparation de l'influence hémodynamique des véritables réponses des capteurs.

L'étude a conclu que, bien que les capteurs GRAB puissent encore fournir des perspectives précieuses sur l'activité neuronale, l'impact des dynamiques du flux sanguin est un facteur significatif à prendre en compte.

#Implications pour les futures recherches

Les résultats de cette recherche offrent des insights cruciaux sur la relation entre l'activité neuronale et les changements hémodynamiques. Les résultats soulignent la nécessité d'être prudents lors de l'interprétation des données d'imagerie optique, particulièrement dans les cas où le rapport signal-sur-bruit du capteur n'est pas sensiblement plus élevé que les effets hémodynamiques.

De plus, l'étude suggère que les chercheurs doivent développer des méthodes pour tenir compte de ces contributions hémodynamiques lors de l'imagerie. Cela peut impliquer des expériences séparées pour quantifier les effets hémodynamiques ou l'emploi de techniques d'imagerie avancées capables de capturer simultanément à la fois l'activité neuronale et les dynamiques du flux sanguin.

#Conclusion

En résumé, cette recherche améliore notre compréhension de la façon dont l'activité neuronale interagit avec les changements de flux sanguin dans le cerveau. En utilisant des techniques d'imagerie optique et en caractérisant les signaux hémodynamiques, les chercheurs peuvent obtenir des insights plus profonds sur le fonctionnement du cerveau durant divers comportements. Reconnaître l'impact des dynamiques du flux sanguin est essentiel pour interpréter correctement les résultats et faire avancer le domaine des neurosciences.