Généralités sur la rétine

La rétine

Généralités

La rétine est le tissu nerveux qui tapisse le font de l’œil. Elle est constituée de plusieurs couches cellulaires. Au premier plan fonctionnel sont localisés les photorécepteurs qui transduisent les signaux physiques (photons) en signaux chimiques et électriques. Au dernier plan, les cellules ganglionnaires intègrent les signaux résultants de l’ensemble des couches de la rétine et projettent vers le cerveau. La caractérisation des signaux émis par les cellules ganglionnaires passe par l’étude des champs récepteurs, c’est-à-dire la relation spatiotemporelle qui relie la stimulation visuelle au taux de décharge de la réponse cellulaire.

Anatomie

La rétine est une structure organisée d’environ 0.4 mm chez l’humain adulte (Fig. 1A). Elle est constituée de 3 couches principales (les couches nucléaires) dans lesquelles sont regroupées les 5 classes cellulaires (Fig. 1B). Deux autres couches (les couches plexiformes) situées entre les couches nucléaires accueillent les axones et les dendrites. Au point central de la rétine se trouve la fovéa. C’est dans cette zone que la vision est la plus fine. Les fondements anatomiques de la rétine ont été établis pour la première fois par Ramón y Cajal il y a plus d’un siècle (Cajal & Felipe 1892). Nous décrivons brièvement les 3 couches nucléaires dans l’ordre : la couche des photorécepteurs (qui se situe le plus au fond de l’œil), la couche nucléaire interne (au milieu de la rétine) et la couche ganglionnaire (à l’avant de la rétine). La couche des photorécepteurs peut aussi être distinguée en deux parties : la couche nucléaire externe contenant les corps nucléaires des photorécepteurs et la couche contenant les segments des photorécepteurs située le plus en arrière de la rétine.

– La couche des photorécepteurs : les bâtonnets et les cônes transduisent la lumière en signal électrique (nous parlons alors de phototransduction). Les cônes sont peu sensibles à la lumière mais sont capables discerner les détails fins et la couleur dans des conditions photopique (vision de jour). Les bâtonnets sont particulièrement sensibles aux faibles niveaux de lumière et saturent lorsque la lumière est trop forte, les rendant efficace dans des conditions scotopiques (vision de nuit). Les bâtonnets sont absents de la fovéa et ont une répartition maximale sur la périphérie de la rétine entre 5 et 7 mm d’excentricité (Curcio et al. 1987)(Curcio et al. 1990). Les cônes sont principalement localisés au niveau de la fovéa où la vision fine prend place (atteignant une densité de 160 000 cônes/mm²). Les humains ont un seul bâtonnet et trois types de cônes, chacun étant adapté à détecter la lumière centrée sur une longueur d’onde différente : 564 nm pour les cônes L, 533 nm pour les cônes M et 437 nm pour les cônes S. Ces lettres décrivent les longueurs d’ondes principales auxquelles répondent ces cônes : ‘Long’ (rouge), ‘Middle’ (vert) et ‘Short’ (bleu) respectivement. À noter que les cônes S sont absents de la fovéa. Environ 10% des cônes sont de type S, et bien que les cônes L et M soient mixés, il y a environ deux fois plus de cônes L que M (Curcio et al. 1991)(Mollon & Bowmaker 1992)(Roorda & D. R. Williams 1999). Chaque couleur perçue résulte de l’activation différentielle de ces trois catégories de cônes par la lumière rayonnant vers la rétine. La rétine n’est donc pas sensible à des longueurs d’ondes propres : elle effectue une décomposition du spectre de la lumière en trois composantes principales. Il est donc possible que des spectres exhibant des différences dans une gamme de longueur d’onde non détectée par les cônes puissent être perçus comme une même couleur.
– La couche nucléaire interne : les cellules horizontales, les cellules bipolaires et les cellules amacrines sont localisées dans cette couche. Les cellules horizontales ont leur corps cellulaire dans la couche nucléaire interne et sont connectées aux photorécepteurs (via des synapses chimiques) ainsi qu’à d’autres cellules horizontales (via des jonctions gap) dans la couche plexiforme externe (Wässle & B B Boycott 1991). Les cellules bipolaires sont réparties en plus de 13 types (B. B. Boycott & Wässle 1991)(H Kolb et al. 1992) et toutes ont leur corps cellulaire dans la couche nucléaire interne, des dendrites dans la couche plexiforme externe et des axones terminaux dans la couche plexiforme interne (Dowling & B B Boycott 1966). Elles reçoivent leurs entrées d’un seul type de photorécepteur (bâtonnet ou cône séparément) (R. Rodieck 1998) et envoient leurs réponses vers la couche plexiforme interne aux cellules amacrines et ganglionnaires (Dacey 1999). Les cellules amacrines sont réparties en plus de 30 types différents, reçoivent leurs entrées des cellules bipolaires et des autres cellules amacrines et contactent les cellules bipolaires, les autres cellules amacrines et les cellules ganglionnaires. Elles peuvent avoir différents rôles dans la vision mais leurs spécificités restent inconnues (MacNeil & Masland 1998)(Dacey 2000).
– La couche ganglionnaire : cette couche contient plus de 20 types de cellules ganglionnaires (H Kolb et al. 1992). Elles sont représentées à plus de 80% par deux types majeurs (Perry et al. 1984) : les cellules midget (ou ‘X’) et les cellules parasol (ou ‘Y’) nommées par S. L. Polyak. Chacun des types est spécialisé dans le codage d’un aspect particulier du monde visuel. Les projections des cellules midget et parasol restent ségrégées dans le début du système visuel. Les cellules midget projettent via la voie parvocellulaire qui est très sensible aux couleurs et aux fréquences spatiales tandis que les cellules parasol projettent via la voie magnocellulaire qui est surtout sensible au contraste de luminance et aux fréquences temporelles (R. Rodieck 1998). Dans le système visuel, il s’agit des premières cellules qui codent par des PAs (potentiels d’action) : toutes les autres cellules (les photorécepteurs, les cellules horizontales, les cellules bipolaires et les cellules amacrines) répondent de manière graduée via la quantité de neurotransmetteurs relargués. Les cellules ganglionnaires reçoivent leurs entrées des cellules amacrines et bipolaires et envoient leurs réponses au cerveau par le biais du nerf optique. Près de la fovéa, les cellules midget sont contactées par une seule cellule bipolaire (H Kolb & Dekorver 1991)(Helga Kolb & Marshak 2003) ce qui leur confère un champ récepteur compact influencé par un faible nombre de cônes. Au contraire, les cellules parasol ont de larges arbres dendritiques et reçoivent des entrées plus diffuses des cellules bipolaires. Elles sont donc influencées par un grand nombre de cônes (Watanabe & R. W. Rodieck 1989). Ces cellules sont plus concentrées dans la fovéa qu’en périphérie et le champ couvert par les arbres dendritiques augmente avec l’excentricité (Watanabe & R. W. Rodieck 1989)(Curcio et al. 1991)(Dacey & Petersen 1992). Il est intéressant de noter que la baisse de densité compense l’augmentation du champ couvert par les arbres dendritiques, ce qui se traduit par une couverture approximativement constante de la rétine (Watanabe & R. W. Rodieck 1989).

La rétine, et plus généralement le système visuel, sont organisés de manière rétinotopique (Fishman 1997). Cela indique qu’à chaque étage du système visuel, la cartographie des cellules est maintenue et reste fonction de la position relative au sein de l’étage, en accord avec la cartographie rétinienne initiale. Il peut néanmoins y avoir des déformations du champ spatial mais malgré de nombreuses connexions latérales au sein d’un même étage, convergentes et divergentes entre plusieurs étages, cette règle est approximativement respectée. Notons également la présence d’un point aveugle dans chaque rétine, ou tâche de Mariotte, qui correspond à la partie où le nerf optique ainsi que des vaisseaux sanguins entrants et sortants passent au travers de la rétine. Il s’agit donc d’une petite portion de la rétine qui est dépourvue de photorécepteurs et qui est ainsi complètement aveugle.

Structure et diversité anatomique de la rétine. A. Gauche : double immunocoloration de la ‘calbindin’ (rouge) et de la ‘calretinin’ (vert) d’une section verticale de la rétine de souris (Haverkamp & Wässle 2000) révélant une partie de la structure et de la complexité du réseau rétinien. La coloration marque les cellules horizontales, certaines cellules amacrines de la couche nucléaire interne (INL) et quelques cellules ganglionnaires de la couche ganglionnaire (GCL). Les couches plexiformes internes (IPL) et externes (OPL) comptent de nombreux contacts synaptiques qui sont le plus souvent spécifiques entre les types cellulaires. Aucun photorécepteur n’est marqué dans la couche des photorécepteurs (ONL). Droite : représentation schématique de la rétine humaine. Les deux lignes lient les couches plexiformes de gauche à droite (D. Purves et al. 2004). B. Représentation des cinq classes cellulaires majeures de la rétine des mammifères : les photorecepteurs (P), les cellules horizontales (H), les cellules bipolaires (B), les cellules amacrines (A) et les cellules ganglionnaires (G). La plupart des cellules sont identifiables par leurs caractéristiques morphologiques et la forme de leur arborisation dendritique (Masland 2001). Adapté de (D. Purves et al. 2004) et (Gollisch & Meister 2010).

Caractéristiques fonctionnelles

Dans l’obscurité, les photorécepteurs sont dépolarisés et relarguent continuellement du glutamate aux cellules bipolaires et horizontales. Lorsque la lumière arrive sur les photorécepteurs, ils s’hyperpolarisent et relarguent moins de glutamate. Les réponses avant la couche des cellules ganglionnaires sont graduées : la quantité de glutamate ainsi libérée par les photorécepteurs dépend du nombre de photons.

Les champs récepteurs des cellules ganglionnaires sont de forme circulaire et ont des effets antagonistes et opposés entre le centre et la périphérie (Kuffler 1953) : nous parlons alors de champs récepteurs centre-pourtour. Ces champs récepteurs répondent à un contraste au centre qui est défini par une différence de luminance entre le centre et le pourtour. Il en existe deux types principaux : ‘ON-center’ et ‘OFF center’. Les premiers répondent principalement à une forte luminosité au centre et une absence de luminosité dans le pourtour (Fig. 2A) et inversement pour les seconds (Fig. 2B). Nous dirons également que le champ récepteur ON-center est de signe opposé au champ récepteur OFF-center. La structure de ces champs récepteurs conduit à une mauvaise détection des illuminations diffuses de l’ensemble du champ récepteur qui ne produira que des réponses faibles en raison de la similarité des niveaux de luminance entre le centre et le pourtour. Par conséquent, les cellules ganglionnaires sont assez peu sensibles aux changements globaux de luminance. Cela permet au système visuel humain de rester efficace de jour comme de nuit malgré des différences d’illumination gigantesques de plusieurs ordres de grandeur.

Cette structure particulière est produite par les cellules horizontales et bipolaires. Ces dernières ont des champs récepteurs similaires aux cellules ganglionnaires (Werblin & Dowling 1969)(Kaneko 1970) qui sont produits par l’inhibition latérale des cellules horizontales. Cela permet d’accentuer les différences spatiales au niveau des photorécepteurs ce qui donne lieu à une ségrégation du centre et du pourtour au niveau des cellules bipolaires (Dacey 1999)(Verweij et al. 1999). La distinction ON et OFF provient par contre d’une différence dans les récepteurs glutamatergiques des cellules bipolaires : des récepteurs métabotropiques donnent lieu à des champs récepteur ON-center tandis que des récepteurs ionotropiques conduisent à des champs récepteur OFF-center. Les récepteurs des cellules ganglionnaires sont de type glutamatergiques ionotropiques, ce qui leur permet de conserver le signe du champ récepteur de la cellule bipolaire qui les contacte (R. Rodieck 1998). Des distinctions existent néanmoins entre les réponses des cellules ganglionnaires X et Y. Bien que les organisations spatiales des champs récepteurs de ces deux types cellulaires soient similaires, leurs réponses physiologiques exhibent des différences. Par rapport aux cellules X, les cellules Y répondent de manière plus transitoire à l’allumage ou à l’extinction de la lumière (Gouras 1968), ont le centre de leur champ récepteur plus large pour une même excentricité (De Monasterio & Gouras 1975), ne disposent pas de sélectivité spectrale ni d’antagonisme (De Monasterio & Gouras 1975)(De Valois 1960)(Gouras 1968) et répondent beaucoup plus vigoureusement aux petits changements de contraste de luminance (Kaplan & R M Shapley 1986). La rétine, de part sa richesse et sa complexité, est déjà capable de traiter le signal visuel : d’autres fonctions qui émergent de la diversité structurale de la rétine ne sont pas entièrement comprises et nous pourrons notamment évoquer la détection du mouvement, la suppression saccadique ou encore l’adaptation au contraste et aux motifs (Gollisch & Meister 2010). Au final, le traitement de l’image qui s’opère par la rétine n’est pas statique mais dynamique et dépend entièrement de la tâche visuelle en cours. Il faut noter que la rétine ne pouvant pas être influencée en retour par le cerveau, la modulation du signal rétinien dépend entièrement du contexte visuel récent et passé, ce qui inclus nécessairement l’environnement visuel et les actions produites par le cerveau en réponse à ce signal via le comportement du sujet ou de l’animal. D’autres cellules ganglionnaires sont intrinsèquement photosensibles. Elles peuvent être considérées comme une troisième classe de photorécepteurs. Leur sensibilité provient de la mélanopsine, un photopigment centré sur une longueur d’onde différente de celles des cônes et bâtonnets. De nombreux types de cellules ganglionnaires photosensibles ont été observés (pour une revue récente, voir (Schmidt et al. 2011)).

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre I – Le système visuel
I.1 – La rétine
I.1.1 – Généralités
I.1.2 – Anatomie
I.1.3 – Caractéristiques fonctionnelles
I.1.4 – Voies rétinofuges
I.2 – Le LGN
I.2.1 – Généralités
I.2.2 – Anatomie
I.2.3 – Caractéristiques fonctionnelles
I.2.4 – Retour synaptique
I.2.5 – Géométrie synaptique fine
I.2.6 – Relai d’information
I.3 – L’aire V1
I.3.1 – Généralités
I.3.2 – Anatomie
I.3.3 – Physiologie des cellules
I.3.4 – Organisation en colonnes
I.3.5 – Bistabilité des cellules
I.4 – Le système thalamo-cortical
I.4.1 – Généralités
I.4.2 – La boucle thalamo-corticale
I.4.3 – Rythmes thalamo-corticaux
I.4.4 – Géométrie des projections
I.4.5 – Exemples de modulation par le retour cortico-thalamique
I.4.6 – Fonction cortico-thalamique
I.4.7 – Modulation attentionnelle
Chapitre II – Le code neuronal
II.1 – Le bombardement synaptique
II.1.1 – Définition
II.1.2 – Niveau des conductances synaptiques
II.1.3 – Modulation de la réponse neuronale par le bruit synaptique et contrôle du gain
II.2 – Stratégies de codage
II.2.1 – Vue d’ensemble
II.2.2 – Fiabilité et précision du codage neuronal
II.2.3 – Codage en taux de décharge et synchronie
II.2.4 – Codage en bursts
II.2.5 – Corrélation de l’activité neuronale
II.3 – Propagation du signal neuronal
II.3.1 – Contexte de la propagation
II.3.2 – Propagation en taux de décharge
II.3.3 – Propagation en avalanche
II.3.4 – Propagation en chaîne synfire
Chapitre III – Théorie de l’information appliquée au code neuronal
III.1 – Introduction
III.1.1 – Caractérisation symbolique du code neuronal
III.1.2 – Cadre d’application de la théorie de l’information
III.2 – Théorie de l’information
III.2.1 – Entropie
III.2.2 – Information mutuelle
III.3 – Principes d’organisation
III.3.1 – Connectivité fonctionnelle
III.3.2 – Connectivité effective
III.3.3 – Maximisation de l’information et organisation fonctionnelle
III.4 – Optimisation des mesures
III.4.1 – Information et échantillonnage
III.4.2 – Métriques neuronales
III.4.3 – Autres indicateurs de performance
III.5 Limites de la théorie de l’information
Chapitre IV – Simulation de l’activité neuronale en clamp dynamique
IV.1 – Le clamp dynamique
IV.1.1 – Principe de la technique
IV.1.2 – Implémentation du clamp dynamique
IV.1.3 – Remarques sur le comportement des microélectrodes
IV.2 – Modélisation d’une cellule
IV.2.1 – Circuit équivalent d’une cellule
IV.2.2 – Modélisation des entrées synaptiques
IV.2.3 – Modification des paramètres des cellules
IV.3 – Simulation du bombardement synaptique
IV.3.1 – Modèle Ornstein-Uhlenbeck
IV.3.2 – Générateur de synchronie
IV.3.3 – Niveau des conductances
IV.3.4 – Extraction des conductances
RÉSULTATS
CONCLUSION

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