Zaki Ajabi, McGill University
Publication scientifique
Ajabi, Z., Keinath, A.T., Wei, XX. & Brandon, M.P. Population dynamics of head-direction neurons during drift and reorientation. Nature 615, 892–899 (2023).
Comment la boussole interne du cerveau s’adapte aux indices environnementaux changeants pour maintenir une représentation fiable de l’orientation dans l’espace.
Le système de direction de la tête fonctionne comme la boussole interne du cerveau et sous-tend le sens de l’orientation du navigateur. Contrairement à une boussole magnétique, qui utilise le champ magnétique terrestre comme cadre de référence universel, la boussole du cerveau s’appuie sur des indices locaux et visuels pour déterminer l’orientation dans l’espace. En l’absence de ces repères, une dérive importante se produit, mais les mécanismes sous-jacents ce processus étaient peu compris. Les nouveaux travaux de Zaki Ajabi, de l’Université McGill et de l’Institut de recherche Douglas, ont utilisé des méthodes avancées pour étudier l’activation des neurones de la direction de la tête afin de faire la lumière sur cet important processus.
Dans cette étude, les chercheurs ont enregistré l’activité des neurones de la direction de la tête dans une région du cerveau appelée thalamus, chez des souris, au cours de rotations contrôlées d’un repère visuel. Ils ont constaté que l’activité de la population présentait une variabilité importante selon deux dimensions principales. L’activité le long de la première dimension a permis de suivre la rotation de la tête des animaux, tandis que l’activité le long de la deuxième dimension (appelée « gain de réseau ») est apparue dans des circonstances spécifiques de conflit et d’ambiguïté des repères et pouvait prédire la réponse du système de direction de la tête aux changements de repères visuels. En outre, ils ont montré que, dans l’obscurité, le gain de réseau maintenait une « trace mémorielle » du repère précédemment affiché. Alors que les chercheurs ont montré que la représentation interne de la direction de la tête s’éloignait de sa configuration de base après l’élimination du repère visuel (c’est-à-dire dans l’obscurité), d’autres expériences ont démontré que le réseau de direction de la tête pouvait retrouver son orientation initiale après de brèves expositions, mais pas longues, à un repère pivoté. Cela suggère une dynamique dépendante de l’expérience impliquant des mémoires d’associations antérieures entre les neurones de direction de la tête et les repères, en réponse à des manipulations de repères visuels. Sur la base de ces résultats, ils ont montré que la rotation continue d’un repère visuel induisait une rotation de la représentation de la direction de la tête qui persistait dans l’obscurité, démontrant ainsi un recalibrage du système de direction de la tête dépendant de l’expérience. Enfin, Zaki Ajabi et ses collègues ont proposé un modèle informatique pour expliquer comment le réseau de direction de la tête s’adapte de manière flexible aux indices environnementaux changeants afin de maintenir une représentation fiable de l’orientation de la tête.
Ces résultats remettent en question les modèles précédents du système de direction de la tête et donnent un aperçu des interactions entre ce système et les indices auxquels il s’ancre. En enregistrant un très grand nombre de neurones – ils ont augmenté le nombre de neurones enregistrés simultanément d’un ordre de grandeur par rapport aux tentatives précédentes – les chercheurs ont montré que la représentation interne de ce réseau était plus complexe que le simple suivi de l’orientation de la tête de l’animal. Ces résultats et ces méthodes pourraient ouvrir la voie à une appréciation multidimensionnelle du fonctionnement complexe de cette partie fondamentale du système de navigation spatiale interne du cerveau. En outre, le modèle de réseau computationnel développé sur la base de ces résultats peut aider à guider les recherches futures dans leur quête d’une image complète des circuits qui sous-tendent la génération, le maintien et la correction du signal de direction de la tête, dans des environnements changeants.
Ces résultats ont une pertinence clinique étant donné l’ubiquité du signal HD dans le cerveau des mammifères et son importance primordiale dans le maintien d’une représentation correcte de l’espace et le guidage de l’action pendant les tâches de navigation spatiale. Il est intéressant de noter que la désorientation spatiale est l’un des premiers symptômes déclarés de la maladie d’Alzheimer. Ainsi, la compréhension du système responsable de l’émergence de la représentation directionnelle dans le cerveau est cruciale pour la détection précoce et le traitement éventuel d’un tel déclin cognitif.
À propos de Zaki Ajabi
Zaki Ajabi a effectué cette recherche en tant que candidat au doctorat dans le laboratoire de Mark Brandon à l’Université McGill. En tant que premier auteur de cet article, Zaki Ajabi a contribué à la conception expérimentale, a effectué toutes les interventions chirurgicales, les enregistrements, l’analyse des données et la modélisation, et a également rédigé le projet initial et contribué à l’édition et à la révision de l’article. Zaki travaille actuellement comme chercheur postdoctoral à la Harvard Medical School/Harvard University, où il se concentre sur la théorie de la navigation cérébrale.
Sources de financement
Ce travail a été financé par les Instituts de recherche en santé du Canada, le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada et le Programme des chaires de recherche du Canada à Mark P. Brandon.
