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Posté par Isabelle le Lundi 31/07/2017 à 00:00
Un microcircuit cortical pour mieux s'orienter
Impliqué dans la cognition spatiale, le presubiculum contient des neurones dont l'activité dépend de la direction de la tête. C'est une véritable boussole dont le fonctionnement reste peu connu. L'équipe de Desdemona Fricker au Centre de neurophysique, physiologie, pathologies révèle chez la souris (Le terme souris est un nom vernaculaire ambigu qui peut désigner, pour les francophones, avant tout l’espèce commune Mus musculus, connue aussi comme...) comment les communications synaptiques entre neurones excitateurs et inhibiteurs permettrait de contrôler la précision du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets...) au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des...) du presubiculum. Cette étude a été publiée le 20 juillet 2017 dans la revue Nature Communications.


Figure: La décharge persistante à haute fréquence de la cellule pyramidale recrute une cellule de Martinotti. A. Morphologie d’une cellule pyramidale (PC, dendrite en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan à une teinte...) et axone (Un axone ou fibre nerveuse est le prolongement long, mince et cylindrique d'un neurone qui conduit les impulsions électriques en dehors du corps cellulaire. Les axones sont effectivement les principales lignes de transmission...) en orange) et d’une cellule de Martinotti (MC, dendrite en vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un récepteur, appelé...) et axone en rouge) interconnectées. Les lignes discontinues et les nombres indiquent la position des différentes couches corticales du présubiculum (6 en tout). B. Diagramme de phase (Un diagramme de phase est une expression utilisée en thermodynamique (voir Phase) ; elle indique une représentation graphique,...) d’un neurone (Un neurone, ou cellule nerveuse, est une cellule excitable constituant l'unité fonctionnelle de base du système nerveux. Le terme de « neurone » fut introduit dans le vocabulaire...) qui signale la direction de la tête, enregistré in vivo (In vivo (en latin : « au sein du vivant ») est une expression latine qualifiant des recherches ou des examens pratiqués sur un organisme vivant, par opposition à in vitro ou ex vivo....). Toutes les directions sont représentées sur le cadrant circulaire, l’axe radial représente la fréquence de décharge du neurone, qui augmente seulement quand la tête est dirigée vers le coin inférieur gauche de l’environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme...). Une cellule pyramidale enregistrée en tranche via la technique de patch (Le mot patch est un anglicisme qui à l'origine désigne un morceau de tissu. Il est également employé pour parler d'une rustine de chambre à air. En...) clamp (tracé bleu) a été stimulée en utilisant le patron de décharge de la cellule de direction de la tête, c’est-à-dire la séquence temporelle précise des potentiels d’action (PA). Une cellule de Martinotti (traces vertes) reçoit les informations de la cellule pyramidale et y répond préférentiellement à la fin d’une série de potentiels d’actions à haute fréquence. En haut, l’enregistrement montre des courants postsynaptiques excitateurs (EPSCs). En bas, les tracés montrent la décharge de potentiels d’actions (PA).
© Desdemona Fricker. License Creative Commons.

Pour représenter notre environnement et nous y projeter, notre cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la...) combine notre perception du monde (Le mot monde peut désigner :) extérieur et des informations internes, notamment celle du système vestibulaire à la base de notre sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...) de l'équilibre. Les informations vestibulaires (accélération) permettent de générer, dans le tronc (Un tronc peut être :) cérébral et l'hypothalamus, des informations directionnelles codées par des neurones appelés « cellules de direction de la tête ». Une cellule de direction de la tête s'active - c'est à dire qu'elle émet des potentiels d'action - seulement quand la tête est tournée dans une direction donnée. Plus précisément, chaque cellule encode une gamme restreinte et continue de directions, et l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) des cellules de direction de la tête permet de représenter toutes les directions. L'information est ensuite transmise au thalamus antérieur, puis à une région corticale du lobe temporal, le présubiculum, dont la moitié des neurones sont des cellules de direction de la tête.

Au sein du présubiculum, des informations visuelles sont combinées au signal et permettent d'ancrer l'activité des neurones, c'est-à-dire qu'une cellule de direction de la tête donnée indique toujours la même direction. En l'absence de repères visuels, les cellules perdent cet ancrage, ce qui pourrait expliquer pourquoi notre cap est rapidement erroné quand on se déplace dans le noir. De plus, le présubiculum raffine le signal, c'est à dire que chaque cellule de direction de la tête s'active pour une gamme de directions beaucoup plus restreinte que dans le thalamus. Ces processus sont très probablement liés au fonctionnement intrinsèque du présubiculum qui reste très peu connu à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son...).

Les chercheurs montrent comment, dans le présubiculum, un circuit de neurones spécialisé peut soutenir les signaux de direction de tête. Ce réseau, formé par des cellules pyramidales excitatrices et des cellules de Martinotti inhibitrices, a été étudié au moyen d'enregistrements en patch-clamp sur tranches de présubiculum ex vivo couplés à des outils optogénétiques et à de la modélisation.

Les chercheurs ont d'abord établi que le signal directionnel du thalamus antérieur cible les cellules pyramidales, mais pas les cellules de Martinotti. Au sein du présubiculum, ces deux types de neurones sont fortement interconnectés. La synapse excitatrice formée par la cellule pyramidale sur la cellule de Martinotti est facilitatrice, c'est-à-dire qu'elle a besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes...) d'être stimulée intensément pour libérer des neurotransmetteurs et communiquer l'information. Seules les décharges à haute fréquence, survenant in vivo quand une même direction est maintenue, recruteraient les cellules de Martinotti générant alors un rétrocontrôle inhibiteur. Les résultats montrent ensuite que ce rétrocontrôle inhiberait moins la cellule pyramidale initiant la décharge de la cellule de Martinotti que les cellules voisines. En théorie, les décharges persistantes d'une cellule de direction de la tête exerceraient donc une inhibition, via les cellules de Martinotti, préférentiellement sur les neurones qui ne codent pas la direction de la tête maintenue. Pour tester si ces interactions synaptiques supporteraient le codage (De façon générale un codage permet de passer d'une représentation des données vers une autre.) de l'information directionnelle, un réseau de neurones a été modélisé à partir des données de l'étude. Les simulations ont montré qu'un tel réseau permettrait en effet de générer une activité cohérente au sein d'une population de cellules de direction de la tête.

Selon Jean Simonnet, ancien doctorant (Un doctorant est un chercheur débutant s'engageant, sous la supervision d'un directeur de thèse, dans un projet de recherche sur une durée variable selon les pays et les statuts, comprenant la rédaction...), premier auteur de l'étude « Cette étude originale tente de tisser un lien entre les éléments synaptiques et l'activité corticale liée au comportement et, par conséquent, apporte des éléments nouveaux pour la compréhension des microcircuits neuronaux de la cognition spatiale. Les interprétations quant au rôle du microcircuit dans le contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu traditionnellement de...) de l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points...) doivent maintenant être vérifiées expérimentalement in vivo. »

Pour plus d'information voir:
Activity dependent feedback inhibition may maintain head direction signals in mouse presubiculum
Jean Simonnet, Mérie Nassar, Federico Stella, Ivan Cohen, Bertrand Mathon, Charlotte N. Boccara, Richard Miles & Desdemona Fricker.
Nature Communications. Nature Communications 8, Article number: 16032 (2017) doi:10.1038/ncomms16032. Published online: 20 July 2017.

Contact chercheur:
Desdemona Fricker
Centre de Neurophysique, Physiologie, Pathologies
CNRS UMR 8119 - Université Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien,...) Descartes
45 rue (La rue est un espace de circulation dans la ville qui dessert les logements et les lieux d'activité économique. Elle met en relation et structure les différents quartiers, s'inscrivant de ce fait dans un réseau de voies à...) des Saint-Pères
75006 Paris

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Source: CNRS-INSB