Même la rétine recycle ; ses circuits de vision nocturne durant la journée

Lorsque la lumière entre dans l'œil, la rétine commence immédiatement à traiter l’information visuelle. Les résultats sous forme de signaux électriques sont ensuite envoyés au cerveau par les cellules ganglionnaires, les neurones de sortie de la rétine, dont les prolongements forment le nerf optique. Chaque cellule ganglionnaire « observe » une petite zone de la scène visuelle via un champ récepteur, une grappe de photorécepteurs reliés entre eux par diverses cellules comme les horizontales, amacrines ou encore bipolaires. Cette organisation permet à la rétine d'effectuer des calculs sophistiqués avec un nombre limité de cellules, une économie caractéristique du système nerveux central : la consommation totale d'énergie du cerveau est d'environ 20 W, bien inférieure à celle nécessaire pour alimenter un superordinateur. Pourtant, gramme pour gramme, la rétine consomme plus d'énergie que le cerveau, ce qui en fait l'un des tissus les plus énergivores du corps. Ces performances sont rendues possibles par plusieurs principes intégrés à l'architecture des champs récepteurs sont constitués d'un centre et d'une périphérie qui s’influencent l’un et l’autre.

Schéma expliquant les champs récepteurs des cellules ganglionnaires (modifié à partir de Principles of neural science. E. R. Kandel)

L’un des principes fondamentaux de l’architecture rétinienne est la dichotomie ON/OFF. Les cellules ganglionnaires se présentent en effet en deux types : les cellules ON s’activent lorsque la lumière augmente au centre de leur champ récepteur, et les OFF lorsque la lumière diminue. Pour certaines cellules ganglionnaires, lorsqu'un signal lumineux frappe tout le champ réceptif, sa bordure atténue ou supprime la réponse déclenchée par le centre. En conséquence, la cellule ganglionnaire répond plus fortement au contraste local qu'à la lumière uniforme, ce qui est particulièrement utile pour détecter les contours d’un objet ainsi que le mouvement.

Des études antérieures ont cependant révélé des entorses à cette règle : de nombreuses cellules ganglionnaires OFF s’activent également lorsque la lumière est allumée dans leur bordure, contrairement à ce qu'elles préfèrent en centre. Ce phénomène, connu sous le nom de « modulation antagoniste par la bordure » a attiré l'attention des équipes dirigées par Olivier Marre et Valentina Emiliani. S'appuyant sur l'expertise de l'Institut de la Vision en optogénétique des circuits de neurones, ils ont développé un système sur mesure combinant l'optogénétique, l'holographie à deux photons et des enregistrements électriques à grande échelle, un ensemble jamais utilisé auparavant dans la rétine, pour étudier ce circuit. L'optogénétique consiste à modifier génétiquement les neurones pour qu'ils produisent des protéines sensibles à la lumière, afin de les activer à distance. Véritable révolution en neurosciences, elle a permis de relier différents types cellulaires à des fonctions cérébrales spécifiques. L'Institut de la Vision, grâce notamment aux travaux de Deniz Dalkara, possède une expertise unique dans la conception de vecteurs viraux personnalisés, des véhicules capables de pénétrer profondément dans les couches de la rétine pour transmettre des informations génétiques. 

Pour disséquer des circuits neuronaux avec une résolution spatiale, temporelle et cellulaire inégalée, Valentina Emiliani et son équipe ont utilisé l'holographie à deux photons. Cette technologie, qu’ils ont largement contribué à développer, façonne la lumière en trois dimensions pour cibler avec des rayons lumineux des cellules individuelles dans le tissu rétinien sans toucher les cellules alentour. Grâce à l’optogénétique et à l’holographie, les cellules ganglionnaires émettent individuellement des signaux électriques. Ces signaux sont enregistrés par Olivier Marre et son équipe via un réseau multi-électrode (MEA) de 252 électrodes rassemblées en un carré d’un peu moins d’un demi-millimètre de large, placé directement en contact avec les cellules ganglionnaires. Les enregistrements ont d'abord permis de cartographier les champs récepteurs de centaines de cellules ganglionnaires. Les chercheurs ont ensuite enregistré, à la milliseconde près, comment les cellules ganglionnaires réagissaient lorsque des cellules situées les photorécepteurs et elles étaient activées ou désactivées.

A. Schéma du protocole expérimental. Les cellules bipolaires des bâtonnets (RBC) sont stimulées par optogénétique, ce qui active une voie impliquant les cellules amacrines de type AII et les cellules bipolaires des cônes. Les cellules ganglionnaires rétiniennes intègrent ce signal, générant des réponses enregistrées à l'aide de réseaux multi-électrodes (MEA). B. Coupe rétinienne montrant l'expression de la protéine optogénétique dans les cellules bipolaires des bâtonnets.

Grâce à ce système unique, qui permet aux chercheurs de manipuler des circuits rétiniens tout en mesurant directement leur impact sur les neurones de sortie en utilisant uniquement la stimulation lumineuse, Valentina Emiliani et Olivier Marre ont identifié un circuit qui contribue à la modulation antagoniste par la bordure : la voie principale de la vision nocturne. Cette voie est composée des cellules bipolaires reliées aux bâtonnets et des cellules amacrines All. Représentant une grande partie des neurones de la rétine, on la pensait saturée donc inutilisable pendant la journée. Les chercheurs ont montré que face à une lumière vive cette voie se greffe aux cellules qui réalisent normalement la suppression par la bordure. Cela a pour effet de les inhiber et de produire l'effet inverse : une modulation antagoniste par la bordure. 

En résumé, les travaux des chercheurs de l’Institut de la Vision montrent que le même réseau cellulaire sert à des traitements différents selon le contexte visuel : la rétine « recycle » son câblage interne pour optimiser ses ressources biologiques plutôt que de créer des circuits dédiés à chaque mécanisme. Des formes similaires de réutilisation des circuits existent probablement pour d'autres types de cellules, tant dans la rétine que dans d'autres régions du cerveau. C'est tout l'intérêt de l'étude de la rétine pour les neurosciences : son circuit plus accessible et plus facilement manipulable aide à comprendre le fonctionnement biologique des réseaux de neurones, et les principes qui régissent ces tissus extrêmement complexes. Cette étude s'inscrit dans le projet européen DEEPRETINA, qui vise à développer des modèles réalistes des réseaux de neurones du système visuel.