Boussole 3D trouve dans le cerveau

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Les pilotes sont formés pour se prémunir contre le vertige: une perte soudaine du sens de la direction verticale qui les rend incapables de dire le haut du bas, et parfois même conduit à des accidents. Venir sur une station de métro peut produire la même confusion, que pour quelques instants, vous n'êtes pas sûr où aller - jusqu'à retrouver votre sens de l'orientation. Dans les deux cas, la désorientation est considérée comme étant provoquée par un dysfonctionnement temporaire d'un circuit de cerveau qui fonctionne comme une boussole (3D) en trois dimensions.

Institut Weizmann des Sciences chercheurs ont maintenant - pour la première fois - a démontré l'existence d'une telle boussole 3D dans le cerveau des mammifères. L'étude a été réalisée par l'étudiant diplômé Arseni Finkelstein dans le laboratoire du professeur Nachum Ulanovsky du Département de Neurobiologie, avec le Dr Dori Derdikman, le Dr Alon Rubin, Jakob N. Foerster, et le Dr Liora Las. Comme rapporté dans Nature le 3 Décembre, les chercheurs ont montré que le cerveau des chauves-souris contiennent neurones ce sens quelle manière la tête de la chauve-souris est pointu et pourrait, par conséquent, soutenir la navigation de l'animal dans l'espace 3D.

Navigation repose sur la mémoire spatiale: l'expérience passée de différents endroits. Cette mémoire est formé principalement dans une structure profonde cerveau appelée la formation hippocampique. Chez les mammifères, trois types de cellules du cerveau, situés dans différents quartiers de la formation hippocampique, former des composants clés du système de navigation: «lieu» et les cellules "de la grille", qui fonctionnent comme un GPS, permettant animaux de garder une trace de leur position; et les cellules "tête-direction", qui répondent chaque fois que les points de la tête de l'animal dans une direction spécifique, agissant comme une boussole. Beaucoup de recherches ont été menées sur le lieu et la grille de cellules, dont les découvreurs ont reçu le prix Nobel 2014 de physiologie ou médecine, mais jusqu'à récemment, les cellules tête-direction ont été étudiés que dans deux dimensions (2D) paramètres, chez les rats, et très on en savait peu sur l'encodage de la direction de la tête 3D dans le cerveau.

Pour étudier le fonctionnement des cellules tête-direction en 3D, les scientifiques Weizmann développé un appareil de suivi qui leur a permis de vidéo-surveiller tous les trois angles de rotation de la tête - dans la terminologie de vol, lacet, tangage et roulis - et d'observer les mouvements de se comporter librement roussettes égyptiennes. Dans le même temps, l'activité neuronale de la chauve-souris a été contrôlée par micro-électrodes implantées. Les enregistrements effectués à l'aide de ces microélectrodes ont révélé que, dans une sous-région spécifique de la formation hippocampique, les neurones sont accordés sur un angle 3D particulière de la tête: certains neurones se sont activés que lorsque la tête de l'animal a été souligné à cet angle 3D.

L'étude a également révélé, pour la première fois, comment le cerveau calcule un sens de la direction verticale, intégrant à l'horizontale. Il se avère que dans la boussole de neurones, ces directions sont calculés séparément, à différents niveaux de complexité. Les scientifiques ont découvert que les cellules de tête de direction dans une région de la formation hippocampique se sont activés en réponse à de la chauve-souris orientation du rapport à la surface horizontale - ce est-à faciliter l'orientation de l'animal en deux dimensions - tandis que les cellules répondant à la composante verticale de le mouvement de la chauve-souris - ce est une orientation 3D - ont été situé dans une autre région. Les chercheurs croient que les cellules tête-direction 2D pourraient servir de locomotion le long des surfaces, comme cela se produit chez l'homme lors de la conduite d'une voiture, alors que les cellules 3D pourraient être importantes pour les manœuvres complexes dans l'espace, comme l'escalade des branches d'arbres ou, dans le cas de les humains, se déplaçant à travers les bâtiments à plusieurs étages ou de pilotage d'un avion.

En expérimentant plus loin chauves-souris inversées - les pendre la tête en bas - les scientifiques ont pu préciser comment exactement les signaux tête-direction sont calculées dans le cerveau de chauve-souris. Il se est avéré que ces calculs sont effectués d'une manière qui peut être décrit par un système extrêmement efficace de coordonnées mathématiques (le terme technique est "toroïdal"). Merci à cette approche de calcul utilisée par leur cerveau, les chauves-souris peut efficacement se orienter dans l'espace, se ils se déplacent la tête vers le haut ou vers le bas.

Cette recherche soutient l'idée que les cellules tête-direction de la formation hippocampique servent de boussole neurale 3D. Bien que l'étude a été menée dans les chauves-souris, les scientifiques estiment que leurs résultats devraient également se appliquer aux mammifères non volants, comme les écureuils et des singes qui sautent entre les branches d'arbres, ainsi que les humains. "Maintenant, ce modèle peut être appliqué à d'autres espèces qui subissent 3D dans un sens plus restreint," Prof. mai-Britt Moser, l'un des lauréats du prix Nobel 2014, écrit dans le «Nouvelles et opinions» d'opinion qui accompagne l'étude Weizmann en Nature.