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Karim Benchenane"Dynamique des synchronisations hippocampo-corticales"

Abstract :


Synchronisation des assemblées neuronales entre le cortex prefrontal et l'hippocampe pendant les périodes de fortes cohérence dans la bande thêta (5-10 Hz) entre les deux structures.

En 1989, Buzsaki a proposé un modèle de consolidation mnésique en deux étapes. Pendant l'apprentissage, le rat encode les informations, période durant laquelle des oscillations à 5-10 à Hz sont observées dans l'hippocampe. Ces informations seront rejouées pendant le sommeil durant des oscillation à haute fréquence (200 Hz) observées dans l'hippocampe et appelées ripples, aboutissant à leur consolidation puis leur transfert vers des structures corticales. La plupart des études publiées depuis vont dans le sens de cette hypothèse. En particulier, les réactivations ont été observées dans l'hippocampe comme l'avait prédit le modèle (Lee & Wilson 2002, Foster & Wilson 2006). Cependant, bien que des données suggèrent que la réactivation au moment des ripples pourrait être importante dans l'apprentissage, aucune étude n'a jusqu'à présent de relation de cause à effet entre ripples et apprentissage. De plus, il reste à détailler la façon dont les informations importantes sont sélectionnées pendant l'acquisition pour être réactivées pendant le sommeil et transférées dans la mémoire à long terme.
Nous avons étudié l'influence de la suppression des ripples sur l'apprentissage par l'utilisation de stimulations de la voie commissurale hippocampique qui, déclenchées par la détection automatique des ripples, entraînent une suppression de celles-ci. Les rats devaient résoudre une tache de mémoire spatiale sur un labyrinthe radial, et la stimulation étaient déclenchée chaque jour, pendant l'heure de sommeil qui suivait l'apprentissage. La suppression des ripples entraîne une diminution de la performance des rats, comparable à celle observée par des lésions de l'hippocampe. Ceci démontre que les ripples participe activement à l'apprentissage.
Pour étudier le mécanisme permettant de sélectionner les informations qui seront réactivées dans le sommeil, nous nous sommes focalisé sur la voie hippocampo-prefrontal. En effet, la plupart des processus clés du modèle ont été observés dans cette voie anatomique. Premièrement, l'hippocampe envoie des projections mono-synaptiques vers le cortex pre-frontal (CPF) (Thierry et al. 2000). Deuxièmement, lors d'un apprentissage spatial, il a été montré que l'hippocampe était activé précocement dans l'apprentissage mais n'était plus nécessaire tardivement alors que le profil inverse était observé dans le CPF, suggérant un transfert d'information de l'hippocampe vers le CPF (Maviel et al. 2007). De plus des oscillations thêta ont été observées dans les deux structures, ces oscillations pouvant être cohérentes ou non selon la tache comportementale (Jones & Wilson 2005).
Nous avons donc réalisé un apprentissage dans un labyrinthe en Y, dans le quel le rat devait apprendre successivement la règle « aller à droite » puis la règle « aller à gauche ». Une forte cohérence entre l'hippocampe et le CPF dans la bande theta (Cohθ-HPC-CPF) était détectée au point de décision dans le labyrinthe en Y, après l'acquisition de la règle, c'est à dire quand la prédiction de récompense est forte. Nous avons ensuite regardé les modifications du réseau neuronal du CPF induites par la Cohθ-HPC-CPF. Certains neurones du CPF ont tendance à se synchroniser, se regroupant ainsi en assemblées cellulaires. Pendant les périodes de forte cohérence, ces assemblées sont fortement modulées par thêta et leurs phases préférées se concentrent autour du creux de thêta. Or des assemblées neuronales ont déjà été observées dans l'hippocampe (Harris et al. 2003), déchargeant également dans le creux de thêta enregistré dans l'hippocampe. Durant ces périodes de forte cohérence, les thêta de l'hippocampe et du CPF oscillent de façon cohérente, ce qui signifie que les assemblées neuronales des deux structures se synchronisent avec un délai temporel compatible avec un renforcement par STDP. Nous avons donc regardé si ces assemblées neuronales se réactivaient pendant le sommeil et plus précisément pendant les ripples hippocampiques. Effectivement, les assemblées neuronales du CPF formées pendant les périodes de forte cohérence déchargent également pendant le sommeil des rats (au moment des ripples), et ce significativement plus dans le sommeil après la tache comportementale que dans le sommeil précédant la tache. Ceci suggère que les connections synaptiques entre les assemblées neuronales ont bien été renforcées.
En conclusion, nous montrons que les ripples sont nécessaires pour l'apprentissage. De plus, lorsque le rat résout la tache comportementale, les rythmes thêta de l'hippocampe et du CPF deviennent cohérents au point de décision, entraînant une synchronisation des assembles neuronales des deux structures. Ces assemblées sont ensuite réactivées pendant le sommeil suggérant que ces informations seront à terme stockées dans la mémoire à long terme. Selon notre hypothèse, il faut donc à la fois une forte cohérence mais également une forte certitude pour que les assemblées neuronales se synchronisent. Ce mécanisme permettrait de ne stocker dans la mémoire à long terme que les informations importantes, c'est à dire uniquement quand la prédiction de récompense est forte.

Selected publications

Toward safer thrombolytic agents in stroke: molecular requirements for NMDA receptor-mediated neurotoxicity.Lopez-Atalaya JP, Roussel BD, Levrat D, Parcq J, Nicole O, Hommet Y, Benchenane K, Castel H, Leprince J, To Van D, Bureau R, Rault S, Vaudry H, Petersen KU, Santos JS, Ali C, Vivien D.J Cereb Blood Flow Metab. 2008 Jun;28(6):1212-21. Epub 2008 Mar 12.
     
Anti-NR1 N-terminal-domain vaccination unmasks the crucial action of tPA on NMDA-receptor-mediated toxicity and spatial memory.
Benchenane K, Castel H, Boulouard M, Bluthé R, Fernandez-Monreal M, Roussel BD, Lopez-Atalaya JP, Butt-Gueulle S, Agin V, Maubert E, Dantzer R, Touzani O, Dauphin F, Vivien D, Ali C. J Cell Sci. 2007 Feb 15;120(Pt 4):578-85. Epub 2007 Jan 23.