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L'exploration de la cartographie des connexions synaptiques dans le cortex cérébelleux par des chercheurs de l'Institut des neurosciences cellulaires et intégratives, met en évidence une organisation fonctionnelle des réseaux neuronaux conservée d'animaux en animaux, mais modifiable à tout moment en fonction de la demande. Ces réseaux permettent à des zones distantes du cortex cérébelleux de communiquer entre elles et de s'associer de façon dynamique. Ces travaux publiés dans la revue eLife, conduisent à formuler de nouvelles hypothèses expliquant comment le cervelet traite et combine les informations essentielles à la coordination de la motricité.
Figure 1: Tranche de cervelet de souris, Les cellules de Purkinje sont marquées. en rouge et identifient les frontières de modules. En vert, les cellules de Golgi expriment la GFP, une protéine fluorescente.
© Jean-Luc Dupont
Le cervelet est une petite structure qui malgré son faible volume n'en réunit pas moins de la moitié des neurones de l'encéphale. Il joue un rôle majeur dans le contrôle de la posture, l'équilibre, l'apprentissage des mouvements volontaires et certaines fonctions cognitives. Il contrôle notamment l'organisation temporelle de l'activation des différentes unités motrices pendant nos mouvements complexes tels que lancer une balle ou jouer du piano. Son action consiste par exemple à corriger les perturbations qui surviennent au cours de l'exécution des tâches, grâce à la prédiction du retour sensoriel généré par le mouvement et à sa comparaison avec les informations sensorielles effectivement reçues. Cette anticipation du mouvement permet la détection des erreurs et ainsi la réalisation de mouvements précis.
De multiples informations sensorielles et motrices arrivent au cortex cérébelleux selon une organisation anatomique modulaire à peu près connue, constituant des zones de traitement de l'information pour une petite zone du corps. Une partie des informations est apportée directement aux cellules de Purkinje par les fibres grimpantes selon une topographie modulaire stricte tandis que les autres informations sont apportées au cortex cérebelleux via les fibres moussues qui contactent les cellules granulaires. Les cellules granulaires sont anatomiquement connectées à plusieurs milliers de cellules de Purkinje ce qui permet de distribuer les informations reçues dans une large portion du cortex à travers un grand nombre de modules anatomiques. Ainsi, le cortex cérébelleux semble construit pour combiner des informations de plusieurs modalités sensorielles ou motrices arrivant dans des modules très distants. Cependant, aucune donnée fonctionnelle à l'échelle des connexions synaptiques ne suggérait que ce soit bien le cas.
Figure 2: Les informations sensorielles et motrices des différentes régions du corps (de l'oreille ou visuelles dans le schéma) sont acheminées via les fibres moussues (en vert) jusqu'au cortex cérébelleux dans des modules spécifiques (identifiés par des cylindres rouge et gris). Ces informations sont relayées par les cellules granulaires (en rouge) qui vont contacter des cellules de Purkinje (en orange et marron) de plusieurs modules parfois très distants. L'organisation fonctionnelle des synapses entre les cellules granulaire et les cellules de Purkinje (olives rouge quand elles sont efficaces, olive blanche quand elles sont silencieuses) permet de créer des liens de communication forts entre des modules distants qui vont pouvoir se coordonner. Cette organisation fonctionnelle est conservée d'animaux en animaux, mais peut être modifiée si besoin.
© Philippe Isope
En se repérant sur les cartes d'expression de marqueurs anatomiques des entrées cérébelleuses et en utilisant une technique de photo-stimulation automatisée, des chercheurs de l'Institut des neurosciences cellulaires et intégratives à Strasbourg, ont réalisé une cartographie fonctionnelle des connexions synaptiques des cellules granulaires avec les autres types cellulaires dans une petite région du cortex cérébelleux. Ils ont ainsi découvert que les cellules granulaires d'une région donnée activent spécifiquement certains groupes de cellules de Purkinje situées à proximité d'eux ou bien à une grande distance. Dans la région étudiée du cervelet, les chercheurs ont retrouvé la même organisation fonctionnelle chez tous les animaux étudiés. Il ne s'agit pas d'une carte figée car elle peut-être modifiée (extinction ou apparition de sites fonctionnels) en appliquant des protocoles de stimulation spécifiques. Ces résultats montrent que le cortex traite et stocke des informations pouvant entrer dans le cortex dans des régions très distantes. Cette capacité à associer des modules fonctionnels permettrait d'expliquer, par exemple, comment le cervelet coordonne les différentes unités motrices lors de l'exécution de mouvements complexes.
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