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Electrocommunication
Détection des petits chirps
Erik Harvey-Girard


Changement de phase occasionné par l'apparition d'un chirp de type 2. Référence: Benda J, Longtin A, Maler L. Spike-frequency adaptation separates transient communication signals from background oscillations. J Neurosci. 2005 Mar 2;25(9):2312-21.
Dans toute communication, il y a l’émetteur du message et son récepteur. L’émetteur codifie son message qui est ensuite détecté et décodé par le récepteur. La détection semble se faire d’emblée, naturellement et sans effort. En fait, la détection de signaux de communication nous semble tellement simple dans ses applications de tous les jours que les systèmes biologiques qui la soutiennent doivent être d’une efficacité redoutable. Les aptéronotes et leurs chirps peuvent servir d’excellents modèles à la détection aux signaux de communication. Comment les aptéronotes sont-ils capables de détecter les chirps ? Quels sont les mécanismes que le système nerveux emploie pour détecter les chirps ? Mon collègue et ami le physicien Jan Benda s’est attardé sur ces questions.

 

Les chirps de type 2 (Fig.1-A) sont des évènements brefs pendant lesquels un poisson augmente sa fréquence d’émission par 30-150Hz pour 10-20ms (Fig.1-B). Le changement de fréquence qu’est un chirp avance la phase de la EOD (décharge de l’organe électrique) d’environ un cycle de EOD (Djc = 0,25-1,5). En présence de la EOD d’un autre aptéronote, les interférences entre les deux EOD créent une onde de battement (Voir JAR). L’avance de phase générée par un chirp s’ajoute à la phase (Dj) résultant du battement entre les deux EOD. Cette avance de phase du battement produit un changement rapide dans l’amplitude de la EOD (Fig.1-C). Ainsi, la superposition de la deuxième EOD transforme la modulation de fréquence de la EOD générée par le chirp en une modulation rapide de la EOD qui interrompt le battement. Le chirp accélère le battement sans en changer sa forme ondulatoire. Sur le graphe de la phase du battement en fonction du temps, un chirp apparaît comme un changement soudain de la pente (le changement de phase « glisse » d’un coup) (Fig.1-D).

 
Réponse des unités P à un chirp. A- "Raster plot" de la réponse des unités P. Chaque petite ligne est un influx nerveux d'une unité P. Chaque est la présentation du même stimulus. B- Somme des réponses obtenues en A. Les unités P répondent fortement lorsque l'onde de battement est à son maximum et encore plus fortement lorsqu'un chirp est perçu. C- La modulation de l'amplitude du stimulus est la même pour un chirp que pour l'onde de battement. Référence: Benda J, Longtin A, Maler L. Spike-frequency adaptation separates transient communication signals from background oscillations. J Neurosci. 2005 Mar 2;25(9):2312-21.

Les électrorécepteurs de type P dans la peau (Voir Electrorécepteurs) répondent plus lorsque l’amplitude des EOD en battement augmente (Fig.2). Jan a enregistré un électrorécepteur, qui produit des potentiels d’action (les petites barres dans Fig.2-A) et a repassé le stimulus (Fig.2-C) plusieurs tours (chaque ligne en A est une présentation du stimulus). Tous les potentiels d’action sont ensuite additionnés dans de petits intervalles de temps pour déterminer la fréquence de décharge de cet électrorécepteur en fonction du stimulus. Les électrorécepteurs déchargent plus lorsque l’amplitude du stimulus augmente. Le deuxième pic du stimulus représente un chirp : on voit l’onde de battement qui change abruptement. Les unités P, qui s’adaptent rapidement aux changements du stimulus, sont très sensibles à l’apparition d’un chirp et répondent encore plus fortement à celui-ci (Fig.2-B), dû à la soudaineté et la brièveté du chirp, même si l’intensité du stimulus n’est pas plus forte (Fig.2-C).

 

Pour comprendre cette grande sensibilité aux chirps observée par les unités P, Jan a fait appel à une propriété bien connue des électrorécepteurs de type P et qui se retrouve dans plusieurs neurones : l’adaptation de la fréquence de décharge (spike-frequency adaptation). Les unités P s’adaptent grandement et rapidement aux variations du stimulus, c’est-à-dire qu’elles réagissent rapidement et fortement aux changements de stimulus et reviennent à leur niveau initial de décharge, malgré la présentation continuelle du stimulus (Fig.3). Historiquement en neurosciences, on disait que les unités P étaient phasiques.

 
Les trois types de filtres. En bleu, un filtre passe-bas qui laisse passer les basses fréquences; en rouge, un filtre passe-haut qui laisse passer les hautes fréquences; en vert, un filtre passe-bande qui ne laisse passer qu'une étroite bande de fréquences du signal et bloque les hautes et les basses fréquences.

Les physiciens, s’intéressant de plus en plus aux neurosciences, intègrent leur vocabulaire de physicien à ce domaine. Ainsi, sous l’angle du physicien, un neurone agit comme un filtre électronique. En électronique, les filtres peuvent être classés selon leur façon à diverses fréquences de leur stimulus visible. Un filtre passe-haut laisse passer les hautes fréquences et bloque les basses fréquences, tandis qu’un filtre passe-bas laisse passer les basses fréquences et bloque les hautes fréquences, finalement un filtre passe-bande bloque les hautes et les basses fréquences et laisse passer une bande étroite de fréquences. Tous ces filtres sont caractérisés par des fréquences de coupure (fc). Pour chaque fréquence, le gain est calculé en déterminant le rapport de l’amplitude du signal sortant sur celle du signal entrant (Gain = Aout/Ain). Sous cet angle du physicien, l’unité P, phasique avec une adaptation de fréquence de décharge, agit comme un filtre électronique de type passe-haut. La fréquence de coupure du filtre est déterminée par la vitesse d’adaptation de l’unité P.

 

Adaptation neuronale des afférences de type P (unités P). Référence: Benda J, Longtin A, Maler L. Spike-frequency adaptation separates transient communication signals from background oscillations. J Neurosci. 2005 Mar 2;25(9):2312-21.
La force de l’adaptation des unités P (la dynamique produite par le gain du filtre) suit normalement l’onde de battement occasionnée par les deux EOD qui s’interfèrent
(Fig.1-C). Les unités P répondent normalement à l’onde de battement. L’apparition soudaine et impromptue d’un chirp ne permet pas que l’adaptation des unités P puisse se produire. Les unités P sont donc très sensibles au chirp et changent soudainement leur fréquence de décharge.

 

La communication et le langage nécessitent une « représentation cérébrale » des éléments qui les constituent tant chez l’Homme que chez d’autres espèces animales. Chez les aptéronotes, les petits chirps de type 2 sont donc codés par une activité accrue soudaine et ponctuelle d’une grande partie des unités de type P. Cette codification est possible grâce aux propriétés intrinsèques particulières des unités P. La prochaine étape sera de chercher le décodeur de cette information, c’est-à-dire la zone du cerveau qui est stimulée par ce genre de code sensoriel et qui y répondra.

 

Références
Erik Harvey-Girard.  "Détection des petits chirps."  Apteronote. Ed. Erik Harvey-Girard. Ottawa: Mai 31, 2005. <  >

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