Mesurer l'activité neuronale dans la moelle épinière

Comprendre comment les neurones dans le cerveau fonctionnent, c'est un sacré défi pour les scientifiques. Les neurones communiquent entre eux en envoyant des signaux électriques, et mesurer ces signaux peut nous aider à en apprendre davantage sur le fonctionnement du cerveau. Un outil important que les scientifiques utilisent, c'est l'imagerie au calcium, qui aide à visualiser l'activité neuronale. Quand les neurones sont actifs, ils utilisent des ions calcium pour signaler leur activité, ce qui peut être détecté avec des colorants spéciaux. Cependant, lier les changements dans les niveaux de calcium aux signaux électriques réels (pulsations) que les neurones génèrent n'est pas simple.

Ces dernières années, les chercheurs ont développé de nouvelles méthodes pour observer les niveaux de calcium dans les tissus vivants. Deux avancées majeures ont été faites dans ce domaine : des indicateurs de calcium codés génétiquement et des techniques d'imagerie avancées appelées microscopie à deux photons. Ces outils permettent aux scientifiques de mesurer comment des groupes de neurones interagissent au fil du temps dans un cerveau vivant.

Cet article va expliquer comment les scientifiques ont combiné l'imagerie au calcium et les enregistrements électriques pour mieux comprendre l'activité neuronale, en mettant particulièrement l'accent sur les neurones de la moelle épinière.

#Importance de la mesure de l'activité neuronale

Mesurer comment des groupes de neurones fonctionnent ensemble est crucial pour comprendre les activités cérébrales, des réflexes simples aux comportements complexes. Les indicateurs de calcium, comme ceux de la famille GCaMP, permettent aux scientifiques de visualiser quand les neurones sont actifs. Ces indicateurs peuvent être introduits dans certains types de neurones, permettant des études ciblées de l'activité dans différents environnements cellulaires.

Bien que les indicateurs de calcium soient précieux, ils ne mesurent pas directement les pulsations électriques. Au lieu de ça, ils indiquent combien de calcium est présent, ce qui est lié à l'activité d'un neurone mais ne donne pas une mesure précise des pulsations. Cette relation est influencée par divers facteurs, y compris le type d'indicateur de calcium utilisé, la quantité présente, la zone du cerveau, et le bruit dans les enregistrements. Cette incertitude complique la création d'algorithmes capables d'interpréter avec précision les signaux de calcium dans différentes conditions.

Pour améliorer la précision de l'interprétation de ces signaux, les scientifiques ont besoin d'enregistrements électriques réels des neurones, qui fournissent une image claire des pulsations. Cependant, obtenir ces enregistrements en même temps que l'imagerie au calcium est compliqué, surtout dans la moelle épinière.

#Neurones de la moelle épinière

La moelle épinière joue un rôle crucial dans le traitement des fonctions sensorielles et motrices. Elle se compose de différents types de neurones, largement classés en neurones excitateurs (Glutamatergiques) et inhibiteurs (GABAergiques). Ces neurones travaillent ensemble pour traiter les informations sensorielles et peuvent devenir dysfonctionnels dans des conditions comme la douleur chronique.

Dans la moelle épinière, il y a plusieurs populations distinctes de neurones, notamment dans la région de la corne dorsale. Cette zone est essentielle pour le traitement des informations sur le toucher et la douleur. Les scientifiques ont développé des méthodes pour cibler ces populations en fonction de marqueurs génétiques spécifiques, permettant des études détaillées de leurs fonctions.

Cependant, enregistrer les signaux de calcium des neurones de la moelle épinière pose des défis. La moelle épinière est recouverte de couches de tissus qui peuvent rendre la visualisation difficile. Des techniques existantes ont été utilisées pour observer ces neurones dans des animaux vivants, mais de nombreux enregistrements n'ont été effectués que dans le néocortex, soulevant des questions sur leur applicabilité aux neurones de la moelle épinière.

#Imagerie au calcium et électrophysiologie

Pour examiner comment les neurones de la moelle épinière réagissent à l'activité, les chercheurs ont combiné deux techniques : l'imagerie au calcium et les enregistrements électrophysiologiques. Cette combinaison permet aux scientifiques d'obtenir de meilleures informations sur la manière dont les signaux de calcium sont liés aux véritables pulsations des neurones.

Dans ces expériences, les scientifiques utilisent des modèles de souris spécifiques qui expriment des indicateurs de calcium dans des neurones excitateurs ou inhibiteurs. Grâce à une préparation soignée, ils peuvent créer des tranches de moelle épinière tout en préservant une certaine fonctionnalité. Les tissus spinaux sont ensuite étudiés sous un microscope tout en mesurant simultanément l'activité électrique des neurones.

#Mise en place de l'expérience

Dans l'expérience, les chercheurs ont utilisé des souches de souris spécifiques où des indicateurs de calcium ont été introduits dans les neurones appropriés. Les souris ont été maintenues dans des environnements contrôlés pour assurer des conditions de vie saines. Une fois les neurones préparés, les scientifiques ont soigneusement retiré des sections de la moelle épinière et les ont placées dans une solution spéciale imitant l'environnement d'un organisme vivant.

À l'aide d'un microscope à deux photons, qui aide à visualiser des tissus profonds avec un minimum de dommages, les chercheurs ont acquis des images des signaux de calcium des neurones. Un dispositif électrophysiologique a permis aux scientifiques de mesurer l'activité électrique des mêmes neurones simultanément. Cette configuration est essentielle pour valider la relation entre les signaux de calcium et le tir réel des neurones.

#Résultats de l'imagerie au calcium

Les chercheurs ont réalisé des observations approfondies en utilisant les configurations décrites ci-dessus. Ils se sont concentrés sur les neurones excitateurs et inhibiteurs, collectant d'importantes quantités de données sur leurs schémas d'activité. Au cours de plusieurs heures d'enregistrements, ils ont recueilli des pulsations individuelles des neurones tout en mesurant également les signaux de calcium correspondants.

Les résultats ont indiqué que les différents types de neurones présentaient une vaste variabilité dans leurs schémas d'activité. Les neurones glutamatergiques montraient généralement des niveaux d'activité plus élevés par rapport aux neurones GABAergiques. Cependant, certains neurones inhibiteurs démontraient aussi des taux de pulsation très élevés, reflétant la diversité au sein de ces populations.

#Comprendre les schémas de pulsation

Les données enregistrées ont permis aux scientifiques d'analyser les schémas selon lesquels les neurones tiraient. Certains neurones affichaient un schéma plus régulier, tandis que d'autres étaient plus sporadiques. Pour mesurer à quelle fréquence ces neurones tiraient et s'ils avaient tendance à regrouper leurs pulsations ensemble en rafales, les chercheurs ont calculé des métriques spécifiques.

En comparant ces schémas entre les neurones de la moelle épinière et les neurones corticaux précédemment enregistrés, des différences distinctes sont apparues. Les neurones de la moelle épinière avaient tendance à tirer des pulsations moins fréquemment et avec moins de rafale que les neurones corticaux, ce qui pourrait influencer la précision avec laquelle les algorithmes interprètent leurs signaux de calcium.

#Mesurer les réponses au calcium

Pour évaluer à quel point les signaux de calcium reflétaient l'activité électrique sous-jacente, les chercheurs se sont concentrés sur la réponse moyenne des indicateurs de calcium aux pulsations. Ils ont analysé le temps qu'il fallait pour que les niveaux de calcium augmentent et diminuent après qu'un neurone ait tiré.

Les résultats ont montré que les neurones de la moelle épinière avaient des réponses plus lentes aux pulsations par rapport aux neurones corticaux. Cette découverte indique que bien que l'amplitude de la réponse soit similaire, la durée pendant laquelle les niveaux de calcium restent élevés variait entre les différents types de neurones.

#Implications pour l'inférence des pulsations

Étant donné les différences dans la manière dont les neurones de la moelle épinière et corticaux réagissent à l'activité, les chercheurs ont testé divers algorithmes pour inférer les pulsations électriques à partir des données d'imagerie au calcium. Ils ont comparé différentes approches, y compris l'utilisation de données de calcium brutes, l'emploi d'algorithmes existants formés sur des données corticales, et le développement de nouveaux modèles adaptés aux neurones de la moelle épinière.

Les premières conclusions ont montré que les algorithmes existants, qui avaient principalement été formés sur des données corticales, fonctionnaient assez bien mais avaient du mal avec des événements de pulsations à haute fréquence, représentant souvent mal leur timing et leur magnitude. Cependant, les modèles réentraînés, qui utilisaient des données vérifiées spécifiquement collectées à partir de neurones de la moelle épinière, fournissaient des estimations plus précises de l'activité de pulsation.

#Évaluation de la performance des modèles d'inférence

La performance de ces modèles d'inférence a été quantifiée en comparant les taux de pulsation prédits avec les taux de pulsation réellement enregistrés. Les chercheurs ont également examiné à quel point les modèles pouvaient détecter des changements d'activité dans différentes conditions et types de neurones.

Les modèles réentraînés ont donné de meilleurs résultats dans la récupération des taux de pulsations, notamment dans des situations d'événements à haute fréquence, par rapport aux modèles par défaut développés à partir de données corticales. Cette amélioration montre que personnaliser les algorithmes d'inférence pour tenir compte des caractéristiques uniques de l'activité des neurones de la moelle épinière est bénéfique.

#Tests in vivo de l'imagerie au calcium

Les chercheurs voulaient aussi voir comment leurs modèles réentraînés fonctionneraient dans des situations plus complexes, comme dans des conditions in vivo où la moelle épinière est affectée par l'anesthésie. Dans ces configurations, ils ont enregistré tant des neurones glutamatergiques que GABAergiques chez des souris vivantes sous des niveaux d'anesthésie contrôlés.

Les résultats ont montré que même dans ces conditions plus difficiles, les modèles réentraînés ont réussi à inférer les taux de pulsations à partir des données d'imagerie au calcium tout en nettoyant le bruit. Les résultats ont démontré une capacité à suivre les changements dans les niveaux d'activité à mesure que la profondeur de l'anesthésie variait, confirmant le potentiel de ces algorithmes dans des applications réelles.

#Conclusions

Le travail réalisé dans cette étude fournit des informations précieuses sur la manière dont l'activité neuronale peut être étudiée en utilisant l'imagerie au calcium et l'électrophysiologie, notamment chez les neurones de la moelle épinière. En développant et en testant de nouveaux algorithmes spécifiquement à cette fin, les chercheurs peuvent mieux interpréter les changements dans les signaux de calcium.

Les résultats soulignent l'importance de comprendre comment différents types de neurones fonctionnent et réagissent aux stimuli afin d'améliorer les stratégies d'inférence. Avec ce travail, les scientifiques peuvent mieux saisir les relations entre la dynamique du calcium et l'activité électrique dans le système nerveux, ouvrant la voie à des outils plus avancés pour étudier et interpréter des fonctions cérébrales complexes.

Les modèles et données partagés publiquement issus de ces expériences représentent une excellente ressource pour les futures recherches dans le domaine, mettant en avant l'importance d'approches adaptées pour étudier différents types de neurones dans diverses régions du cerveau. Cette avancée aidera les chercheurs à explorer plus précisément comment les neurones communiquent et fonctionnent tant en santé qu'en maladie.