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Arthur Leblois et al. dans eLife

Le cervelet et l’apprentissage vocal: ce que nous apprennent les oiseaux

Le 18 septembre 2018

A subcortical circuit linking the cerebellum to the basal ganglia engaged in vocal learning. Ludivine Pidoux Is a corresponding author , Pascale Le Blanc, Carole Levenes, Arthur Leblois / CNRS Paris Descartes.  Elife. 2018 Jul 25;7. pii: e32167. doi: 10.7554/eLife.32167. 

Contact chercheur: Arthur Leblois / Institut des Maladies Neurodégénératives
UMR5293 (CNRS / Université de Bordeaux)

Ludivine Pidoux Is a corresponding author , Pascale Le Blanc, Carole Levenes, Physiology and Pathology (UMR CNRS 8119), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institute for Neuroscience and Cognition, Paris Descartes University,


Abstract
Speech is a complex sensorimotor skill, and vocal learning involves both the basal ganglia and the cerebellum. These subcortical structures interact indirectly through their respective loops with thalamo-cortical and brainstem networks, and directly via subcortical pathways, but the role of their interaction during sensorimotor learning remains undetermined.
While songbirds and their song-dedicated basal ganglia-thalamo-cortical circuitry offer a unique opportunity to study subcortical circuits involved in vocal learning, the cerebellar contribution to avian song learning remains unknown. We demonstrate that the cerebellum provides a strong input to the song-related basal ganglia nucleus in zebra finches.
Cerebellar signals are transmitted to the basal ganglia via a disynaptic connection through the thalamus and then conveyed to their cortical target and to the premotor nucleus controlling song production. Finally, cerebellar lesions impair juvenile song learning, opening new opportunities to investigate how subcortical interactions between the cerebellum and basal ganglia contribute to sensorimotor learning.

Source Site web CNRS Sciences biologiques
Comme les enfants, les jeunes oiseaux apprennent leurs vocalisations en imitant les adultes. Des circuits cérébraux similaires sont impliqués dans cet apprentissage chez l’enfant et l’oiseau chanteur. Cependant, une région cérébrale dont le rôle reste mal connu, le cervelet, n’avait jusque-là pas été étudié chez l’oiseau. Une étude récente, publiée dans la revue eLife, met pour la première fois en lumière une implication du cervelet dans l’acquisition du chant, révélant ses connections avec le reste du circuit lié au chant.

Chez l’Homme, l’apprentissage de la parole se réalise par imitation : les enfants imitent le discours des adultes présents autour d'eux. Au fil du temps, les enfants apprennent à coordonner les mouvements de leurs cordes vocales et des muscles respiratoires pour produire des sons spécifiques, de plus en plus ressemblant au discours des adultes. Les oiseaux chanteurs (passereaux) juvéniles utilisent un processus similaire lorsqu’ils apprennent à chanter. Les oisillons imitent les oiseaux adultes et apprennent à en reproduire les sons pour ensuite produire leur propre chant. Les études scientifiques visant à déterminer les processus sous-jacents à l’apprentissage et à la production de la parole chez l’Homme ont révélé que les circuits neuronaux nécessaires à l'apprentissage vocal chez le nourrisson et le jeune oiseau sont composés de régions cérébrales analogues. De ce fait, l’oiseau chanteur est donc utilisé comme modèle animal pour étudier le rôle du cerveau dans l’apprentissage vocal.


 Parmi les zones cérébrales impliquées dans ces circuits liés à l’apprentissage vocal, on connaissait déjà l’importance de certaines zones du cortex, la couche la plus externe du cerveau des mammifères, ainsi que plusieurs structures cérébrales profondes, comme les ganglions de la base, un ensemble de structures qui participent à la motricité fine, et le thalamus. Une autre structure cérébrale profonde, connue sous le nom de cervelet (ou « petit cerveau »), participe à l’apprentissage moteur et semble impliqué dans taches linguistiques chez l’Homme, mais son rôle dans les processus d’apprentissage du chant chez l’oiseau chanteur restait inconnu. Des études anatomiques antérieures avaient suggéré un lien entre le cervelet et les circuits liés à l’apprentissage du chant, notamment dans les ganglions de la base. En revanche, un rôle direct et fonctionnel du cervelet, et de ses interconnexions avec d’autres structures, dans le chant des oiseaux chanteurs n'avait jamais été démontré auparavant. (Ci contre photo d'Arthur Leblois)

Les chercheurs ont donc déterminé d’une part l’implication du cervelet dans le réseau neuronal du chant à l’aide d’enregistrements électrophysiologiques, et d’autre part la contribution du cervelet dans le processus d’apprentissage du chant grâce à des analyses comportementales à la suite de lésions dans le cervelet.

Ce travail de recherche fondamentale démontre que la stimulation du cervelet active les neurones des ganglions de la base impliqués dans l'apprentissage du chant chez le Diamant Mandarin anesthésié. Cette activation des neurones des ganglions de la base, après stimulation du cervelet, se propage ensuite jusqu’aux neurones prémoteurs contrôlant les cordes vocales, par l’intermédiaire du circuit lié à l’apprentissage du chant. Ceci est donc la première étude démontrant une voie fonctionnelle entre cervelet et ganglions de la base par laquelle le cervelet est capable de moduler les neurones prémoteurs relatif à l’apprentissage du chant. De plus, des lésions partielles dans les voies de sortie du cervelet chez les oisillons entraînent un déficit dans l’imitation du chant adulte, ainsi qu’une modification durable de la durée des syllabes chantées.

Cet article constitue la première preuve directe du rôle du cervelet dans l'acquisition et la production du chant chez l’oiseau chanteur. Au-delà de l'apprentissage vocal, ces résultats mettent en lumière les circuits qui favorisent l'apprentissage moteur en général. Ils suggèrent également que nous pouvons maintenant utiliser l’oiseau chanteur comme modèle animal pour étudier le cervelet et ses interactions fonctionnelles avec les ganglions de la base pendant un apprentissage sensorimoteur. Des interactions anormales entre ces régions cérébrales ont été recensées dans différents troubles du mouvement tels que la maladie de Parkinson ou les dystonies. L'étude de ces interactions dans le cerveau sain, notamment chez l’oiseau, pourra fournir des indices sur les dysfonctionnements à l'origine de ces pathologies.

 Suite sur le site du CNRS... 

Arthur Leblois / IMN / équipe: Physiologie et physiopathologie des fonctions executives (arthur.leblois @ u-bordeaux.fr)
Dernière mise à jour le 19.09.2018