Les scientifiques de Stanford découvrent des fonctions surprenantes du cervelet

Cervelet (en latin pour "petit cerveau") en rouge.

Source: Base de données des sciences de la vie / Wikimedia Commons

Dans une découverte fortuite, les neuroscientifiques de l'Université de Stanford ont récemment découvert des fonctions cognitives inconnues du cervelet. Dans une série d'expériences de souris complexes utilisant la technologie d'imagerie cérébrale de pointe, les chercheurs de Stanford ont découvert que des neurones spécifiques (cellules granulaires) dans le cervelet apprennent et réagissent aux récompenses anticipées, ou à l'absence de ces dernières.

La nouvelle étude du Stanford Neuroscience Institute, intitulée "Cellules de granules cérébelleuses Encode l'attente de récompense", a été publiée le 20 mars en ligne avant impression dans la revue Nature . ( Cerebellar est le mot qui signifie « cérébral » ou «situé dans le cervelet».)

En 1504, Léonard de Vinci réalisa des moulages en cire du cerveau humain et inventa le terme "cervelet" (en latin "petit cerveau") après avoir identifié deux petits hémisphères cérébraux soigneusement cachés sous les hémisphères gauches-droits relativement immenses du "cerveau" ( Latin pour "cerveau").

Cerebrum (latin pour "cerveau") en rouge.

Source: Base de données des sciences de la vie / Wikimedia Commons

Pendant des siècles, les neuroscientifiques ont considéré le cervelet comme le siège d'activités «non-pensantes» telles que la coordination et l'ajustement des mouvements musculaires.

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Jusqu'à récemment, les deux hémisphères des régions cérébrales et corticales de la «capsule pensante» du cortex cérébral étaient considérés comme le seul domaine des processus cognitifs. Cela commence à changer. Au cours des dernières années, un large éventail d'études ont commencé à montrer (pour la première fois) que le cervelet joue un rôle mystérieux mais significatif dans de nombreuses fonctions cérébrales cognitives.

Par exemple, en février 2017, une équipe internationale de chercheurs a rapporté que le cervelet pourrait jouer un rôle auparavant imprévu dans les altérations cérébrales associées à la consommation addictive de médicaments.

Ces rapports reliant le cervelet et la toxicomanie étaient basés sur un large éventail de recherches révolutionnaires publiées au cours des deux dernières années. Ces résultats cérébelleux ont été compilés et présentés dans deux revues différentes: Neuroscience & Biobehavioral Reviews et le Journal of Neuroscience .

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En décrivant l'objectif de la première revue, «Avons-nous ignoré l'éléphant dans la pièce? Sept arguments pour considérer le cervelet comme un élément du circuit de dépendance, "les scientifiques, dirigés par Marta Miquel Salgado-Araujo d'UJI en Espagne, décrivent leur mission en déclarant:" Notre objectif n'est pas de revoir exhaustivement les études animales et humaines. des altérations cérébelleuses dans le cadre de la physiopathologie du trouble addictif. "

Une nouvelle technologie et une découverte accidentelle en attente: les cellules de granules cérébelleuses jouent un rôle cognitif dans le traitement des récompenses

Les chercheurs de Stanford ont identifié un rôle cognitif jusqu'alors inconnu des cellules granulaires du cervelet (en vert).

Source: Courtoisie de Mark Wagner

Le rapport de mars 2017 de Stanford sur le lien entre le cervelet et l'encodage de l'espérance de récompense s'accorde avec la recherche susmentionnée sur le cervelet faisant partie des circuits de dépendance. La nouvelle recherche de Stanford fait également progresser notre compréhension de la mystérieuse puissance neuronale contenue dans les 60 milliards de cellules granulaires de notre cerveau. ( Bien que le cervelet ne représente que 10% du volume cérébral, il abrite jusqu'à 80% des neurones totaux de votre cerveau, dont la plupart sont des cellules granulaires. )

L'un des aspects les plus remarquables de la nouvelle étude de Stanford est que les chercheurs sont tombés par hasard sur leur découverte potentiellement bouleversante que les cellules granulaires apprennent et réagissent aux récompenses anticipées. À certains égards, le fait que les chercheurs n'aient pas conçu une expérience dans le but de prouver une hypothèse ajoute un niveau supplémentaire de crédibilité à cette découverte unique en son genre.

Mark Wagner, stagiaire postdoctoral à Stanford, a dirigé cette recherche avec Tony Kim, un étudiant diplômé dans le laboratoire de Mark Schnitzer, professeur agrégé de biologie et de physique appliquée.

Schnitzer a le don de développer des méthodes uniques pour enregistrer l'activité cérébrale chez les mouches des fruits, les souris et d'autres animaux vivants. Une méthode brevetée récemment développée par Schnitzer, appelée « imagerie à deux photons de calcium », offrait la résolution finie dont Wagner avait besoin pour étudier les cellules granulaires microscopiques pendant que les souris étaient en mouvement.

Parce que les cellules granulaires sont si densément contenues dans le cervelet, les techniques conventionnelles d'enregistrement de l'activité des cellules granulaires ne fonctionnent pas très bien, ce qui a laissé aux neuroscientifiques une image incomplète de ce que fait réellement le cervelet jusqu'à présent.

Ces comptes de neurones du cervelet et du cortex cérébral sont basés sur des études de Lent, R. et al., 2012.

Source: Gracieuseté de Larry Vandervert

Mon défunt père, Richard Bergland, était neuroscientifique, neurochirurgien et auteur de The Fabric of Mind (Viking) au XXe siècle. Il était fasciné par la distribution disproportionnée des neurones dans le cervelet. Cela dit, mon père était frustré par les limites technologiques de sa génération qui l'empêchaient de prouver empiriquement ses «suppositions éclairées» sur ce que le cervelet faisait dans son laboratoire.

Comme un disque rayé, il disait: « Nous ne savons pas exactement ce que fait le cervelet. Mais peu importe ce qu'il fait, il en fait beaucoup. "Si mon père était vivant aujourd'hui, je sais qu'il serait sur la lune de voir que la technique révolutionnaire d'imagerie de calcium à deux photons développée par Schnitzer permet enfin aux neuroscientifiques de Stanford de voir l'activité des cellules granulaires en temps réel.

Quand Wagner a commencé ses recherches en utilisant l'imagerie calcique à deux photons, il était simplement intéressé par la surveillance et l'enregistrement des cellules granulaires en temps réel dans le cadre des fonctions de contrôle moteur de base du cervelet.

Afin d'étudier le contrôle moteur, Wagner et son équipe devaient motiver leurs souris de laboratoire à se déplacer en premier lieu. Ainsi, ils ont conditionné un comportement de recherche de récompense qui recevait une dose d'eau sucrée après avoir poussé un levier de distribution. Pendant que la souris poussait le levier et recevait une récompense, Wagner et son équipe ont enregistré l'activité des cellules granulaires dans le cervelet de chaque souris.

Wagner s'attendait seulement à trouver que l'activité des cellules granulaires était liée à la planification et à l'exécution de mouvements physiques. Mais dans une Eureka! À ce moment, Wagner observa que seules quelques cellules granulaires tiraient lorsque la souris poussait le levier pour une récompense. Étonnamment, d'autres cellules de granules ont tiré lorsqu'une souris attendait sa récompense sucrée. Et, encore un sous-ensemble de cellules de granules a tiré quand Wagner a enlevé sournoisement les récompenses Pavlovian anticipées. Les scientifiques écrivent dans le résumé Nature de leur étude:

«Le suivi des mêmes cellules granulaires pendant plusieurs jours d'apprentissage a révélé que les cellules ayant des réponses anticipant les récompenses émergeaient de celles qui répondaient au début de l'apprentissage pour récompenser l'accouchement, tandis que les réponses aux omissions de récompense devenaient plus fortes. La découverte d'un codage prédictif non sensorimoteur dans les cellules granulaires est un changement majeur par rapport à la compréhension actuelle de ces neurones et enrichit considérablement l'information contextuelle disponible pour les cellules postsynaptiques de Purkinje, avec des implications importantes pour le traitement cognitif dans le cervelet.

Dans une déclaration à Stanford, le co-auteur de Liquin Luo a déclaré: "C'était en fait une observation de côté, que, wow, ils répondent réellement à la récompense." Wagner a ajouté, "nous ne savions simplement pas", parce qu'historiquement l'hypothèse était que les cellules granulaires n'effectuent que les fonctions motrices les plus élémentaires et personne n'avait les outils pour observer de près les cellules granulaires en action.

En allant de l'avant, Wagner et ses collègues de Stanford sont optimistes que cette découverte pourrait conduire à quelque chose de beaucoup plus grand. En conclusion, Wagner a dit,

"Étant donné qu'une grande partie des neurones se trouvent dans le cervelet, il y a eu relativement peu de progrès dans l'intégration du cervelet dans la façon dont le cerveau résout les tâches, et une grande partie de cette déconnexion a été cette hypothèse que le cervelet peut seulement être impliqué dans des tâches motrices. J'espère que cela nous permettra de l'unifier avec des études de régions cérébrales plus populaires comme le cortex cérébral, et nous pourrons les assembler. "

Restez à l'écoute pour plus de recherche de pointe sur les cellules granulaires et le cervelet. En attendant, si vous souhaitez lire mes articles sur le blog de Psychology Today sur le cervelet, cliquez sur ce lien.