Aller au contenuAller au menuAller à la recherche

Mathieu Wolff, Fabien Alcaraz et al. dans The J of N

Un circuit thalamocortical pour la mise à jour des prédictions / A thalamocortical circuit for updating events predictions

Le 5 octobre 2015

Flexible use of predictive cues beyond the orbitofrontal cortex: role of the submedius thalamic nucleus. Fabien Alcaraz, Alain R. Marchand, Elisa Vidal, Alexandre Guillou, Angélique Faugère, Etienne Coutureau, Mathieu Wolff. Journal of Neuroscience. 23 septembre 2015.

Team: Neurobiology of executive functions/ Research team leader: Etienne Coutureau.
Lab: Cognitive and Integrative Neuroscience - Aquitaine Institute - Jean-René Cazalets




 Dans un monde en perpétuelle mutation, prendre des décisions adaptées en vue de subvenir à ses besoins est une nécessité pour tous les organismes vivants. En particulier, la capacité à prendre en compte les modifications soudaines des régularités de l’environnement représente un enjeu important pour la survie de ces organismes. Dans cette étude, nous mettons en évidence l’existence d’un circuit thalamocortical supportant ce processus adaptatif, en identifiant un rôle fonctionnel spécifique pour une région thalamique jusqu’alors inconnue. 


Les fonctions cognitives de haut niveau qui sont généralement associées aux comportements adaptatifs résultent de processus élémentaires largement conservés entre les espèces. Elles sont typiquement incarnées dans le cortex préfrontal, structure classiquement présentée comme la plus développée au plan phylogénétique et par conséquent la mieux à même d’assurer ces fonctions évoluées.

Pour mettre en évidence les circuits fonctionnels qui pourraient sous-tendre de telles aptitudes, au-delà du cortex préfrontal, nous avons d’abord employé une approche de traçage neuronal. L’injection de dextrans dans les différents quadrants du cortex orbitofrontal a permis d’identifier une région particulière du thalamus très fortement marquée (Figure 1A), le thalamus submédian, dont le rôle fonctionnel était jusqu’alors inconnu.

 Dans un deuxième temps, des lésions spécifiques du cortex orbitofrontal ou du thalamus submédian ont été réalisées chez deux cohortes de rats différentes, en vue de comparer leur performance avec celles d’animaux intacts. La tâche utilisée visait à déterminer leur capacité à utiliser de façon flexible le lien prédictif entre un signal auditif et l’obtention d’une récompense alimentaire (Figure 1B). Ces lésions n’empêchent pas les animaux d’apprendre qu’un stimulus auditif prédit l’obtention de la récompense. En revanche, lorsque le lien prédictif est dégradé par l’obtention de récompenses non signalées, seuls les animaux intacts se montrent capables de s’adapter en cessant de répondre à ce stimulus particulier (Figure 1C).

 L’ensemble de ces résultats permet d’identifier un circuit thalamocortical essentiel pour mettre à jour la contingence entre des éléments pertinents de l’environnement. L’originalité de cette découverte découle du rôle prépondérant que l’on peut attribuer au thalamus submédian, une structure jusqu’alors ignorée dans le domaine des comportements adaptatifs. Ce résultat suggère que de nombreux circuits fonctionnels sous-tendant les comportements adaptatifs nécessitent une contribution spécifique du thalamus, en accord avec les évolutions les plus récentes de la littérature (Alcaraz et al., Brain Structure and Function 2014 ; Wolff et al., Neuroscience and Biobehavioral Reviews 2015). La compréhension du fonctionnement de ces circuits thalamocorticaux pourrait s’avérer critique pour mieux appréhender de nombreuses pathologies comme la schizophrénie ou encore l’addiction.

Flexible use of predictive cues beyond the orbitofrontal cortex: role of the submedius thalamic nucleus. Fabien Alcaraz, Alain R. Marchand, Elisa Vidal, Alexandre Guillou, Angélique Faugère, Etienne Coutureau, Mathieu Wolff. Journal of Neuroscience. 23 septembre 2015.



Schéma / Click and enlarge the picture


A thalamocortical circuit for updating events predictions

In a continuously changing world, living organisms must select appropriate options to fulfill their needs. Adaptive responding when unexpected events occur in the environment is critical for survival. In this study, we identify a thalamocortical circuit supporting such adaptive responding, based on a thalamic nucleus of previously unknown functions.

High order cognitive functions associated with adaptive behaviors are built upon elementary processes highly conserved between species. They are thought to be critically supported by the prefrontal cortex, classically considered as the most evolved brain region.

To investigate whether neuronal circuits supporting these processes may extend beyond the prefrontal corex we first employed a tract-tracing approach to identify the principal sources of afferent of this cortical region. Dextran injections in the orbitofrontal cortex revealed unusually high labelling at the thalamic level, corresponding to the submedius thalamus, a brain region whose functions were not known.

Second, we performed neurotoxic lesions of either the orbitofrontal or the submedius nucleus of the thalamus in separate cohorts of rats. These rats were then submitted to a task assessing the ability to make flexible use of Pavlovian associations (Figure 1B). None of the lesion prevented the rats from learning that auditory cues signaled the delivery of the reward. However, when the contingency between the conditional stimulus and the food reward was degraded by providing “free” rewards (i.e. not signaled by the auditory cue) only sham rats exhibited adaptive responding by reducing their visits to the magazine during this specific stimulus.(Figure C) 

Collectively, these data point to the submedius nucleus as a critical component of a thalamocortical circuit supporting the updating of the contingency between relevant environmental items. Moreover, this suggests that numerous neuronal circuits supporting adaptive behaviors may rely on a specific functional contribution of the thalamus, in agreement with recent evidence in the literature (Alcaraz et al., Brain Structure and Function 2014 ; Wolff et al., Neuroscience and Biobehavioral Reviews 2015).
Understanding the functional connectivity these specific thalamocortical circuits represents a major issue for the coming years with considerable relevance for many pathological conditions such as schizophrenia or addiction.

Flexible use of predictive cues beyond the orbitofrontal cortex: role of the submedius thalamic nucleus. Fabien Alcaraz, Alain R. Marchand, Elisa Vidal, Alexandre Guillou, Angélique Faugère, Etienne Coutureau, Mathieu Wolff. Journal of Neuroscience. 23 septembre 2015.




See the press release from the CNRS
http://www2.cnrs.fr/presse/communiq...

University of Bordeauxhttp://www.u-bordeaux.fr/Actualites...

Sciences & Avenir: http://www.sciencesetavenir.fr/sant...

LesEchos.fr: http://www.lesechos.fr/idees-debats...

Blogs:
http://adsedelacreativite.eklablog....
http://dyslectern.info/2015/09/27/t...

Translation available at several places: 
http://www2.cnrs.fr/en/2627.htm
http://medicalxpress.com/news/2015-...
http://www.sciencedaily.com/release...
http://www.healthcanal.com/brain-ne...
http://neurosciencenews.com/decisio...

Spanish version: http://axxon.com.ar/noticias/2015/0...

Turkish version: http://www.tipacilar.com/karar-verm...

 

Mathieu Wolff / Institut de Neurosciences Cognitives et Intégratives d'Aquitaine CNRS UMR 5287 Université de Bordeaux (mathieu.wolff @ u-bordeaux.fr)
Dernière mise à jour le 06.10.2015

1er auteur



Fabien Alcaraz
... soutiendra sa thèse le 17 Décembre (co-supervision Etienne Coutureau / Mathieu Wolff) , le détail des informations est à venir d’ici peu. Il pourra ensuite poursuivre ses travaux dans l’équipe DECAD pour finaliser un ultime projet grâce à l’obtention d’une bourse de soudure du Labex Brain.