Inhibition latérale

En neurobiologie, l'inhibition latérale est la capacité d'un neurone excité de réduire l'activité de ses voisins. Elle réduit la propagation de potentiels d'action d'un neurone excité vers ses voisins latéraux. Cela crée un contraste de stimulations qui permet une perception sensorielle accrue. Ce phénomène, aussi appelé antagonisme latéral, intervient principalement dans le traitement visuel des informations mais aussi dans les traitements tactile, auditif et même olfactif[1]. Les cellules ayant recours à l'inhibition latérale se situent principalement dans le cortex cérébral et le thalamus et forment des réseaux d'inhibition latérale (LINs)[2]. L'inhibition latérale artificielle a déjà été intégrée dans des systèmes sensoriels artificiels, tels que les puces visuelles [3],[4], les systèmes auditifs [5] et les souris optiques [6]. Bien que l'inhibition latérale soit généralement envisagée d'un point de vue spatial, on pense qu'elle existe également sous la forme de ce qu'on appelle « l'inhibition latérale entre dimensions abstraites ». Ce terme désigne l'inhibition latérale entre des neurones qui ne sont pas adjacents dans l'espace, mais qui le sont en termes de modalité de stimulus. On pense que ce phénomène facilite la discrimination des couleurs[7].

Histoire

Illusion d'optique causée par l'inhibition latérale : l'illusion de la grille d'Hermann

Le concept d'inhibition neuronale (dans les systèmes moteurs) était bien connu de Descartes et de ses contemporains[8]. L'inhibition sensorielle dans la vision a été déduite par Ernst Mach en 1865, comme l'illustre sa « bande de Mach »[9],[10]. L'inhibition au niveau des neurones sensoriels individuels a été découverte et étudiée à partir de 1949 par Haldan K. Hartline, qui a utilisé des algorithmes pour modéliser l'effet des champs réceptifs des ganglions. Ses algorithmes ont également permis d'expliquer l'expérience menée par David H. Hubel et Torsten Wiesel, qui a mis en évidence une variation du traitement sensoriel, y compris l'inhibition latérale, chez différentes espèces[11].

En 1956, Hartline a réexaminé ce concept d'inhibition latérale dans les yeux du crabe fer à cheval (Limulus polyphemus), lors d'une expérience menée avec l'aide d'Henry G. Wagner et de Floyd Ratliff. Hartline a étudié l'anatomie des ommatidies du crabe fer à cheval pour leur fonction et leur anatomie physiologique similaires à celles des photorécepteurs de l'œil humain. De plus, ces ommatidies sont beaucoup plus grands que les photorécepteurs humains, ce qui les rend bien plus facile à étudier. Hartline a comparé le signal de réponse de l'ommatidie lorsqu'un seul faisceau lumineux concentré était dirigé vers une unité réceptrice par opposition à trois unités environnantes[12]. Il a ainsi renforcé sa théorie de l'inhibition latérale, car le signal de réponse d'une unité était plus fort lorsque les unités environnantes n'étaient pas exposées à la lumière[13].

Inhibition Sensorielle

Un stimulus affectant les trois neurones, mais qui affecte B plus fortement ou en premier, peut être affiné si B envoie des signaux latéraux aux neurones voisins A et C pour les empêcher de s'activer, les inhibant ainsi. L'inhibition latérale est utilisée dans la vision pour affiner les signaux transmis au cerveau (flèche rose).

Dans son ouvrage intitulé Sensory Inhibition [14], Georg von Békésy explore un large éventail de phénomènes inhibiteurs au sein des systèmes sensoriels et les interprète en termes d'affinement.

Inhibition visuelle

L'inhibition latérale augmente le contraste et la netteté de la réponse visuelle. Ce phénomène se produit naturellement dans la rétine des mammifères. Dans l'obscurité, un faible stimulus lumineux active les différents photorécepteurs (bâtonnets). Les bâtonnets situés au centre du stimulus transmettent le signal « lumineux » au cerveau, tandis que les bâtonnets situés à l'extérieur du stimulus envoient un signal « sombre » au cerveau en raison de l'inhibition latérale exercée par les cellules horizontales. Ce contraste entre la lumière et l'obscurité crée une image plus nette. Ce mécanisme crée également l'effet visuel des bandes de Mach.

L'inhibition visuelle latérale est donc le processus par lequel les cellules photoréceptrices aident le cerveau à percevoir les contrastes au sein d'une image. La lumière électromagnétique pénètre dans l'œil en traversant la cornée, la pupille et le cristallin (système optique)[15]. Elle contourne ensuite les cellules ganglionnaires, les cellules amacrines, les cellules bipolaires et les cellules horizontales pour atteindre les cellules photoréceptrices (bâtonnets) qui absorbent la lumière. Les bâtonnets sont stimulés par l'énergie lumineuse et envoient un signal nerveux excitateur aux cellules horizontales.

Ce signal excitateur ne sera toutefois transmis aux cellules ganglionnaires que par les cellules en bâton situées au centre du champ réceptif de ces dernières, car les cellules horizontales réagissent en envoyant un signal inhibiteur aux cellules en bâton voisines afin de créer un équilibre qui permet aux mammifères de percevoir des images plus nettes[16].Les bâtonnets centraux envoient les signaux lumineux directement aux cellules bipolaires, qui à leur tour transmettent le signal aux cellules ganglionnaires[17]. Les cellules amacrines produisent également une inhibition latérale sur les cellules bipolaires[18] et les cellules ganglionnaires afin d'effectuer divers calculs visuels, notamment l'accentuation de l'image[19]. Les signaux visuels finaux sont envoyés au thalamus et au cortex cérébral, où une inhibition latérale supplémentaire se produit.

Inhibition tactile

Les informations sensorielles recueillies par le système nerveux périphérique sont transmises à des zones spécifiques de l'aire somatosensorielle primaire du cortex pariétal, en fonction de leur origine sur une partie donnée du corps. À chaque neurone de l'aire somatosensorielle primaire correspond une région de la peau qui est stimulée ou inhibée par ce neurone[20]. Les régions correspondant à un emplacement sur le cortex somatosensoriel sont représentées par un homunculus. Cette région correspondante de la peau est appelée le champ réceptif du neurone. Les régions les plus sensibles du corps ont la plus grande représentation dans une zone corticale donnée, mais elles ont également les champs réceptifs les plus petits. Les lèvres, la langue et les doigts sont des exemples de ce phénomène[20]. Chaque champ réceptif est composé de deux régions : une région centrale excitatrice et une région périphérique inhibitrice. Un champ réceptif entier peut chevaucher d'autres champs réceptifs, ce qui rend difficile la différenciation entre les emplacements de stimulation, mais l'inhibition latérale aide à réduire ce chevauchement[21]. Lorsqu'une zone de la peau est touchée, la région centrale excitatrice s'active et la région périphérique est inhibée, créant un contraste dans la sensation et permettant une précision sensorielle. La personne peut alors localiser avec précision la partie de la peau qui est touchée. En cas d'inhibition, seules les neurones les plus stimulées et les moins inhibées se déclenchent, de sorte que le schéma de décharge a tendance à se concentrer aux pics de stimulation. Cette capacité perd en précision à mesure que la stimulation passe de zones à petits champs réceptifs à des zones à champs réceptifs plus vastes, par exemple en passant du bout des doigts à l'avant-bras puis au bras[20].

Inhibition auditive

Les similitudes entre les processus sensoriels de la peau et ceux du système auditif suggèrent que l'inhibition latérale pourrait jouer un rôle dans le traitement auditif. La membrane basilaire de la cochlée présente des champs réceptifs similaires à ceux de la peau et des yeux. De plus, les cellules voisines du cortex auditif ont des fréquences spécifiques similaires qui déclenchent leur activité, créant ainsi une carte des fréquences sonores analogue à celle du cortex somatosensoriel[22]. L'inhibition latérale dans les canaux tonotopiques est observable dans le colliculus inférieur et aux niveaux supérieurs du traitement auditif dans le cerveau. Cependant, le rôle que joue l'inhibition latérale dans la sensation auditive n'est pas clair. Certains scientifiques ont découvert que l'inhibition latérale pourrait contribuer à affiner les schémas d'entrée spatiaux et les variations temporelles de la sensation[23], tandis que d'autres suggèrent qu'elle joue un rôle important dans le traitement des sons graves ou aigus.

On pense également que l'inhibition latérale joue un rôle dans la suppression des acouphènes. Les acouphènes peuvent survenir lorsque des lésions de la cochlée entraînent une diminution plus importante de l'inhibition que de l'excitation, ce qui permet aux neurones de percevoir un son sans que celui-ci n'atteigne réellement l'oreille[24]. Si certaines fréquences sonores qui contribuent davantage à l'inhibition qu'à l'excitation sont produites, les acouphènes peuvent être atténués[24]. Des données corroborent les conclusions selon lesquelles les sons à haute fréquence sont les plus efficaces pour l'inhibition et donc les plus efficaces pour réduire certains types d'acouphènes.

Chez les chauves-souris moustachues, des données corroborent l'hypothèse selon laquelle les processus d'inhibition latérale du système auditif contribuent à un meilleur traitement de l'information auditive. L'inhibition latérale se produirait dans les divisions médiale et dorsale du noyau géniculé médial des chauves-souris à moustaches, parallèlement à une rétroaction positive[25]. Les fonctions exactes de ces régions ne sont pas claires, mais elles contribuent aux réponses de traitement auditif sélectif. Ces processus pourraient jouer un rôle dans le fonctionnement auditif d'autres mammifères, tels que les chats.

Embryologie

En embryologie, le concept d'inhibition latérale a été adapté pour décrire les processus intervenant dans le développement des types cellulaires[26]. L'inhibition latérale est décrite comme faisant partie de la voie de signalisation Notch, un type d'interaction intercellulaire. Plus précisément, lors de la division cellulaire asymétrique, une cellule fille adopte un destin particulier qui la conduit à devenir une copie de la cellule d'origine, tandis que l'autre cellule fille est empêchée de devenir une copie. L'inhibition latérale est bien documentée chez les mouches, les vers et les vertébrés[27]. Chez tous ces organismes, les protéines transmembranaires Notch et Delta (ou leurs homologues) ont été identifiées comme médiateurs de cette interaction. Les recherches ont été plus couramment menées sur la drosophile, la mouche du vinaigre[28]. Des embryologistes synthétiques ont également réussi à reproduire la dynamique de l'inhibition latérale dans des colonies bactériennes en développement[29], créant des rayures et des structures régulières.

Un neuroblaste présentant une quantité légèrement supérieure de protéine Delta à sa surface cellulaire empêchera ses cellules voisines de se transformer en neurones. Chez les mouches, les grenouilles et les poussins, la protéine Delta est présente dans les cellules qui deviendront des neurones, tandis que la protéine Notch est plus abondante dans celles qui deviendront des cellules gliales.

Références

  1. ↑ Yantis, Steven, « Sensation and Perception », New York, NY: Worth Publishers.,‎ , p. 77
  2. ↑ Shamma, Shihab A., « Speech processing in the auditory system II: Lateral inhibition and the central processing of speech evoked activity in the auditory nerve », The Journal of the Acoustical Society of America., vol. 78, no 5,‎ , p. 1623 (lire en ligne)
  3. ↑ Alireza Moini, Vision Chips, (ISBN 0-7923-8664-7)
  4. ↑ Di Girolamo, Arturo, Metzner, Christian et Urhan, Özcan, « "An Event-Based Line Sensor with Configurable Antagonistic Center Surround" », 2025 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS),‎ , p. 1-5 (ISBN 979-8-3503-5683-0, DOI 10.1109/ISCAS56072.2025.11043186)
  5. ↑ Malsburg, Christoph von der, ed., « Artificial neural networks: ICANN 96: 1996 international conference, Bochum, Germany, July 16-19, 1996: proceedings. », Springer,‎ (ISBN 978-3-540-61510-1)
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  7. ↑ RHS Carpenter, "Neurophysiology", Londres, Arnold,
  8. ↑ Marcus Jacobson, "Fundation of neurosciences" (2eme édition), Springer, (ISBN 978-0-306-44540-8), p.277
  9. ↑ Yantis, Steven, "Sensation and perception", NY: Worth Publishers, (ISBN 978-0-7167-5754-2)
  10. ↑ G. A. Orchard et W. A. Phillips, "Neural Computation: A beginner's guide", Taylor & Francis, (ISBN 978-0-86377-235-1, lire en ligne), p.26
  11. ↑ Shaw, G. L. et Palm, Günther, "Brain theory: reprint volume", (ISBN 978-9971-5-0483-0)
  12. ↑ Goldstein, E. Bruce, "Sensation and perception", (ISBN 9780534558109)
  13. ↑ Hartline, Haldan K., Henry G Wagner et Floyd Ratliff, « "Inhibition in the eye of Limulus" », The Journal of General Physiology, vol. 5, no 39,‎ , p. 651-671 (DOI 10.1085/jgp.39.5.651)
  14. ↑ Georg Von Békésy, Sensory Inhibition, Princeton University Press,
  15. ↑ Heller, Morton A. et Edouard Gentaz, "Psychology of Touch and Blindness", Taylor & Francis, (ISBN 9781134521593), p. 20-21
  16. ↑ Yantis, Steven, « "Sensation and perception" », Worth Publishers,‎
  17. ↑ Levine, Michael W., "Levine & Shefner's fundamentals of sensation and perception" (3 ème édition), Oxford University Press, (ISBN 9780198524670)
  18. ↑ Tanaka M et Tachibana M, « "Independent control of reciprocal and lateral inhibition at the axon terminal of retinal bipolar cells" », J Physiol,‎
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  20. Heller et Morton A., "Psychology of Touch and Blindness", Taylor & Francis,
  21. ↑ Fox, Kevin, "Barrel Cortex" (ISBN 9780521852173), p. 127
  22. ↑ Bernstein, Douglas A., "Psychology", (ISBN 9780618824311), p.118
  23. ↑ Shamma, Shihab A., « "Speech processing in the auditory system II: Lateral inhibition and the central processing of speech evoked activity in the auditory nerve" », The Journal of the Acoustical Society of America.,‎ (DOI 10.1121/1.392800)
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  26. ↑ Alfred Gierer et Hans Meinhardt, Some Mathematical Questions in Biology VI: Mathematical Aspects of Chemical and Biochemical Problems and Quantum Chemistry. (ISBN 978-0-8218-1328-7)
  27. ↑ Haddon, C.; L. Smithers; S. Schneider-Maunoury; T. Coche; D. Henrique; J. Lewis, « "Multiple delta genes and lateral inhibition in zebrafish primary neurogenesis" », Development,‎ (DOI 10.1242/dev.125.3.359)
  28. ↑ Jorg, Reichrath, "Notch Signaling in Embryology and Cancer", (ISBN 9781461408994)
  29. ↑ Duran-Nebreda, Salva; Pla, Jordi; Vidiella, Blai; Piñero, Jordi; Conde-Pueyo, Nuria; Solé, Ricard, « "Synthetic Lateral Inhibition in Periodic Pattern Forming Microbial Colonies" », ACS Synthetic Biology,‎ (DOI 10.1021/acssynbio.0c00318)

Voir aussi

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