Mécanismes cellulaires du traitement de l'information sensoriel par les microcircuits du cervelet – CerebComp

We combine 2-photon imaging, electrophysiology in vitro and in vivo, mathematical analysis of dendritic computations, and finally, network simulations.

We established that single granule cells receive different sensory information that exhibit specific signature behaviors, that allow GCs to uniquely encode correlations in sensory space.

We established that single granule cells receive different sensory information that exhibit specific signature behaviors, that allow GCs to uniquely encode correlations in sensory space.

Chabrol, F.P., Arenz, A., Weichert, M.T., Margrie, T.W. and DiGregorio, D.A. Synaptic diversity enables temporal coding of coincident multisensory inputs in single neurons. Nature Neuroscience. Mar 30. doi: 10.1038/nn.3974 (2015). This article was highlighted with a News and Views.

Etudier les microcircuits neuronaux dans le cerveau permet de disséquer les mécanismes cellulaires et moléculaires qui contribuent au transfert et à la transformation d’information par les neurones. Le cervelet intègre des informations sensorielles afin d'ajuster les réponses motrices, et son architecture cytologique cristalline ainsi que la facilité d'identification de ses types cellulaires en font un modèle idéal pour l'étude des mécanismes du traitement de l'information. En dépit de la connaissance détaillée de la connectivité synaptique du cervelet, de nombreuses zones d’ombre persistent sur les bases moléculaires, cellulaires et anatomiques du traitement dynamique des informations sensorielles par ce microcircuit. Nous proposons un programme de recherche multidisciplinaire, dans le but de caractériser les mécanismes moléculaires et cellulaires du transfert d’information à travers les microcircuits du cervelet, et en particulier l’impact de l’intégration synaptique dans les dendrites fines des interneurones. Dans ce but nous avons réuni une équipe multidisciplinaire composée de biologistes, physiciens, et de spécialistes en neuroscience théorique afin d’affronter les défis liés à l’étude d’un système dynamique complexe. Afin de contrôler, d’enregistrer et d’analyser le flux d’information, nous utiliserons des méthodes de pointes dans les domaines de l’optique, de l’électrophysiologie, et des approches computationnelles.

Ce projet prend appui sur les précédentes publications des résultats expérimentaux des Partenaires 1 et 3, et sur les publications récentes des résultats théoriques du Partenaire 2, concernant le rôle de l’intégration dendritique non-linéaire dans le traitement de l’information par les neurones. De manière surprenante, les résultats de ces publications décrivent de nouvelles computations effectuées par les interneurones qui présentent une sommation sous-linéaire des entrées synaptiques par leurs dendrites. En s’appuyant sur cette synergie, ainsi que sur l’expertise complémentaire des trois équipes, nous proposons d’étudier les aspects clés des microcircuits du cervelet, en particulier: a) les propriétés synaptiques spécifiques aux diverses modalités sensorielles et leur intégration par la couche granulaire du cortex cérébelleux b) les mécanismes cellulaires qui sous-tendent le traitement de l’information par les interneurones de la couche moléculaire et par les cellules de Purkinje, et c) des méthodes générales théoriques et expérimentales permettant d’étudier le rôle des computations dendritiques dans le traitement spécifique de l’information sensorielle par les circuits du cervelet.

Les résultats expérimentaux et théoriques prévus apporteront un regard neuf et exhaustif sur les procédés de transformation de l’information par les neurones, leurs mécanismes, et leur impact sur le traitement de l’information à l’échelle du microcircuit. Le cortex cérébelleux contenant des réseaux de faible taille faits de neurones excitateurs et inhibiteurs qui sont connectés de manière canonique, les résultats de nos études promettent d’aider à identifier des principes universels de fonctionnement de divers microcircuits neuronaux dans le cerveau. Ainsi, la combinaison du choix de ce système comme modèle, de l’accent mis sur l’étude de l’intégration dendritique dans les interneurones, des outils innovants utilisés pour étudier le fonctionnement dendritique, et des outils mathématiques mis en place pour interpréter le fonctionnement des dendrites, fait que ce projet est dans une situation idéale pour apporter à la fois des résultats pertinents pour l'identification des règles qui gouvernent les transformations de l'information dans les microcircuits du cerveau en général, et des informations spécifiques à la compréhension du traitement de l'information dans le cervelet.