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Mathieu Wolff, Fabien Alcaraz et al. dans eLife

Boucles thalamocorticales : des informations bien dirigées pour une décision adaptée

Le 7 février 2018

Thalamocortical and corticothalamic pathways differentially contribute to goal-directed behaviors in the rat. https://elifesciences.org/articles/32517 Fabien Alcaraz, Virginie Fresno, Alain R Marchand, Eric J Kremer, Etienne Coutureau, Mathieu Wolff Is a corresponding author. CNRS, INCIA, UMR 5287, France Université de Bordeaux, INCIA, UMR 5287, France Institut de Génétique Moléculaire de Montpellier, University of Montpellier, CNRS, France  © 2018 eLife Sciences Publications / Research Article Feb 6, 2018

A voir aussi dans la presse au sujet de cet article

https://theconversation.com/comment-le-cerveau-decide-93599

et dans le Journal  Sud-Ouest 

Adaptive decision-making and the directionality of information flows within thalamocortical circuits (lire la présentation  du CNRS en français ci dessous)


 Reaching specific goals within volatile environments requires complex cognitive abilities thought to be supported by highly evolved brain regions
such as the prefrontal cortex. Within the neural circuits involved, the mediodorsal thalamus appears of special interest due to the extensive reciprocal projections connecting these two areas. (left, M. Wolff, right, F. Alcaraz)

In this study, we examined the respective contribution of thalamocortical and corticothalamic pathways connecting the medial prefrontal cortex and the mediodorsal thalamus. To do so, we developed a dual-viral chemogenetic strategy to reversibly inhibit projection-defined thalamic and cortical neurons (see figures below). This enabled us to test selectively the functional contribution of each of these pathways with respect to the two main goal attributes: current goal value and current action-outcome contingency.

Interestingly, these manipulations produced dissociable behavioral alterations. While inhibiting the thalamocortical pathway impaired both the ability to guide choice based on current goal value and, to a much larger extent, current action-outcome contingency, inhibiting the corticothalamic pathway only impeded choice based on current goal value. Thus the ability to perform adaptive actions is differentially supported by thalamocortical and corticothalamic pathways.

These results confirm the crucial role of thalamocortical circuits in adaptive cognition. Moreover, they indicate that the direction of information flow within these circuits is one of their fundamental features, which has possible functional relevance for virtually any neural circuit with reciprocal connections. This may also be important to better apprehend mental dysfunctions conceptualized as connectivity disorders such as Schizophrenia.

Figure caption. Left, dual-viral strategy to target either PFC-projecting MD cells (top) or MD-projecting PFC cells (bottom). Resulting DREADD expression (revealed by mCherry) at the level of the MD (top) or the PFC (bottom). After initial instrumental training during which rats learned that performing two distinct actions enabled to gain two specific food rewards, specific choice tests were conducted to assess either current action-outcome contingency or current goal value. Inhibiting the MD-to-PFC was particularly detrimental for the former ability (top, CNO) while inhibiting the PFC-to-MD route only impaired the latter (bottom, CNO).

Source CNRS    Quand un mammifère prend une décision pour atteindre un but, il forme une représentation mentale de la valeur de la récompense escomptée mais également du lien causal entre son action et ce qui en résulte. Quand ces deux critères sont établis, on parle d’un « comportement dirigé vers un but ». Ces capacités de représentation peuvent être étudiées au laboratoire par des procédures issues de la psychologie expérimentale. Cette approche classique a permis d’établir le rôle prééminent du cortex préfrontal, structure la plus évoluée de notre cerveau. Des travaux récents ont néanmoins mis en lumière le rôle également important joué par les noyaux thalamiques qui sont des structures apparues plus précocement dans l’évolution et qui sont fortement interconnectées avec le cortex préfrontal.

L’équipe « Décision et Adaptation » s’est intéressée à la façon dont ces aires corticales et thalamiques communiquent. L’organisation anatomique de ces circuits « thalamocorticaux » se fait en boucles, qui sont définies par les projections réciproques caractérisant ces circuits. Cette organisation particulière pose la question de la nature de l’information qui est convoyée du cortex vers le thalamus et vice-et-versa.

Pour lever le voile sur cette question, les chercheurs ont mis en place avec leurs collaborateurs de l’équipe « Adénovirus : Récepteurs, Trafic Intracellulaire et Vectorologie » de Montpellier une stratégie d’intervention ciblée sur les projections thalamocorticales ou corticothalamiques au moyen d’une approche pharmacogénétique. Cette méthode consiste à faire exprimer aux neurones d’intérêt un récepteur modifié qui a pour caractéristique d’être activé exclusivement par l’application d’une drogue exogène, laquelle peut être injectée par voie systémique. Quand la drogue active le récepteur, tous les neurones qui en sont pourvus sont inhibés, de façon transitoire. En utilisant des vecteurs viraux aux propriétés complémentaires, les chercheurs sont parvenus à faire exprimer ces récepteurs modifiés uniquement aux neurones corticaux qui établissent des projections vers le thalamus, ou bien au contraire uniquement aux neurones thalamiques qui innervent le cortex préfrontal (Figure).

En couplant ces approches avec des épreuves comportementales adaptées, l’équipe a pu établir que les deux voies (thalamocorticales et corticothalamiques) sont nécessaires pour fonder un choix sur la valeur courante de la récompense, mais que seule la voie thalamocorticale est prépondérante pour fonder également ce choix sur le lien causal entre l’action et son effet. Ainsi, les deux attributs principaux d’un comportement dirigé vers un but sont assurés de façon différentielle par les voies thalamocorticales et corticothalamiques.

Ces résultats indiquent clairement que l’architecture en boucle des circuits thalamocorticaux est essentielle pour une prise de décision adaptée. De plus, ils permettent d’établir que la direction de propagation de l’information est une caractéristique fonctionnelle importante des circuits thalamocorticaux. Appliquer la même stratégie d’intervention sur d’autres circuits pour éprouver la généralité de ces données semble une perspective prometteuse, particulièrement pour ce qui concerne les désordres mentaux qui sont conceptualisés comme des troubles de connectivité entre aires cérébrales comme c’est le cas de la schizophrénie par exemple.

Mathieu Wolff CR, CNRS, Institut de Neurosciences Cognitives et Intégratives d'Aquitaine (mathieu.wolff @ u-bordeaux.fr)
Dernière mise à jour le 06.04.2018