Le fonctionnement du cerveau humain est un mystère que l’on déchiffre progressivement. L’organe énigmatique qu’abrite notre crâne est un réseau vertigineusement complexe de neurones qui communiquent entre eux. Ce réseau renferme autant de cellules que les quelque cent milliards d’étoiles que l’on retrouve dans la Voie lactée et sa fonction « d’entrée et de sortie » n’est que partiellement comprise.
Plusieurs questions se posent, notamment, de quelle façon les neurones reçoivent les données pour ensuite acheminer cette information au circuit de câblage complexe du cerveau? En quoi l’activité dans les dendrites, le prolongement filamenteux des neurones, change-t-elle la fonction d’un neurone? Et en quoi cela influence-t-il notre compréhension générale de l’apprentissage et de la mémoire?
Le professeur Richard Naud de la Faculté de médecine de l’Université d’Ottawa a dirigé une nouvelle étude fascinante qui nous rapproche un peu plus d’une réponse à ces grandes questions.
Publiée dans la revueNature Computational Science, l’étude porte sur les nombreuses facettes du mystère de la « variabilité de la réponse » des neurones, les cellules du cerveau qui utilisent des signaux électriques et chimiques pour traiter l’information et donnent le feu vert à tous les aspects remarquables de la conscience humaine.
Les résultats montrent comment la variabilité neuronale est contrôlée par les dendrites, le prolongement filamenteux de chaque neurone qui permet de recevoir des intrants synaptiques dans nos propres réseaux de communication neuronale. Cette étude rigoureuse conclut que les propriétés des dendrites influencent puissamment la variabilité des extrants, une fonction qui contrôle la plasticité synaptique dans le cerveau.
« Cette étude établit de façon plus précise comment chaque neurone peut avoir la propriété essentielle de contrôler la variabilité de la réponse grâce à leurs intrants. »
Le professeur Richard Naud
— Professeur agrégé au Département de médecine cellulaire et moléculaire de la Faculté de médecine
« L’intensité de la réponse d’un neurone est contrôlée par des intrants à même son noyau, mais la variabilité de sa réponse est contrôlée par les intrants à son prolongement filamenteux – les dendrites », indique Richard Naud, professeur agrégé au Département de médecine cellulaire et moléculaire de la Faculté de médecine et au Département de physique de l’Université d’Ottawa. « Cette étude établit de façon plus précise comment chaque neurone peut avoir la propriété essentielle de contrôler la variabilité de la réponse grâce à leurs intrants. »
À l’origine, l’étude était basée sur une simple intuition. Le professeur Naud soupçonnait que, si la portée d’un cadre mathématique qu’il avait utilisé pour décrire le corps cellulaire des neurones était élargie pour tenir compte de leurs dendrites, il serait possible – avec un peu de chance – de simuler efficacement des réseaux de neurones avec dendrites actives.
Zachary Friedenberger, doctorant au Département de physique et collaborateur du laboratoire du professeur Naud, a mis à profit son expérience en physique théorique pour résoudre le problème en un temps record et surmonter des défis liés à la théorie.
« Zachary a réussi à résoudre le problème en un temps record et à surmonter plusieurs enjeux théoriques que je n’avais pas prévus, » ajoute le Dr Naud.
Le Dr Naud était convaincu que leur technique pourrait fournir des éclaircissements sur la réponse neuronale à différents intrants. Ils ont donc élaboré une technique capable de calculer des statistiques à partir d’un modèle neuronal avec une dendrite active.
Une fois l’étude terminée, les prévisions du modèle ont été validées par l’analyse des données enregistrées in vivo et observées sur un large éventail de paramètres du modèle.
L’un des examinateurs des travaux a indiqué que l’analyse théorique « fournit un aperçu des éléments essentiels du calcul biologique et sera d’un intérêt particulier pour un vaste public de neuroscientifiques computationnels et expérimentaux. »
Quelles sont les prochaines étapes pour les chercheurs de l’Université d’Ottawa alors qu’ils explorent des questions soulevées par cette étude?
« Pour résoudre le problème, nous avons dû établir plusieurs hypothèses. Un suivi logique serait de tenter de résoudre le problème sans ces hypothèses », mentionne le Dr Naud. « Nous pouvons seulement résoudre le cas d’une seule dendrite, ce qui se passe avec plusieurs dendrites n’est pas clair dans cette perspective. »
L’article ‘Dendritic excitability controls overdispersion’ a été publié dans Nature Computational Science le 27 décembre 2023. DOI: 10.1038/s43588-023-00580-6.
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