Des chercheurs ont découvert de nouvelles fonctions du “cerveau ancien”

Le cerveau postérieur est une région du cerveau qui contrôle les fonctions vitales de base telles que la fréquence cardiaque, la respiration et l’équilibre. Le cerveau postérieur est considéré comme la partie la plus primitive du cerveau et agit comme le lien principal entre la moelle épinière et les régions cérébrales supérieures.

Un circuit multirégional du cerveau postérieur permet aux animaux de retrouver leur trajectoire après en avoir dévié.

Un poisson zèbre se dirige vers sa cible, mais de forts courants le font dévier de sa trajectoire. Sans se laisser décourager, le petit poisson retourne à son point de départ, résolu à terminer son voyage.

Comment les animaux savent-ils où ils se trouvent dans leur environnement, et comment cela détermine-t-il leurs choix ultérieurs ? Des chercheurs de Institut médical Howard Hughes Janelia Research Campus a découvert que le cerveau postérieur – une région conservée au cours de l’évolution ou «ancienne» à l’arrière du cerveau – aide les animaux à calculer leur emplacement et à utiliser ces informations pour déterminer où ils doivent aller ensuite.

La nouvelle recherche, qui a été récemment publiée dans la revue Celluledécouvre de nouvelles fonctions pour des parties du “cerveau ancien”, des découvertes qui pourraient s’appliquer à d’autres

vertébrés
Les vertébrés sont des animaux qui ont une colonne vertébrale et comprennent des mammifères, des oiseaux, des reptiles, des amphibiens et des poissons. Ils ont un système nerveux plus avancé que les invertébrés, ce qui leur permet de mieux contrôler leurs mouvements et leurs comportements, et ils sont capables de bouger et de supporter leur poids corporel en utilisant leur colonne vertébrale. Les vertébrés se trouvent dans de nombreux habitats et jouent un rôle important dans l’écosystème en tant que prédateurs, proies et charognards.

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Zebrafish Whole Brain Imaging

This video shows whole-brain recordings of the larval zebrafish taken while it was in the virtual reality environment. Credit: Misha Ahrens

Whole-brain imaging reveals new networks

To figure out how animals understand their position in the environment, researchers, led by En Yang, a postdoc in the Ahrens Lab, put tiny translucent zebrafish, barely half a centimeter in length, in a virtual reality environment that simulates water currents. When the current shifts unexpectedly, the fish are initially pushed off course; however, they are able to correct for that movement and get back to where they started.

While a zebrafish is swimming in the virtual reality environment, the researchers use a whole-brain imaging technique developed at Janelia to measure what is happening in the fish’s brain. This technique allows the scientists to search the entire brain to see which circuits are activated during their course-correcting behavior and disentangle the individual components involved.

The researchers expected to see activation in the forebrain – where the hippocampus, which contains a “cognitive map” of an animal’s environment, is located. To their surprise, they saw activation in several regions of the medulla, where information about the animal’s location was being transmitted from a newly identified circuit via a hindbrain structure called the inferior olive to the motor circuits in the cerebellum that enable the fish to move. When these pathways were blocked, the fish was unable to navigate back to its original location.


Cette vidéo montre un environnement de réalité virtuelle pour les larves de poisson zèbre. Le poisson traverse un environnement 2D en présence d’un écoulement d’eau simulé. 1 crédit

Ces résultats suggèrent que les zones du tronc cérébral se souviennent de l’emplacement d’origine d’un poisson zèbre et génèrent un signal d’erreur basé sur ses emplacements actuels et passés. Cette information est transmise au cervelet, permettant au poisson de revenir à son point de départ. Cette recherche révèle une nouvelle fonction pour l’olive inférieure et le cervelet, qui étaient connus pour être impliqués dans des actions comme l’atteinte et la locomotion, mais pas ce type de navigation.

“Nous avons constaté que le poisson essaie de calculer la différence entre son emplacement actuel et son emplacement préféré et utilise cette différence pour générer un signal d’erreur”, explique Yang, le premier auteur de la nouvelle étude. “Le cerveau envoie ce signal d’erreur à ses centres de contrôle moteur afin que le poisson puisse corriger après avoir été déplacé involontairement par le flux, même plusieurs secondes plus tard.”

Un nouveau circuit multirégional du cerveau postérieur

On ne sait toujours pas si ces mêmes réseaux sont impliqués dans un comportement similaire chez d’autres animaux. Mais les chercheurs espèrent que les laboratoires qui étudient les mammifères commenceront désormais à rechercher dans le cerveau postérieur des circuits homologues pour la navigation.

Ce réseau de cerveau postérieur pourrait également être à la base d’autres compétences de navigation, comme lorsqu’un poisson nage vers un endroit spécifique pour s’abriter, disent les chercheurs.

“Il s’agit d’un circuit très inconnu pour cette forme de navigation qui, selon nous, pourrait sous-tendre les circuits hippocampiques d’ordre supérieur pour l’exploration et la navigation basée sur les points de repère”, déclare Janelia Senior Group Leader Misha Ahrens.

Référence : “Un intégrateur du tronc cérébral pour la mémoire de localisation et l’homéostasie positionnelle chez le poisson zèbre” par En Yang, Maarten F. Zwart, Ben James, Mikail Rubinov, Ziqiang Wei, Sujatha Narayan, Nikita Vladimirov, Brett D. Mensh, James E. Fitzgerald et Misha B. Ahrens, le 22 décembre 2022, Cellule.
DOI : 10.1016/j.cell.2022.11.022

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