Un nouvel implant neuronal suit simultanément l'activité dans plusieurs régions du cerveau

Comment les différentes parties du cerveau communiquent-elles entre elles pendant l'apprentissage et la formation de la mémoire ? Une nouvelle étude de chercheurs de l'Université de Californie à San Diego fait un premier pas pour répondre à cette question fondamentale en neurosciences.

L'étude a été rendue possible par le développement d'un implant neuronal qui surveille l'activité de différentes parties du cerveau en même temps, de la surface aux structures profondes — une première dans le domaine. En utilisant cette nouvelle technologie, les chercheurs montrent que divers schémas de communication bidirectionnelle se produisent entre deux régions cérébrales connues pour jouer un rôle dans l'apprentissage et la formation de la mémoire — l'hippocampe et le cortex cérébral. Les chercheurs montrent également que ces différents schémas de communication sont liés à des événements appelés ondes de pointe (sharp-wave ripples), qui se produisent dans l'hippocampe pendant le sommeil et le repos.

« Notre implant neuronal est polyvalent ; il peut être appliqué à n'importe quelle zone du cerveau et permettre l'étude d'autres régions corticales et sous-corticales, pas seulement l'hippocampe et le cortex cérébral », a déclaré le professeur Duygu Kuzum.

L'implant neuronal est composé d'une fine bande de polymère flexible et transparente, fabriquée avec un réseau d'électrodes en or de taille micrométrique, sur lesquelles des nanoparticules de platine ont été déposées. Chaque électrode est connectée par un fil d'une épaisseur de quelques micromètres à un circuit imprimé personnalisé. Il peut enregistrer des signaux électriques de neurones individuels profondément dans le cerveau, comme dans l'hippocampe, tout en imagerie de grandes zones comme le cortex cérébral.

Plusieurs caractéristiques de conception rendent la surveillance multi-régions possible. L'une est que cette sonde est flexible. Lorsqu'elle est insérée profondément dans le cerveau pour surveiller une région comme l'hippocampe, la partie qui dépasse du cerveau peut être pliée vers le bas pour faire de la place pour un microscope abaissé près de la surface afin d'imager le cortex cérébral en même temps. Les sondes neuronales conventionnelles sont rigides, donc elles gênent le microscope ; par conséquent, elles ne peuvent pas être utilisées pour surveiller les structures profondes du cerveau tout en imagerie la surface du cerveau. Et même si cette sonde neuronale est souple et flexible, elle est conçue pour résister au flambage sous pression lors de l'insertion. Une autre caractéristique importante est que la sonde est transparente, ce qui donne au microscope un champ de vision clair. Elle ne génère également aucune ombre ni bruit supplémentaire pendant l'imagerie.

La motivation de cette étude était d'arriver à la racine de la façon dont différents processus cognitifs, tels que l'apprentissage et la formation de la mémoire, se produisent dans le cerveau. De tels processus impliquent une communication entre l'hippocampe et le cortex cérébral. Mais comment exactement cette communication se produit-elle ? Et quelle région du cerveau initie cette communication : l'hippocampe ou le cortex cérébral ? Ces types de questions sont restés sans réponse car il est très difficile d'étudier ces deux régions cérébrales simultanément, a déclaré Kuzum.

Les chercheurs ont utilisé leur sonde pour surveiller l'activité de l'hippocampe et du cortex cérébral chez des souris transgéniques. Plus précisément, ils ont surveillé l'activité avant, pendant et après les oscillations appelées ondes de pointe qui se produisent dans l'hippocampe. Leurs expériences ont révélé que la communication entre l'hippocampe et le cortex cérébral est bidirectionnelle : parfois le cortex initie la communication, d'autres fois c'est l'hippocampe. C'est un premier indice important pour comprendre la communication inter-régionale dans le cerveau, ont déclaré les chercheurs.

« La communication bidirectionnelle que nous avons rapportée ici diffère de la notion conventionnelle selon laquelle le cortex reçoit passivement l'information de l'hippocampe. Au contraire, le cortex est activement impliqué dans l'encodage de l'information dans le cerveau et peut jouer un rôle instructif pendant la consolidation et la récupération de la mémoire », a déclaré le Dr Chi Ren, l'un des chercheurs.