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Modeling and simulation of rat non-barrel somatosensory cortex. Part I: Modeling anatomy

Résumé

The function of the neocortex is fundamentally determined by its repeating microcircuit motif, but also by its rich, hierarchical, interregional structure with a highly specific laminar architecture. The last decade has seen the emergence of extensive new data sets on anatomy and connectivity at the whole brain scale, providing promising new directions for studies of cortical function that take into account the inseparability of whole-brain and microcircuit architectures. Here, we present a data-driven computational model of the anatomy of non-barrel primary somatosensory cortex of juvenile rat, which integrates whole-brain scale data while providing cellular and subcellular specificity. This multiscale integration was achieved by building the morphologically detailed model of cortical circuitry embedded within a volumetric, digital brain atlas. The model consists of 4.2 million morphologically detailed neurons belonging to 60 different morphological types, placed in the nonbarrel subregions of the Paxinos and Watson atlas. They are connected by 13.2 billion synapses determined by axo-dendritic overlap, comprising local connectivity and long-range connectivity defined by topographic mappings between subregions and laminar axonal projection profiles, both parameterized by whole brain data sets. Additionally, we incorporated core- and matrix-type thalamocortical projection systems, associated with sensory and higher-order extrinsic inputs, respectively. An analysis of the modeled synaptic connectivity revealed a highly nonrandom topology with substantial structural differences but also synergy between local and long-range connectivity. Long-range connections featured a more divergent structure with a comparatively small group of neurons serving as hubs to distribute excitation to far away locations. Taken together with analyses at different spatial granularities, these results support the notion that local and interregional connectivity exist on a spectrum of scales, rather than as separate and distinct networks, as is commonly assumed. Finally, we predicted how the emergence of primary sensory cortical maps is constrained by the anatomy of thalamo-cortical projections. A subvolume of the model comprising 211,712 neurons in the front limb, jaw, and dysgranular zone has been made freely and openly available to the community.

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Concepts associés (34)
Cortex cérébral
Le cortex cérébral (ou écorce cérébrale), d'origine prosencéphalique, est la substance grise périphérique des hémisphères cérébraux. Il se compose de trois couches (pour l'archi- et le paléocortex) à six couches (pour le néocortex) renfermant différentes classes de neurones, d'interneurones et de cellules gliales. Le cortex peut être segmenté en différentes aires selon des critères cytoarchitectoniques (nombre de couches, type de neurones), de leur connexions, notamment avec le thalamus, et de leur fonction.
Cartographie du cerveau
La cartographie du cerveau est un ensemble de techniques des neurosciences dédiées à la création de représentations spatiales des quantités ou des propriétés biologiques du cerveau humain ou non-humain. La cartographie du cerveau est en outre définie par la Société pour la cartographie et le traitement du cerveau (Society for Brain Mapping and Therapeutics - SBMT) comme l'étude de l'anatomie et du fonctionnement du cerveau et de la moelle épinière grâce à l'utilisation de l' (intra-opératoire, microscopique, endoscopique et l'imagerie multi-modalité), l’utilisation de l'immunohistochimie, la génétique moléculaire et l’optogénétique, les cellules souches et la biologie cellulaire, l'ingénierie (matériel, électrique et biomédical), la neurophysiologie et les nanotechnologies.
Blue Brain
Le projet Blue Brain (littéralement « cerveau bleu ») a pour objectif de créer un cerveau synthétique par processus de rétroingénierie. Fondé en mai 2005 à l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) en Suisse, ce projet étudie l'architecture et les principes fonctionnels du cerveau. Il a été étendu, en 2013, au Human Brain Project (HBP), également dirigé par Henry Markram, mais financé principalement par l'UE. Le projet Blue Brain semble être au fondement d'un projet plus vaste, qui consiste à étudier le cerveau par des simulations de grande échelle (« Simulation Neuroscience »).
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