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114 | 2015
Annuaire du Collège de France 2013-2014
Résumé des cours et travaux 114e année
VII. Équipes accueillies

Mémoire spatiale et navigation

CIRB
Michaël Zugaro
p. 1037-1040

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Texte intégral

   

Responsable : Michaël Zugaro

Équipe : Michaël Zugaro, Sidney Wiener, Chantal Milleret, Susan Sara, Anne Cei, Laurent Dollé, Céline Drieu, Hongying Gao, Nicolas Maingret, Virginie Oberto, Marco Pompili, Liyang Xiang, Ralitsa Todorova.

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1Des enregistrements électrophysiologiques de neurones de l’hippocampe effectués chez le rat libre de ses mouvements ont montré que les « cellules de lieu » sont actives (c’est-à-dire émettent des potentiels d’action) lorsque l’animal se trouve dans un endroit spécifique de l’environnement appelé « champ d’activité ». Lorsqu’un rat traverse successivement plusieurs champs d’activité, les cellules de lieu correspondantes sont alors activées en séquence, dans un ordre correspondant à la trajectoire du rat. Cependant, de façon surprenante, l’ordre dans lequel les cellules déchargent est également maintenu à une échelle de temps beaucoup plus courte, de l’ordre de 100 ms, ce qui correspond à un cycle de l’oscillation thêta (7-8 Hz) enregistrée dans l’hippocampe lorsque le rat explore son environnement. Ces séquences thêta de cellules de lieu reflètent donc la trajectoire en cours du rat à une échelle de temps très compressée, compatible avec des processus de plasticité synaptique (c’est-à-dire de changements au niveau des connexions entre les neurones d’une même séquence), ce qui pourrait sous-tendre le codage initial de la trajectoire effectuée par le rat et la formation d’une trace mnésique de cette information dans l’hippocampe.

Mécanisme d’émergence de représentations hippocampiques des trajectoires

2Nous avons testé les effets d’un déplacement atypique de l’animal en marche arrière sur la formation des séquences thêta. L’activité des neurones est enregistrée lorsque les rats courent sur un tapis roulant miniature situé dans le wagon d’un train électrique pouvant déplacer les animaux vers l’avant ou vers l’arrière. Nous avons montré qu’en marche arrière les mêmes cellules de lieu s’activent, mais dans un ordre inverse, qui reflète la direction de déplacement de l’animal. L’inversion des séquences n’est pas accompagnée d’un changement d’activité des cellules « de direction de la tête » du cortex entorhinal, principale structure d’entrée de l’hippocampe. Ces cellules déchargent lorsque la tête de l’animal est orientée dans une direction spécifique de l’environnement, et nos résultats indiquent qu’elles conservent leur direction préférée indépendamment de la direction de déplacement de l’animal. En résumé, l’ensemble de nos résultats remettent en cause le cadre théorique proposé pour rendre compte de l’émergence des séquences thêta, et renforce l’hypothèse que l’hippocampe a la capacité d’adapter son activité dynamiquement, et de façon interne pour rendre compte de l’expérience de l’animal.

Contrôle homéostatique des événements de réactivation de représentations de trajectoires lors du sommeil

3Pendant le sommeil, les séquences d’assemblées cellulaires hippocampiques observées au cours de l’éveil sont rejouées à plusieurs reprises comme si le rat rêvait de ses déplacements dans son environnement. Ces réactivations répétitives des séquences refléteraient le renforcement des connexions entre ces cellules permettant la stabilisation ou la consolidation des traces mnésiques à long terme. Ces réactivations se produisent notamment lors de patterns d’activité hippocampique transitoires appelés « sharp-wave-ripples » (SPW-R), dont le rôle causal dans la consolidation de la mémoire a été montré par notre étude récente (Girardeau et al., 2009). Dans cette étude, la suppression sélective des SPW-R lors du sommeil qui suit une tâche de mémoire spatiale dépendant de l’hippocampe conduit à des déficits de performance comparables à ceux trouvés après une lésion de l’hippocampe. Parallèlement, plusieurs études ont montré que l’occurrence des SPW-R est augmentée suite à l’apprentissage d’une tâche de mémoire, puis diminue dans la première heure suivant la tâche – ce qui suggère l’existence de mécanismes de régulation des SPW-R par l’apprentissage lui-même. Pour le démontrer, nous avons comparé l’effet de la suppression des SPW-R pendant le sommeil, soit après le repos du rat dans sa cage, soit après l’exploration d’un environnement familier, soit encore après l’apprentissage d’une tâche de mémoire spatiale. Les résultats montrent que les processus plastiques survenant spécifiquement lors de l’apprentissage (mais pas pendant une simple exploration) sont responsables de la mise en place d’une régulation dynamique des SPW-R (rebond homéostatique) et que ce phénomène est annulé par l’injection d’un antagoniste des récepteurs NMDA – ces derniers étant connus pour jouer un rôle dans les processus de plasticité synaptique. Ces résultats s’inscrivent donc dans un large champ d’observations montrant l’importance de la formation et de la consolidation des séquences d’assemblées cellulaires de l’hippocampe dans les phénomènes de mémoire. Récemment, il a été montré que ces séquences peuvent aussi refléter des corrélats non spatiaux, ce qui renforce l’idée que des mécanismes similaires sous-tendent la mémoire épisodique chez l’homme.

Étude fonctionnelle du codage prédictif des cellules de lieu hippocampiques

4Les cellules de lieu hippocampiques codent la position de l’animal dans l’environnement, mais leurs réponses peuvent être modulées par la trajectoire passée ou future de l’animal. Deux théories pourraient rendre compte de cette dernière propriété. Pour la théorie des « cartes multiples », l’hippocampe alternerait entre différentes cartes de l’environnement selon la trajectoire. Pour la théorie de la « mémoire tampon », l’hippocampe ne coderait pas seulement une position instantanée, mais une trajectoire incluant les choix passés et futurs.

5Nous avons confronté ces deux hypothèses en examinant la distribution des réponses prospectives et rétrospectives dans un labyrinthe en T continu, au cours d’une tâche de discrimination visuelle. Alors que la théorie des cartes multiples prédit une distribution uniforme des réponses prospectives et rétrospectives, la théorie de la mémoire tampon prédit au contraire une surexpression (limitée dans le temps) autour des points de décision : davantage de réponses rétrospectives à l’entrée du bras central, mais davantage de réponses prospectives à sa sortie.

6Nos résultats montrent que les réponses rétrospectives sont deux fois plus nombreuses que les réponses prospectives, et que leurs distributions respectives ne sont pas homogènes : la plupart des réponses rétrospectives se situent dans les deux premiers tiers du bras central, et les réponses prospectives dans le dernier tiers. Nous avons analysé les réorganisations de la carte hippocampique au fil des essais, en comparant des données recueillies dans la première et la seconde moitié des séances d’enregistrement. Nous avons constaté que seules les réponses rétrospectives évoluaient au fil du temps : elles « reculaient » dans le bras central. Nos résultats sont donc compatibles avec le modèle de la mémoire tampon. Les réponses prospectives et rétrospectives relèveraient d’une seule et même représentation hippocampique du contexte spatial et comportemental.

Handicap visuel et plasticité corticale

(Chantal Milleret, Sarah Cattan ; en collaboration avec Stéphane Molochnikoff)

7La scène visuelle comprend des objets de différentes orientations (horizontales, verticales…). Lors de la perception visuelle, chez le mammifère supérieur, chacune de ces orientations est codée par une population spécifique de neurones distribués de façon discontinue dans tout le cortex visuel primaire, sous forme de colonnes. On peut visualiser chez l’animal la partie supérieure de l’ensemble de ces colonnes de neurones à partir de la surface corticale en utilisant la technique d’imagerie optique. On visualise ainsi ce que l’on appelle les « cartes neurones corticales d’orientation ».

8Dans certaines situations, une orientation particulière peut apparaître temporairement plus fréquemment dans la scène visuelle. Par exemple, nous sommes dans le train et l’on voit les arbres défiler. Nous avons cherché à savoir ici si une telle répétition a une influence sur l’organisation des cartes d’orientation présentes au niveau du cortex visuel primaire. En d’autres termes, nous avons essayé de savoir plus généralement si le cortex visuel « s’adapte » à cette nouvelle situation perceptive. En utilisant la technique d’imagerie optique chez l’animal anesthésié, nous avons trouvé que c’est effectivement le cas. Les caractéristiques des cartes d’orientation (et donc des neurones corticaux eux-mêmes) peuvent changer drastiquement, en quelques minutes (3 à 12 min), après la présentation d’une orientation donnée (par exemple verticale) de façon répétitive. Certaines colonnes de neurones au sein de la carte corticale, qui ne codaient pas pour cette orientation « adaptante », se mettent à la coder (effet « attractif ») ; inversement, certaines autres colonnes de neurones qui codaient pour l’orientation « adaptante » se mettent à ne plus coder cette orientation (effet « répulsif »). Nous démontrons ainsi que notre système visuel « s’adapte » en permanence à notre environnement en modifiant les propriétés fonctionnelles de neurones visuels corticaux.

Publications

9Arleo A., Déjean C., Allegraud P., Khamassi M., Zugaro M.B. et Wiener S.I., « Optic flow stimuli update anterodorsal thalamus head direction neuronal activity in rats », The Journal of neuroscience: the official journal of the Society for Neuroscience, 2013, 33(42), 16790-16795, DOI : 10.1523/JNEUROSCI.2698-13.2013.

Bui Quoc E. et Milleret C., « Origins of strabismus and loss of binocular vision », Frontiers in Integrative Neuroscience, 8, 2014, 71, DOI : 10.3389/fnint.2014.00071.

Cattan S., Bachatene L., Bharmauria V., Jeyabalaratnam J., Milleret C. et Molotchnikoff S., « Comparative analysis of orientation maps in areas 17 and 18 of the cat primary visual cortex following adaptation », The European Journal of Neuroscience, 2014, DOI : 10.1111/ejn.12616.

Cei A., Girardeau G., Drieu C., Kanbi K.E. et Zugaro M., « Reversed theta sequences of hippocampal cell assemblies during backward travel », Nature Neuroscience, 2014, 17(5), 719-724, DOI : 10.1038/nn.3698.

Doucet E.L., Bobadilla A.-C., Houades V., Lanteri C., Godeheu G., Lanfumey L., Sara S.J. et Tassin J.-P., « Sustained impairment of α2A-adrenergic autoreceptor signaling mediates neurochemical and behavioral sensitization to amphetamine », Biological Psychiatry, 2013, 74(2), 90-98, DOI : 10.1016/j.biopsych.2012.11.029.

Girardeau G., Cei A. et Zugaro M., « Learning-induced plasticity regulates hippocampal sharp wave-ripple drive », The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience, 9 avril 2014, 34(15), 5176-5183, DOI : 10.1523/JNEUROSCI.4288-13.2014.

Ribot J., Aushana Y., Bui-Quoc E. et Milleret C., « Organization and origin of spatial frequency maps in cat visual cortex », The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience, 33(33), 2013, 13326-13343, DOI : 10.1523/JNEUROSCI.4040-12.2013.

Wiener-Vacher S.R., Hamilton D.A. et Wiener S.I., « Vestibular activity and cognitive development in children: perspectives », Frontiers in Integrative Neuroscience, 7, 2013, 92, DOI : 10.3389/fnint.2013.00092.

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Pour citer cet article

Référence papier

Annuaire du Collège de France 2013-2014. Résumé des cours et travaux 114e année, Paris, Collège de France, juillet 2015, p. 1037-1040. ISBN 978-2-7226-0414-8

Référence électronique

Michaël Zugaro, « Mémoire spatiale et navigation », L’annuaire du Collège de France [En ligne], 114 | 2015, mis en ligne le 23 mai 2016, consulté le 26 avril 2017. URL : http://annuaire-cdf.revues.org/12077

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Droits d’auteur

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