On vient de voir que les cellules pyramidales du ELL peuvent répondre à des stimuli globaux de communication et à des stimuli locaux occasionnés par une proie, et ce, en fonction du couplage des fréquences perçues et de la géométrie des stimuli électriques. L’anatomie du circuit neuronal du ELL et la physiologie des cellules pyramidales permettent la perception de ces deux types de signaux très différents.

L’inhibition produite par le stimulus global sert de commutateur aux cellules pyramidales du ELL pour passer du mode local au mode global. Comment cette inhibition se produit-elle pour permettre ce changement de régime selon l’application d’un stimulus local ou global? Cette question fut principalement l’affaire de Brent Doiron aux laboratoires de Len Maler et d’André Longtin en collaboration avec Maurice Chacron et Joe Bastian.

Brent a utilisé une méthode mathématique que l’on nomme auto-corrélation. Il s’agit de comparer une courbe de réponse avec elle-même en faisant varier le délai (t) entre chaque version de la courbe. A un délai de zéro (t=0), la courbe et sa propre image sont identiques et donc parfaitement corrélées. Mais à mesure que le délai (t) augmente entre les deux, le taux de corrélation diminue, à moins qu’une règle, qui tient compte de l’historique dynamique du système, n’intervienne et « force » le neurone à réagir (corrélation positive) ou à s’inhiber (corrélation négative) après ce délai (t). L’auto-corrélation mesure la probabilité qu’un évènement se produise suite à un autre après le délai (t) de façon significativement plus fréquente qu’au hasard.

Stimuli Global vs Local: comportement d'une cellule pyramidale en conditions expérienmentales et avec une modélisation mathématique. (Référence: Doiron et al. Inhibitory feedback required for network oscillatory responses to communication but not prey stimuli. Nature. 2003 Jan 30;421(6922):539-43.

Lors de l’application expérimentale d’une stimulation locale sur un aptéronote, l’autocorrélation du temps des pics des cellules pyramidales du ELL est positive à de petites valeurs de délai (t). Ceci montre que les potentiels d’action ne sont pas indépendants les uns des autres. Ce qui s’est produit précédemment importe sur ce qui arrive maintenant. L’autocorrélation montre aussi qu’ils ont tendance à se rassembler en rafales (d’environ 100Hz) (en noir en haut) puisque le pic positif a un délai (t) court autour de 10ms (Fig.1).

Par contre, lorsque la stimulation est appliquée globalement, deux pics positifs (dont le 2^e entre 25-40ms) apparaissent sur l’autocorrélation et un creux négatif entre les deux (15ms) (en noir en bas) suggérant un comportement d’oscillation des cellules pyramidales du ELL autour de 25-40Hz. Les cellules pyramidales changent d’un comportement en rafales en présence d’un stimulus local à un comportement oscillatoire avec un stimulus global.

La nécessité du stimulus global d’avoir une décharge oscillatoire suggère un mécanisme impliquant l’intégration des entrées inhibitrices spatialement diffuses (plutôt que localisées). L’anatomie de la circuiterie du ELL et du système électrosensoriel permet d’identifier une voie dont les inhibitions sont spatialement diffuses : la voie de rétroaction directe (Voir Rétroactions du ELL). Dans cette voie de rétroaction, les cellules pyramidales envoient leurs axones (et l’information qu’elles y convoient) au noyau praementialis dorsalis (Pd) qui retourne des projections au ELL. En particulier, une portion inhibitrice de cette voie, spatialement diffuse et ayant un délai de 15ms, émane des cellules bipolaires du Pd et se termine exclusivement aux dendrites apicales sur les cellules pyramidales du ELL via le Stratum Fibrosum.

Brent a modélisé un réseau simplifié de cellules pyramidales avec leurs projections vers le Pd et une rétroaction inhibitrice retournant aux cellules pyramidales avec un délai de 15ms. Pour le stimulus local, il « stimulait » un seul neurone de son réseau-modèle, tandis que pour une stimulation globale, il « stimulait » l’ensemble des neurones modélisés. Puis, il a refait la même analyse d’autocorrélation qu’il avait fait précédemment. Son modèle reproduisait fidèlement le comportement des données expérimentales dans les deux situations (modèle en gris, expérience en noir). Il a montré par la suite que l’inhibition diffuse de la voie directe permettait l’oscillation des cellules pyramidales observée en conformation de stimulus global, en bloquant temporairement les cellules pyramidales. Les vagues d’inhibition de la voie directe s’intercalaient entre les phases d’activité intense (une oscillation, par définition !). Par contre, lors d’une stimulation locale, l’inhibition de la voie directe était minimale et régulière puisque les neurones n’étaient pas synchronisés.

Bloquer la voie directe de rétroaction force la cellule pyramidale à répondre selon le "mode local" à un stimulus global. (Référence: Doiron et al. Inhibitory feedback required for network oscillatory responses to communication but not prey stimuli. Nature. 2003 Jan 30;421(6922):539-43.

Pour tester cette idée, Joe Bastian a bloqué les influx de la voie directe de rétroaction en bloquant les fibres du Stratum Fibrosum avec de la xilocaine. Les cellules pyramidales se sont mises à répondre à un stimulus global comme elles répondraient à un stimulus local (comparez la courbe noire à la rouge) (Fig.2). La voie de rétroaction directe est bel et bien responsable du comportement oscillatoire des cellules pyramidales et le blocage de celle-ci ramène les neurones sensoriels à agir comme en présence d’un stimulus local.

Brent Doiron et compagnie ont donc trouvé un mécanisme par lequel l’étendue spatiale d’un stimulus (global vs local) détermine le comportement des neurones sensoriels dans le système électrosensoriel des aptéronotes. L’inhibition produite par la voie de rétroaction directe lors du stimulus global sert de commutateur aux cellules pyramidales du ELL pour passer du mode local (filtre passe-bas) au mode global (filtre passe-haut) … tout ça afin de distinguer entre les signaux de communication de sa blonde et les signaux d’une petite daphné.

Références Erik Harvey-Girard.  "Global vs Local: Le commutateur."  Apteronote. Ed. Erik Harvey-Girard. Ottawa: Juin 1, 2005. <  >