Le cerveau multidimensionnel

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Traitement sensoriel, neuromodulation et plasticité neuronale

Le thème de recherche de notre équipe concerne les processus neuronaux responsables du traitement de l’information sensorielle et de la perception, ainsi que leur régulation à court et à long terme par l’interaction avec l’environnement. Nous nous intéressons à la propagation et l’intégration de l’information neuronale dans le cortex somatosensoriel primaire et l’émergence des propriétés collectives en réponse à des stimulations spatialement distribuées sur la surface réceptrice. De même, nous étudions les capacités d’adaptation synaptique et fonctionnelle régis par des algorithmes de plasiticté Hebbiens ou non-Hebbiens.

Nous rajoutons à cette problématique l’étude du rôle de signaux portes ou de cofacteurs liés à l’attention et au comportement relayés par les systèmes neuromodulateurs ascendants, tels les systèmes cholinergique et noradrénergique.
Notre modèle d’étude est le cortex somatosensoriel (« barrel cortex » ou " cortex à tonneaux ") du rat qui présente de nombreux avantages pour la problématique abordée, en particulier la possibilité de réaliser des modifications subtiles des interactions sensori-sensorielles en agissant sur les vibrisses pendant l’enregistrement électrophysiologique extracellulaire unitaire ou intracellulaire. Ce système se prête également à l’enregistrement unitaire multiple (de plus d’une centaine de neurones) chez l’animal en comportement, permettant de déchiffrer les opérations neuronales qui lient l’entrée sensorielle à la sortie motrice.

Parmi nos observations récentes, nous avons mis en évidence une plasticité de la représentation corticales de certains paramètres temporels des stimuli tactiles dont l’expression est dépendante de la présence d’acetylcholine, un neuromédiateur impliqué dans la régulation de l’état d’attention de l’animal. Également, nous avons montré pour la première fois dans un cortex sensoriel de mammifère une plasticité synaptique régie par la contiguïté temporelle des entrés synaptiques et des potentiels d’action postsynaptiques. Finalement, le développement récent d’une matrice de stimulation tactile (figure) de 25 vibrisses nous a permis de mettre en évidence une intégration corticale de stimuli tactiles spatialement distribués . Ce résultat nous mène à reconsidérer l’organisation du système omatosensoriel chez le rat tel qu’il a été classiquement décrit depuis une trentaine d’années.

Spécifiquement, nous étudions le codage neuronal des patterns sensoriels complexes dans le cortex somatosensoriel primaire. Notre hypothèse de travail est double : d’une part, la réponse neuronale corticale étant contextuelle, elle différera selon que les stimuli font partie d’une séquence complexe dans le temps et l’espace ou qu’ils soient présentés isolément.

D’autre part, nous proposons que la statistique des contacts des vibrisses lorsque le rat explore des scènes tactiles naturelles devrait avoir un impact significatif sur le traitement cortical de l’information, le codage neuronal et la plasticité dans le cortex à tonneaux. Le facteur limitant pour sonder le système avec des entrées sensorielles "naturelles" dans une préparation in vivo contrôlée a été jusqu’à maintenant le développement d’outils de stimulations adaptés.

Grâce au développement très récent d’une matrice de stimulation (figure) de 25 vibrisses, nous étudions la réponse des neurones corticaux à la déflexion d’une grande partie des vibrisses faciales selon des patterns spatio-temporaux obtenus par analyse vidéographique chez l’animal éveillé ou par mesure laser chez l’animal anesthésié (figure ci-dessous), afin d’étudier l’influence du contexte spatio-temporel sur la réponse sensorielle corticale.

Un des enjeux majeurs en neurosciences est de comprendre les mécanismes de plasticité corticale qui interviennent pendant le développement épigenétique, l’apprentissage, et la mémorisation. L’étude de ces sujets est important non seulement pour l’avancement de nos connaissances fondamentales mais également pour les répercussions cliniques de ces recherches sur des préoccupations majeures de notre société comme le développement, l’apprentissage, la récupération sensorielle et motrice ou encore le déficit cognitif lié au vieillissement. Nous étudions les capacités d’adaptation synaptique et fonctionnelle régis par des algorithmes de plasiticté Hebbiens ou non-Hebbiens. Finalement, nous rajoutons à cette problématique l’étude du rôle de signaux portes ou de cofacteurs liés à l’attention et au comportement relayés par les systèmes neuromodulateurs ascendants, tels les systèmes cholinergique et noradrénergique.

Notre modèle d’étude est le cortex somatosensoriel (« barrel cortex » ou "cortex à tonneaux") du rat qui présente de nombreux avantages pour la problématique abordée, en particulier la possibilité de réaliser des modifications subtiles des interactions sensori-sensorielles en agissant sur les vibrisses pendant l’enregistrement électrophysiologique extracellulaire unitaire ou intracellulaire. Ce système se prête également à l’enregistrement unitaire multiple (de plus d’une centaine de neurones) chez l’animal en comportement, permettant de déchiffrer les opérations neuronales qui lient l’entrée sensorielle à la sortie motrice.

Parmi nos observations récentes, nous avons mis en évidence une plasticité de la représentation corticale de certains paramètres temporels des stimuli tactiles dont l’expression est dépendante de la présence d’acetylcholine, un neuromédiateur impliqué dans la régulation de l’état d’attention de l’animal. Egalement, nous avons montré pour la première fois dans un cortex sensoriel de mammifère une plasticité synaptique régie par la contiguïté temporelle des entrés synaptiques et des potentiels d’action postsynaptiques.

Finalement, le développement récent d’une matrice de stimulation tactile (voir première figure) de 25 vibrisses nous a permis de mettre en évidence une intégration corticale de stimuli tactiles spatialement distribués . Ce résultat nous mène à reconsidérer l’organisation du système somatosensoriel chez le rat tel qu’il a été classiquement décrit depuis une trentaine d’années.

Publications Choisies

- Luc Estebanez, Sami El Boustani, Alain Destexhe and Daniel Shulz, Correlated input reveals coexisting coding schemes in a sensory cortex, Nature Neuroscience 15 No12 : 1691-1699, (2012) [pdf]

- Vincent Jacob, Julie Le Cam, Valerie Ego-Stengel and Daniel Shulz, Emergent Properties of Tactile Scenes Selectively Activate Barrel Cortex Neurons, Neuron 60 : 1112-1125, (2008) [pdf] [abstract]

- Valerie Ego-Stengel, Julie Le Cam and Daniel Shulz, Coding of apparent motion in the thalamic nucleus of the rat vibrissal somatosensory system, The Journal of Neuroscience 32 : 3339-3351, (2012) [pdf]

- Vincent Jacob, Daniel J. Brasier, Irina Erchova, Daniel E. Feldman and Daniel Shulz, Spike timing-dependent synaptic depression in the in vivo barrel cortex of the rat, J Neurosci 27 : 1271-84, (2007) [pdf] [abstract]

- Vincent Jacob, Luc Estebanez, Julie Le Cam, Jean Yves Tiercelin, Patrick Parra, Gérard Parésys and Daniel Shulz, The Matrix : a new tool for probing the whisker-to-barrel system with natural stimuli, J Neurosci Methods 189 : 65-74, (2010) [pdf] [abstract]

 

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