Semaine 5 - Neurophysiologie des systèmes Flashcards
Pourquoi enregistrer directement dans le cerveau des animaux?
- Les potentiels d’action sont généralement accepté comme la mesure donnant le plus d’information par rapport à ce que les neurones encodent
- Les techniques non invasives ont une faible résolution temporelle et/ou spatiale –> ne peuvent pas fournir des informations par rapport aux décharges des neurones individuels en temps réel pendant le comportement
Pourquoi utiliser les primates non-humains pour la recherche en neurosciences?
Similaire aux humains génétiquement, anatomiquement et sur le plan comportemental
- permet aux scientifique d’étendre les résultats expérimentaux aux théories de fonctionnement du cerveau humain
Capables d’être entraînés à effectuer des comprotements et tâches plus complexes que d’autres modèles animaux
- Permet aux scientifiques d’examiner l’activité neurale alors que les animaux effectuent des tâches identiques ou similaires à celles effectuées par les humains dans des études psychophysiques ou cognitives
Aspects généraux des expériences chez les primates non-humains
Singes utiliés le plus fréquemment : macaque rhésus (macaca mulatta) et singe cynomolgus (macaca fascicularis)
Travailler avec singes = grand investissement de ressources et temps
Utilisation des singes est minimisée autant que possible
- Typiquement 1-3 singes sont utilisés dans une pério de 10-15 ans) = on travaille avec les mêmes animaux à long-terme
Expériences sur les primates mettent l,accent sur l’enregistrement des propriétés de réponse neurale alors que les animaux entraînés effectuent des tâches comportementales
- Puissance statistique est attient par le nombre de neurones atteints PAS le nombre d’animaux étudiés
Chaque expérience est effectuée avec un minimum de 2 animaux usually
- Assure reproductibilité des résultats
Quelle est la structure de base des expériences chez les primates non-humains étape par étape?
1.Conception d’une tâche exprérimentale pour répondre à une question spécifique
- Quelle est la structure de la tâche?
- Comment les stimuli seront-ils présentés?
- Comment le comportement sera-t-il mesuré?
2.Assembler/construire l’équipêment expérimental nécessaire pour effectuer cette tâche et l’acquisition des données
3.Préparer un animal pour l’entraînement (familiarisation avec labo, équipement, personnel; parfois, chirurgies pour implantations)
4.Entraîner l’animal à effectuer la tâche
5.Procédure chirurgicale alors que l’animal effectue la tâche
6.Analyse de données où l’activité neurale est corrélée avec le comportement
Est-ce que les récompenses sont obligatoires?
Oui, il faut toujours travailler par renforcement positif (récompenses), pas de punitions
Les stimulus peuvent être présentés de quelles manières?
- Stimulus visuel sur écran
- Stimulateur tactile
- Forces ou perturbations appliquées par un bras robotisé
- Système de mouvement pour bouger le singe dans l’espace
Quelles sont les 3 choses qu’on mesure lorsqu’on cherche à mesurer la performance comportementale?
- Mouvements des yeux
- Mouvements du bras
- Activité musculaire
Quelles sont les 2 techniques de mesurer les mouvements des yeux?
Scleral search coil technique
- Singe assis avec tête centrée dans le champ magnétique (magnetic field coil)
- Lorsqu’il bouge les yeux, petits courants envoyés dans eye coil –> mesurés comme des changements de potentiel proportionnels à la position de l’oeil
Occulomètre
- Sytème utilisant caméra pour suivre mouvement des yeux
- Suit la position de la pupille
- Résolution temporelle est spatiale limitée comparé à une technique utilisant un champ magnétique (eye coil)
Quelles sont les 3 techniques de mesurer les mouvements du bras?
Bras robotisé ou interface manipulable
- Mesure trajectoire entière pendant le mouvement
Sytème de caméra
- Utilisation de marqueurs sur le bras du singe (signe joue avec…)
- Mesure trajectoire entière pendant le mouvement
Écran tactile
- Mesure la position de la main au début et à la fin du mouvement (pas trajectoire entière)
Quelle est la technique utilisé pour mesure l’activité musculaire ?
Enregistrements électromyographiques (EMG)
- Enregistrement des potentiels électriques générés par les cellules musculaires en réponse à une stimulation neurale ou électrique
Quels sont les 3 types d’électrodes utilisés dans l’EMG?
- Électrodes de surface
- Électrodes percutanées
- Électrodes implantées chroniquement
Brièvement, en quoi consiste l’entraine comportemental des animaux?
Former graduellement le comportement du singe par renforcement positif
Quelles sont les étapes de base de l’entrainemt comportemental?
1.Apprendre à sortir de la cage et à entrer dans une chaise à primate et devenir familier avec le labo, le personnel et l’équipement
- 1-2 semaines pendant lesquelles le signe vient au labo quotidiennement et reçoit des récompenses pour qu’il devient confortable avec l’environnement et qu’il le perçoive de manière positive
2.Apprendre la tâche expérimentale
- Introduction à l’appareillage expérimental et concepts simples sur quoi faire (ex: regarder cible = récompense, saisir poignée et faire bouger le bras, ce qui fait bouger le curseur = récompense)
3.Introduction progressice de nouveaux concepts étape par étape. Ex:
- Bouger poignée pour placer le curseur dans un cercle (position départ)
- Bouger curseur à position départ et maintenir un certain temps
- Bouger curseur à position départ et bouger vesr nouvelles cible lorsqu’elle apparait
- Bouger curseur à position départ et lorsqu’une nouvelle cible apparait, attendre un signal de départ avant de bouger le curseur vers la nouvelle cible
4.Perfectionnement de la tâche
- Précision en réduisant graduellement la taille des cibles
- Améliorer vitesse
Quels sont les appareils implatés chirurgicalement (préparation chirurgicale) pour les expériences neurophysiologiques in vivo?
Appareils pour mesurer réponses comportementales
- Eye coil
- Électrodes EMG
Sytème de fixation de la tête
- Implant ou poteau attaché à la tête: permet stabilisation de la tête pour enregistrement neuronal et certaines tâches comportementales
Implants pour l’accès à long-terme du cerveau
Quels sont les types d’implants pour l’accès à long-terme au cerveau?
Chambre pour enregistrement:
- Cylindre avec bouchon vissable implanté autour d’un trou ouver chirurgicalement par craniotomie –> exposition lors d’enregistrement, refermer bouchon lorsque pas en enregistrement
Réseau d’électrodes implanté de façon chronique:
- Enregistrer l’activité d’une population de neurones
Canule:
- Tube cylindrique étroit pour accéder aux structures profondes du cerveau
- Utilisé pour introduire électrodes étroites, agents pharmacologiques, vecteurs viraux, sondes optiques pour la stimulation avec lumière
Fenêtre crânienne
- Fenêtre d’observation créée lors d’une craniotomie ou en polissant une partie de crâne = accès visuel aux structure superficielles du cerveau (skull is basically transparent)
- Utilisée pour l’imagerie des neurones (ex: neurones marqués avec traceurs fluorescents)
Les procédures chirurgicales chez les animaux, sont-elles sembables à celles chez les humains?
Oui, les procédures chirurgicales sont effectuées dans des conditions stériles
- Tout est stérilisé grâce à l’autoclave
- Parfois, pas autoclave, mais gax ou désinfectant pour les outils sensibles à la chaleur
Quels sont les deux moyens que l’animal soit anesthésié?
Ketamine, souvent couplé avec Xylazine
- Agent pharmacologique, inhibiteur des canaux ioniques NMDA et HCN1)
Isoflurane
- Anesthésique au gaz, éther inhalable
Après la chirurgie, les animaux sont traités avec quoi?
Avec des analgésiques (prévient douleurs à long-terme) et des agents antiobiotiques (prévient les infections)
À quoi sert un instrument stéréotaxique dans le placement des implants?
Positionner la tête d’un animal dans une orientation précise afin de définir un cadre de référence 3D qui soit constant d’un animal à un autre
À quoi sert un atlas stéréotaxique dans le placement des implants?
Fournit des informations sur la positions des structures du cerveau dance ce cadre de référence stéréotaxique
DONC instrument stéréotaxique = création d’une référence 3D = cette référence est utilisée pour créer un atlas stéréotaxique
Explique comment on peut placer des implants à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique
- Reconstruction des régions d’intérêt pour l’enregistrement en 3D à partir d’une série d’images d’IRM
- Estimation d’où la chambre devrait être placée afin que les électrodes atteignent les régions d’intérêt
- Calibration de l’emplacement de cette chambre en fonction de points de repères fixés sur le crâne
Quel type d’enregistrement d’activité neurale est plus couramment utilisé in vivo?
Enregistrement extracellulaire
Quelle est la différence entre un puit et une source?
Puit = permet à un courant de rentrer dans la cellule
Source = permet à un courant de sortir de la cellule
Les sources et les puits sont d’intensités équivalentes et vont de paire
Explique le flux de courant du potentiel extracellulaire
Produit par le courant qui traverse l’espace extracellulaire :
- Généré par les courants électriques qui circulent dans l’espace extracellulaire autour des neurones.
- Ces courants proviennent des flux d’ions qui traversent la membrane cellulaire lorsqu’un neurone est activé.
Pas d’accumulation de charges dans ce milieu conducteur :
- Dans l’espace extracellulaire, les charges ne peuvent pas s’accumuler de manière durable, car le milieu est un conducteur. Les charges se répartissent rapidement pour maintenir l’équilibre.
- Cela implique qu’un courant qui entre dans la cellule doit sortir, et vice versa, pour conserver cet équilibre.
Courant qui entre dans le neurone et ressort dans le milieu extracellulaire :
- Lorsqu’un courant entre dans un neurone (par exemple, par les canaux ioniques), il doit y avoir un courant équivalent qui sort de la cellule vers l’espace extracellulaire pour maintenir cet équilibre électrostatique.
- C’est ce phénomène qui crée les sources et puits de courant dans l’espace extracellulaire, visibles à l’extérieur du neurone.
Quelles sont les hypothèses simplificatrices pour estimer le potentiel?
- Considérer chaque source/puit de courant comme un source point
- Considérer le milieu extracellulaire comme un conducteur homogène
Quelles sont les conclusions importantes faites sur le potentiel extracellulaire?
Les potentiels extracellulaires = somme des contributions de nombreuses sources/puits de courant dans un volum conducteur
- La contribution de chaque source/puit au potentiel extracellulaire est inversement proportionnelle à sa distance par rapport à l’électrode d’enregistrement (les sources/puits plus proches de l’enregistrement ont un plus gros impact que ceux plus loin)
Quels sont les types de potentiels extracellulaires?
- Potentiel d’action
- Potentiel de champ
Décris l’enregistrement du potentiel d’action
- Composante de haute fréquence du potentiel extracellulaire (100 Hz - 100 kHz)
- Enregistrement se fait près de la cellule (< 140 micromètres)
- Reflète le signal de sortie du neurone avec un résolution temporelle de l’ordre de la milliseconde
- Généralement accepté comme la mesure donnant le plus d’information par rappotr à ce que les neurones encodent/signalent
Comment se compare le potentiel d’action extracellulaire à intracellulaire?
- Plus on s’approche du soma, plus l’amplitude du potentiel extracellulaire est plus petite que celle d’intracellulaire MAIS plus on s’approche du soma, plus le potentiel extracellulaire en tant que tel est grand
- Potentiel extracellulaire = potentiel intracellulaire inversé
La forme et l’amplitude du potentiel extracellulaire dépend de 2 facteurs. Lesquels?
Position de l’électrode
- Plus on s’éloigne du soma, plus l’amplitude diminue
Géométrie, morphologie de la cellule
Pourquoi est-ce qu’on dit que les potentiels extracellulaires ont une dépendance spatiale?
L’amplitude du signal extracellulaire augmente significativement plus on se rapproche du soma
- On rapproche l’électrode du soma pour un meilleur recording
- Plus on s’éloigne, plus le signal perd en amplitude –> Explication possible: atténuation du signal dûe au fait que le tissu neural a des propriétés de filtre pass-bas
Décris l’enregistrement du potentiel de champ
- Composante à basse fréquence du signal extracellulaire (< 100 Hz)
- Peuvent être enregistrés loin du corps cell (contrairement aux potentiels d’action)
- Puisque les potentiels de champ représentent l’activité dans un volume de tissu, ils sont plus difficiles à interpréter
- Des données suggèrent qu’ils reflètent en grande partie les courants synaptiques
Les différentes fréquences de potentiel de champ (qui sont basses) sont classées. De quelle manière?
Les potentiels de champ sont souvent classés en bandes de fréquences basées sur leur corrélation avec différents états comportementaux.
Slow rythms
- Delta : < 4Hz = sommeil
- Theta: environ 4 - 8Hz = sommeil
Medium rythms
- Alpha: environ 8 - 12Hz = conscience
- Beta: environ 12 - 30Hz = alert
Fast rythms
- Gamma: 30 - 80Hz = focused
Quels sont les types de potentiels de champ?
- Électroencéphalogramme (EEG)
- Électrocorticogramme (ECoG)
- Potentiels de champ locaux (local field potentials: LFPs)
Explique ce qu’est l’électroencéphalogramme (EEG). Quels sont ses avantages et désavantages?
Enregistrement à la surface du cuir chevelu –> Pas une mesure des potentiels d’action, mais ça reflète les entrées synaptiques synchronisées aux populations de neurones dans les couches corticales superficielles (basically la somme de l’activité neurale dans une population de tissu cortical sup)
Avantages:
- Facile à enregistrer avec électrodes de surface
- Enregistrement non-invasifs (le seul des 3) –> utilisé typiquement avec sujets humains
Désavantages:
- Faible résolution spatiale (cm), car ça reflète la somme de courants dans une population de neurones d’un tissu
- Module plus lentement que les PA
- Beaucoup moins de détails en temps réel concernant le comportement comparativement aux potentiels d’action
Explique ce qu’est l’électrocorticogramme (ECoG). Quels sont ses avantages et désavantages?
Électrodes placées sour le crâne, en contact directe avec les méninges (sous la dure-mère) –> épicortical
Avantages:
- Moins invasif que les enregistrement dans le cerveau, mais ça demeure plus invasif que EEG
- Meilleure détection de processus locaux que les EEG = plus de précision = meilleure résolution spatiale que EEG
Désavantages:
- Résolution spatiale demeure faible (mais meilleure que EEG)
Explique ce que sont les potentiels de champ locaux (LFPs). Quels sont ses avantages et ses désavantages?
Les LFPs sont des potentiels de champ enregistrés directement dans le cerveau à l’aide d’électrodes implantées, et reflètent la somme de l’activité (entrées synaptiques) de nombreuses sources/puits de courant dans un volume de tissu (population de neurones).
Avantages:
- Meilleures résolutions spatiale et temporelle que EEG et ECoG
- LPFs fournissent des infos uniques quant aux sommes d’entrées synaptiques, aux interactions neurales locales et l’état des réseaux corticaux –> ces infos sont difficiles à obtenir en examinant des PA de neurones individuels (LFPs donne des infos que les PA ne donnent pas)
Désavantages:
- Résultats difficiles à interpréter, car c’est une somme d’activité à travers une population de neurones
- Plus invasif que les 2 autres
TOUTEFOIS –> Combiner enregistrement LFPs + Potentiels d’action = infos additionnelles concernant la fonction des réseaux neuraux
Comment est-ce qu’on peut obtenir le plus d’infos possible sur la fonction des réseaux neuraux?
En combinant les enregistrements LFPs et les enregistrements de potentiel d’action
Quels sont les différentes approches utilisées pour enregistrer les potentiels d’action?
- Technique du microdescendeur
- Réseaux d’électrodes implantés de façon chronique
- Réseaux d’électrodes mobiles
Explique le fonctionnement de la technique du microdescendeur pour mesurer des potentiels d’action
- Lors de chaque session expérimentale, une ou plusieurs électrodes sont descendues lentement dans le cerveau (grâce à microdescendeur)
- Activité neurale enregistrée en même temps que l’animal reçoit stimulus ou effectue une tâche
- On identifie alors que les neurones des régions d’intérêt qui sont reliés au stimulus ou à la tâche sont enregistrés dans un ensemble de paradigmes expérimentaux (c’est-à-dire dans des conditions contrôlées et répétées, pour obtenir des données fiables)
- On déplace l’électrode à une nouvelle position pour enregistrer un nouvelle cellule (en la gardant le plus près du soma)
Quels sont les avantages de la technique du microdescendeur pour mesurer des potentiels d’action?
- Flexible –> peut échantillonner plusieurs neurones de plusieurs régions différentes
- Possibilité de bouger l’électrode pour optimiser l’enregistrement du neurone
Quels sont les désavantages de la technique du microdescendeur pour mesurer des potentiels d’action?
- Difficile d’enregistrer plus de quelques neurones à la fois
- Peut prendre longtemps pour enregistrer des données d’une grande population de neurones (+ neurones = + temps)
Explique le fonctionnement de la technique des réseaux d’électrodes implantés de façon chronique pour mesurer des potentiels d’action
Lors de chaque session expérimentale, l’activité neurale est enregistrée par chaque électrode alors que l’animal reçoit un certain stimulus ou effectue une certaine tâche
- Réseau implanté chirurgicalement avant = pas besoin de faire descendre électrode à chaque fois
Quels sont les avantages de la technique des réseaux d’électrodes implantés de façon chronique pour mesurer des potentiels d’action?
- Permet d’enregistrer de nombreux neurones simultanément
- Permet souvent d’enregistrer les mêmes neurones sur de longues périodes de temps (heures, jours, semaines)
Quels sont les désavantages de la technique des réseaux d’électrodes implantés de façon chronique pour mesurer des potentiels d’action?
- Échantillon limité de neurones d’une région particulière
- Aucune garantie après l’implantation que toutes ou même la plupart des électrodes seront dans une position appropriée pour enregistrer une activité neuronale reliée à la tâche
- Difficile d’enlever le réseau pour le changer d’endroit
Résume ce que sont les réseaux d’électrodes mobiles en une phrase. Puis dire quels sont les types de réseaux d’électrodes mobiles
Réseaux d’électrodes mobiles = combinaison de la technique du microdescendeur et des réseaux d’électrodes implantés de façon chronique
- Réseau d’électrodes qui peut être bougé
Types:
- Système microdescendeur ‘’ Gray Matter ‘’
- Plexon U-probe
Quels sont les avantages de la technique des réseaux d’électrodes mobiles pour mesurer des potentiels d’action?
- Flexible –> peut échantillonner plusieurs neurones de plusieurs régions différentes
- Possibilité de bouger l’électrode pour optimiser l’enregistrement du neurone
- Permet d’enregistrer un assez grand nombre de neurones à la fois
Quels sont les désavantages de la technique des réseaux d’électrodes mobiles pour mesurer des potentiels d’action?
- Typiquement coûteux
- Fragile
Les électrodes extracellulaires peuvent être de quels types de matériaux?
- Verre
- Métal
- À base de silicium
Nomme 5 caractéristiques importantes de l’électrode extracellulaire
- Mécaniquement et chimiquement stable
- Matérieux biocompatibles
- Métaux polarisables –> ne s’oxyde pas facilement
- Forme de l’électrode affecte la qualité d’enregistrement et la quantité de dommage fait au tissu
- Résistance électrique
Comment augmenter la résistance électrique d’une électrode extracellulaire?
Rendre la pointe plus fine = électrode plus sélective = plus de résistance –> réduit bruit de fond
Nomme les 3 différentes technologies d’électrodes
- Microélectrode en verre
- Électrode pointue en métal
- Électrodes de microfils
- Réseaux d’électrodes fabriqués au silicium
Décris la microélectrode en verre
- Tube capillaire en verre rempli d’un électrolyte
- Plus petit diamètre des 4 (1-5 micromètres)
- Enregistrements intracell et extracell
- Pas utilisé pour enregistrements chroniques ou simultanés
- Mécaniquement fragile
Décris l’électrode pointue en métal
- Fil de métal gravé pour obtenir une pointe fine qui est isolée par un polymère ou du verre
- 2e diamètre plus petit parmi les 4 (1-10 micromètres)
- Enregistrements intracell et extracell
- Mécaniquement fragile
Décris les électrodes de microfils
- Fils fins de tungstène ou d’acier inoxydable isolés avec un polymère (tèflon, plyimide)
- Pointe ayant le diamètre plus large que microélectrode en verre et électrode pointue en métal (10-50 micromètres)
- Robuste, stable, pas fragile
- Souvent arrangés en réseaux espacés de 100-300 micromètres
- Possibilité d’avoir plusieurs sites d’enregistrement simultanés dans un animal librement mobile
Quel est le plus gros désavantage des électrodes de microfils? Comment est-ce qu’on peut surmonter cela?
Mauvaise isolation des potentiels d’action de neurones individuels en raison du gros diamètre de la pointe
Solutions: combiner les enregistrements de plusieurs fils
- Stéréotrodes (2 fils)
- Tétrode (4 fils)
Quel est l’avantage d’utiliser les tétrodes?
Comparer l’activité enregistrée par plusieurs électrodes très rapprochées aide à déterminer quels potentiels proviennent de cellules distinctes
Autrement dit:
- Les potentiels d’action d’un neurone spécifique auront une amplitude légèrement différente selon la distance de ce neurone par rapport à chaque électrode de la tétrode.
- En analysant comparant les différents enregistrements de la tétrode, on peut déterminer si les signaux enregistrés proviennent de neurones distincts ou d’un même neurone.
Dans quel type d’expérience est-ce que l’utilisation de la tétrode est la plus efficace?
Enregistrement chez les animaux mobiles
Ex: enregistrement dans l’hippocampe des ‘‘place cells’’ quand l’animal est dans un certain endroit dans l’environnement
Décris le réseau d’électrodes fabriqués au silicum comme moyen d’enregistrer les potentiels d’action
- Implantés et utilisés pour enregistrements chronique
- Permet d’avoir un grand nombre de sites d’enregistrement
- Robuste, stable
Quels sont les deux types de réseaux d’électrodes fabriqués en silicium? Décris-les brièvement
Réseaux à haute densité –> encore utilisé
- Bloc de silicium gravé pour former un réseau d’aiguilles
- Aiguilles de silicium possèdent des pointes de platine
- Permet haute densité de sites d’enregistrement
Sonde multisite (ex. Michigan probe) –> vieux, moins utilisé
- Sonde en silicium avec du métal déposé pour former des sites d’enregistrement
- Permet enregistrement chroniques à différentes profondeurs
Après que l’oscilloscope/l’ordinateur reçoive les nombreux signaux de l’amplificateur, quelle est la prochaine étape et pourquoi est-elle importante?
Prochaine étape: isolation et classement des potentiels
- Sert à distinguer les décharges d’une cellule du bruit de fond et de l’activité des autres cellules
Important, car:
- On a des signaux de nombreux neurones qui on des amplitudes différentes à des distances différentes de l’enregistreur –> plein de neurones ‘‘parlent’’ en même temps dans un langage qu’on comprend pas
- Comment isoler la ‘‘voix’’ d’un neurone individuel?
- Comment interpréter ce que ce neurone est en train de ‘‘dire’’?
Quelles sont les étapes pour détecter et classifier les potentiels d’action?
1.Filtrage
- Extraire la portion du signal extracell liée au PA (partie haute fréquence)
2.Détection des potentiels
- Seuil pour identifier les décharges = pour un neurone particulier, on détermine un seuil, à partir de ce seuil, ce sont des PA
3.Extraction des caractéristiques
- Discrimination des potentiels d’action selon un sous-groupe de caractéristiques (ex. différences dans la forme du potentiel): placer des fenêtre –> définir un patron (template) à suivre selon les fenêtres
- Une technique quantitative ‘‘Analyse en composantes principales’’ est souvent utilisée pour définir un sous-groupe réduit de caractéristiques qui sont les ‘‘plus différentes’’
4.Clustering
- Définir différents groupes qui correspondent aux décharges de différents neurones
- 1 cluster = les décharges d’un neurone
