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Jérôme Epsztein ‘Intracellular determinants of sparse coding in the hippocampus’

Abstract :


The hippocampus is critically involved in the formation of new episodic memories.
In rodents, some neurons in this structure are active whenever an animal is in a specific location in its environment (the place cells) while the majority of them remain silent in the entire environment (the silent cells). Thus spatial information in the hippocampus is not only represented by the firing of place cells but also by the identity of active versus silent cells in a given environment (a sparse coding mechanism). Similarly in humans, specific items are represented in the hippocampus with unique and sparse subsets of active cells among a larger population of silent neurons. The factors determining the involvement of specific cells in mapping a given environment (and potentially memorizing it) are still poorly understood. We addressed this question using a newly developed technique to record the intracellular activity of hippocampal place and silent cells while rats were freely exploring an unknown environment. Unlike extracellular recording techniques which only record the output of neurons in form of action potentials, this highly sensitive technique allowed us to measure of the synaptic drive to the neurons as well as fundamental intrinsic properties. Our results highlight important differences of intrinsic cellular properties such as action potential threshold and burst firing propensity between place and silent cells. Surprisingly, these differences could be detected in the anesthetized animal even before the new exploration began. Therefore based on their intrinsic properties a subset of hippocampal cells could be pre-determined to map and potentially memorize the next explored environment.

 

Ci dessous un commentaire du site de l'INSERM


Connaître sa localisation dans son environnement est une fonction essentielle à la survie de l’individu. Que se passe-t-il réellement dans notre cerveau lorsque nous devons mémoriser les informations essentielles à notre orientation dans l’espace ? L'hippocampe chez l’homme comme chez l’animal joue un rôle central dans plusieurs formes de mémoire et notamment celle des lieux. En effet, on a découvert chez l’animal des neurones dans cette structure qui ne sont activés que lorsque l’animal se trouve dans un lieu donné de son environnement d’où le terme de "cellules de lieu".

Malgré la découverte des cellules de lieu il y a plus de 40 ans, on ne savait toujours pas pourquoi certains neurones de l’hippocampe sont actifs dans un environnement donné alors que la majorité d’entres eux reste silencieux dans ce même environnement. Comment se fait la sélection des cellules qui participent à la cartographie d’un environnement donné (et potentiellement à sa mémorisation) ? C’est ce que Jérôme Epsztein à l’Inserm (Unité 901 "Inmed") et ses collègues le Pr. Michael Brecht de l’Université Humboldt de Berlin et le Dr. Albert Lee de l’Institut Médical Howard Hugues en Virginie (USA) ont voulu comprendre en développant une nouvelle technique permettant d’enregistrer in vivo l’activité intracellulaire des cellules de lieu chez le rat pendant l’exploration de son espace environnant.

Contrairement aux techniques d’enregistrement classiquement utilisées chez l’animal en exploration qui ne permettent d’enregistrer que les messages envoyés par les cellules, cette technique très sensible permet d’enregistrer également les messages reçus par les neurones ainsi que des propriétés intrinsèques fondamentales des neurones. En utilisant cette technique, les chercheurs ont pu comparer très précisément les propriétés des cellules dites "de lieu" et dites "silencieuses" alors que l’animal explorait un environnement pour la première fois (et donc apprenait à s’y repérer).

Les enregistrements effectués par Jérôme Epsztein et ses collègues ont permis de mettre en évidence que, comme on le supposait, les cellules de lieu reçoivent plus de messages excitateurs que les cellules silencieuses dans un environnement donné. Cependant, ils ont également observé que les cellules de lieu ont des propriétés intrinsèques différentes des cellules silencieuses qui facilitent leur réponse à un stimulus donné.

De façon surprenante, des différences de propriétés intrinsèques ont pu être observées avant même que l’animal ne soit confronté à une nouvelle expérience à mémoriser. "Ainsi, certaines cellules de l’hippocampe seraient prédisposées à cartographier et potentiellement à mémoriser le prochain environnement exploré" déclare Jérome Epsztein principal auteur de cette étude.

Cependant, le cerveau est complexe et plastique, c'est-à-dire qu’il se réorganise à chaque instant en fonction des différentes sollicitations qu’il reçoit. "Nos travaux s’appliquent à l’étude du cerveau de ces animaux à un instant donné, explique Jérôme Epsztein. Il se peut qu’à un autre moment pour appréhender un environnement différent, les cellules silencieuses deviennent cellules de lieu suite à une modification de leurs propriétés intrinsèques".

Ces travaux renforcent les connaissances du mécanisme complexe de la mise en mémoire de ce type l’information dans le cerveau en montrant un rôle potentiellement déterminant des propriétés intrinsèques dans la sélection des neurones qui participent à la formation des souvenirs.

Selected publications

Intracellular determinants of hippocampal CA1 place and silent cell activity in a novel environment. Epsztein J, Brecht M, Lee AK.Neuron. 2011 Apr 14;70(1):109-20.
Artinian J, Peret A, Marti G, Epsztein J, Crepel V, (2011) Synaptic kainate receptors in interplay with INaP shift the sparse firing of dentate granule cells to a sustained rhythmic mode in temporal lobe epilepsy (The Journal of Neuroscience)

Impact of spikelets on hippocampal CA1 pyramidal cell activity during spatial exploration. Epsztein J, Lee AK, Chorev E, Brecht M.Science. 2010 Jan 22;327(5964):474-7.

Christophe Mulle de l'IINS