SPOUT: An open-source hardware and software platform to study decision making while manipulating and recording from neural activity
L'article présente SPOUT, une plateforme matérielle et logicielle open-source et abordable qui intègre l'enregistrement neural précis et la manipulation optogénétique à des tâches de prise de décision flexibles pour étudier les mécanismes neuraux du comportement chez les souris entravées par un cadre de contention.
Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA d'un preprint qui n'a pas été évalué par des pairs. Ce n'est pas un avis médical. Ne prenez pas de décisions de santé basées sur ce contenu. Lire la clause de non-responsabilité complète
Pour comprendre comment une souris décide de tourner à gauche ou à droite, les scientifiques doivent faire plus que simplement observer l'animal. Ils doivent voir l'activité électrique du cerveau au moment exact où un choix est fait, et ils doivent être capables de stimuler délicatement cette activité pour voir ce qui se passe. Cela nécessite un équilibre délicat : l'animal doit être assez immobile pour que des microscopes de haute puissance puissent voir des cellules cérébrales individuelles, tout en étant assez libre de bouger sa tête et sa langue pour accomplir une tâche. Pendant des décennies, les chercheurs ont lutté pour construire un système capable d'enregistrer le cerveau, de contrôler le comportement et de délivrer des signaux lumineux précis au cerveau, le tout en maintenant une synchronisation parfaite. Si l'horloge qui mesure le comportement dérive ne serait-ce qu'un peu par rapport à l'horloge qui enregistre le cerveau, la connexion entre l'action et la pensée devient impossible à déchiffrer.
Une équipe de la Harvard Medical School a maintenant construit un nouvel outil pour résoudre ce problème, créant un système complet et open-source appelé SPOUT. Le nom signifie State-machine Platform for Operant Uni/dual-spout Tasks (Plateforme à machine à états pour tâches à un ou deux suceurs opérants), mais en pratique, il s'agit d'une machine polyvalente qui permet aux souris de résoudre des énigmes de prise de décision pendant que les scientifiques observent leur cerveau en temps réel. Le système est conçu pour être abordable et facile à utiliser, remplaçant les installations coûteuses et sur mesure par une collection de pièces standard que n'importe quel laboratoire peut assembler. En son cœur se trouve une petite puce informatique qui agit comme un chef d'orchestre, coordonnant la distribution des récompenses d'eau, l'enregistrement des mouvements de la langue et l'envoi de faisceaux lumineux dans le cerveau, le tout avec une précision mesurée en millionièmes de seconde.
Les chercheurs ont testé ce système en apprenant un jeu simple aux souris. La souris est assise, la tête maintenue immobile, face à deux petits tubes. Un son retentit, et la souris doit choisir de lécher soit le tube de gauche, soit le tube de droite pour obtenir une goutte d'eau. L'astuce est que le son ne dit pas à la souris quel est le bon tube ; au contraire, le tube correct change toutes les quelques tentatives sans prévenir. La souris doit découvrir le modèle en se souvenant quel choix a mené à une récompense et lequel n'a mené à rien. En utilisant SPOUT, l'équipe a observé les souris apprendre ce jeu sur de nombreux jours. Au début, les souris devinaient de manière aléatoire, mais à mesure qu'elles gagnaient de l'expérience, elles apprenaient à changer immédiatement de choix après une erreur et à s'en tenir à un côté gagnant. Le système a enregistré chaque léchage avec une telle précision que les chercheurs ont pu voir le moment exact où le comportement de la souris passait de la confusion à la confiance.
Pour prouver que le système pouvait également contrôler le cerveau, les scientifiques ont utilisé une technique appelée optogénétique, qui permet d'allumer ou d'éteindre des cellules cérébrales spécifiques grâce à la lumière. Ils se sont concentrés sur une région du cerveau appelée cortex moteur antéro-latéral, une zone connue pour être impliquée dans la planification des mouvements. Lorsqu'ils ont projeté une lumière bleue dans cette partie du cerveau juste au moment où la souris était sur le point de prendre une décision, le comportement de la souris a changé instantanément. Si la lumière frappait le côté du cerveau qui contrôle le côté droit du corps, la souris arrêtait soudainement de lécher le tube de droite et commençait à lécher celui de gauche à la place. Cela ne se produisait que lorsque la lumière était allumée, et l'effet disparaissait dès que la lumière s'éteignait, montrant que le système pouvait interrompre précisément le processus de planification du cerveau et observer le dénouement de la décision de l'animal en temps réel.
Les chercheurs ont également combiné cette installation avec un microscope puissant pour prendre des photos des cellules cérébrales pendant que les souris jouaient au jeu. Parce que le système maintient un temps parfait, ils ont pu faire correspondre le moment exact où une souris léchait un tube avec l'activité de milliers de neurones dans le cerveau. Ils ont découvert que lorsqu'une souris choisissait de lécher du côté opposé à la zone stimulée, les cellules cérébrales s'activaient beaucoup plus fortement que lorsqu'elle choisissait le même côté. Cela a confirmé que ces cellules cérébrales spécifiques sont plus actives lorsque l'animal se prépare à bouger dans une direction particulière. La capacité du système à synchroniser le comportement, la stimulation lumineuse et l'imagerie cérébrale avec une telle précision a permis à l'équipe de voir ces schémas clairement, ce qui aurait été impossible avec des équipements plus anciens et moins synchronisés.
Ce qui rend ce travail particulièrement significatif n'est pas seulement la découverte sur les cerveaux de souris, mais l'outil lui-même. Les chercheurs ont rendu publics, gratuitement, tous les plans, le code et les instructions pour construire SPOUT. Ils ont montré qu'une expérience de neurosciences complexe et de haute précision n'a pas besoin de coûter des dizaines de milliers de dollars ni de nécessiter une équipe d'ingénieurs pour être construite. En utilisant un microcontrôleur standard et des pièces disponibles sur le marché, ils ont créé une plateforme suffisamment robuste pour fonctionner pendant des milliers de sessions sans tomber en panne. Le système est conçu pour être flexible, permettant aux scientifiques de changer les règles du jeu ou le type d'enregistrement cérébral sans réécrire le logiciel sous-jacent. Cette ouverture signifie que des laboratoires du monde entier peuvent désormais mener les mêmes expériences avec le même niveau de précision, facilitant ainsi la comparaison des résultats et la construction d'une compréhension commune de la manière dont le cerveau prend des décisions.
L'étude conclut que SPOUT est un moyen fiable et accessible d'étudier le lien entre l'activité cérébrale et le comportement. Elle a démontré avec succès que les souris peuvent apprendre des règles complexes basées sur des récompenses passées, que des régions cérébrales spécifiques peuvent être temporairement réduites au silence pour altérer ces décisions, et que l'activité neuronale résultante peut être enregistrée avec une grande fidélité. Les chercheurs n'ont pas prétendu avoir résolu le mystère de la prise de décision, mais ils ont fourni un moyen clair et reproductible de poser la question. En supprimant les barrières techniques qui ont empêché de nombreux laboratoires de réaliser ce genre de travail, l'équipe a ouvert la porte à une communauté plus large de scientifiques pour explorer comment le cerveau guide l'action, un léchage précis à la fois.
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