Le cerveau multidimensionnel

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Etude des interactions multi-vibrissales dans le cortex somatosensoriel du rat adulte

Ego-Stengel, V., Mello e Souza, T., Jacob, V. and Shulz, D.E. (2005) Spatiotemporal characteristics of neuronal sensory integration in the barrel cortex of the rat. J Neurophysiol. 93:1450-1467.

Les études intracellulaires récentes démontrant une convergence de l’information à partir de plusieurs vibrisses sur le neurone cortical ont été faites en stimulant une à la fois les vibrisses principale et adjacente. Cependant, lors de l’exploration de son environnement, les rats contactent les objets avec des multiples vibrisses dans un "pattern" spatio-temporel complexe (Carvel and Simons, 1990). Tout comme dans le cortex auditif (forward masking, Brosch and Schreiner 1997, 1999), la réponse neuronale à un stimulus présenté dans une séquence rapide diffère souvent de la réponse à la présentation de ce même stimulus isolément. Nous avons étudié avec Valérie Ego-Stengel, Vincent Jacob et Tadeu Mello e Souza des phénomènes d’interactions corticales et leur possible non-linéarité induites par des stimulations combinées de deux vibrisses voisines. Ce type de stimulation mime les interactions temporelles fines qui ont lieu quant un même objet est contacté par plusieurs vibrisses lorsque l’animal explore son environnement en balayant ses vibrisses avec un mouvement oscillatoire à basse fréquence.

Outre les effets suppressifs majoritaires, nous avons montré une anisotropie dans les interactions supra-linéaires car, contrairement à ce que nous laisse supposer l’asymétrie de la connectivité latérale corticale favorisant les liens au travers des rangées de vibrisses, la plupart des facilitations ont été observées le long d’un arc lors de stimulations dorso-ventrales.


Etude des propriétés multivibrissales collectives des neurones du cortex a tonneaux

La description du système des vibrisses-cortex à tonneaux a été classiquement réalisée avec des stimuli ponctuels délivrés sur une ou quelques vibrisses à la fois. Afin de délivrer de manière contrôlée des stimuli tactiles complexes, mimant des scènes tactiles naturelles, nous avons développé une matrice de stimulation composée de 25 stimulateurs piézoélectriques indépendants adaptés aux 5 arcs et 5 rangées des vibrisses faciales. Le stimulateur a été utilisé pour construire des champs récepteurs spatio-temporaux (STRF, voir figure ci-dessous) en utilisant des stimulations éparses ("sparse noise") et des techniques modifiées de corrélation inverse (voir Bringuier et al, 1999).

Ces STRFs sont des bonnes approximations des CRs linéaires et de leur topographie. La plupart des cellules montrent des STRFs multivibrissaux (figure ci-dessous).

Nous avons ensuite testé des scènes tactiles composées des séquences de stimulation localement invariantes (deflexions rostrocaudales) mais qui diffèrent dans leur pattern spatial multivibrissal. Ces patterns correspondraient à une vague de contacts qui seraient générés par une barre se déplaçant à vitesse constante dans 8 directions différentes sur les vibrisses. Des courbes d’accord ont été calculées sur la composante multivibrissale du mouvement. Nous avons observé des cas clairs d’anisotropie directionnelle (figure ci-dessous) suggérant un effet contextuel ou propriété collective du système, médié probablement par des connexions cortic-corticales latérales.

Ce dernier résultat indique que, contrairement à la vision classique linéaire de l’organisation du système vibrisse-cortex à tonneaux, le cortex semble intégrer simultanément l’information tactile sur la totalité de la matrice mystaciale des vibrisses assurant ainsi l’implémentation d’une analyse contextuelle de l’information tactile.


Neuromodulation cholinergique de la plasticité sensorielle induite par des analogues cellulaires de l’apprentissage

Shulz, D.E. Sosnik, R, .Ego, V. Haidarliu, S. and Ahissar E. (2000) A neuronal analogue of state dependent learning. Nature 403:549-553.

Ego-Stengel, V., Shulz, D.E., Sosnik, R., Haidarliu, S. and Ahissar, E. (2001) Acetylcholine-dependent Induction and expression of functional plasticity in the somatosensory cortex of the adult rat. J. Neurophysiol. 86 : 422-437.

Shulz, D.E.,. Ego-Stengel, V., and Ahissar, E, (2003) Activity dependence of an acetylcholine-dependent functional plasticity in the somatosensory cortex of the rat. J Physiol (Paris) 97:431-439.

Les propriétés fonctionnelles des neurones sensoriels corticaux peuvent être modifiées pendant une période critique du développement et durant certaines phases de l’apprentissage chez l’adulte (revue dans Frégnac et Shulz, 1994). Dans le cortex visuel, ces changements fonctionnels observés au cours du développement sont à la fois dépendants de l’activité afférente et de l’activité corticale et régulés par des signaux extra-rétiniens (revue dans Frégnac et Shulz, 1989). Ces signaux de contrôle ont pour origine divers systèmes neuromodulateurs comme les voies noradrénergiques et cholinergiques ascendantes (Kasamatsu et Pettigrew, 1976, Bear et Singer, 1986). Chez l’adulte, l’implication des mêmes systèmes neuromodulateurs dans l’apprentissage associatif comme facteurs liés à l’attention, le renforcement ou l’éveil a été proposée sur la base de nombreuses données physiologiques et comportementales (revue dans Aston-Jones, 1985). Cependant, la nature précise de l’information véhiculée par ces facteurs ainsi que les mécanismes cellulaires de leur action sont encore mal connus.
Nous avons mis en évidence une nouvelle forme de plasticité dépendante de l’acétylcholine (ACh) dans le cortex à tonneaux du rat. Des propriétés fonctionnelles des neurones somatosensoriels peuvent être modifiées suite à des appariements sensori-cholinergiques à condition de tester le système dans le même état physiologique que lors de l’induction de la plasticité.


Spike-timing dependent plasticity (STDP) dans le cortex somatosensoriel du rat

Jacob V., Brasier, D.J., Erchova, I., Feldman, D.E. and Shulz, D.E. (2007) Spike-timing dependent synaptic depression in the in vivo barrel cortex of the rat. J. Neuroscience 27:1271-1284.

Le pattern de stimulation des vibrisses, comme celui que nous avons exploré ici, peut générer des conditions propices à l’induction d’une plasticité fonctionnelle (voir Celikel et al., 2004). Dans le cas des expériences de stimulation de quatre vibrisses en série, on peut supposer que sous certaines conditions la stimulation peut induire des potentialisations ou des dépressions des réponses. La potentiation et la dépression à long terme sont des mécanismes de plasticité synaptique bien étudiés et que l’on pense contribuent à l’apprentissage et au développement neuronal (Bliss and Collingridge 1993, Katz and Shatz 1996). Des études récentes in vitro ont démontré que la potentialisation et la dépression à long terme peuvent être induites par de décalages de quelques millisecondes dans le timing des potentiels d’action pré- et post-synaptiques. (Debanne et al. 1997 ; Markram et al. 1997 ; Bi and Poo 1998 ; Egger et al. 1999 ; Feldman 2000 ; Nishiyama et al. 2000 ; Sjostrom et al. 2001 ; Froemke and Dan 2002 ; Sjostrom and Nelson 2002). Cette plasticité dépendante du temps d’occurrence précis des potentiels d’action (STDP) a été proposée comme mécanisme à la base de l’apprentissage et du développement activité-dépendant in vivo (Feldman 2000 ; Yao and Dan 2001). Avec Vincent Jacob, nous avons développé un protocole d’appariement rétrograde permettant de tester l’induction d’une plasticité de type STDP-LTD dans le cortex à tonneaux in vivo. Afin d’étudier par des enregistrements intracellulaires in vivo ce type de plasticité dépendante du temps d’occurrence des potentiels d’action, nous avons établi une collaboration avec le Professeur Dan Feldman à l’Université de Californie à San Diego. Nos recherches montrent qu’une plasticité des réponses supraliminaire et synaptiques de type STDP peuvent être induites in vivo. La fenêtre temporelle entre évènements pré- et post-synaptiques (figure ci-dessous) (-17 à -33 ms) est sensiblement plus courte que in vitro (50-100 ms, Feldman, 2000).


Le système vibrisse/cortex à tonneaux chez le rat

Les rongeurs, et en particulier le rat, explorent leurs environnement à l’aide de mouvements oscillatoires de protraction et de rétraction des vibrisses situées de part et d’autre du museau permettant à l’animal d’explorer tactilement les objets proches du museau (Gao et al., 2001). Lors de cette exploration, le rat reçoit des informations en provenance des vibrisses suite au contact de celles-ci avec les obstacles ou objets environnants. Ceci lui permet de déterminer sa position par rapport à ces objets et d’obtenir des informations sur leur forme et texture.

Parallèlement à l’importance comportementale de ce système, un large volume cortical est dédié à la représentation des informations sensorielles en provenance des vibrisses. Spécifiquement, la région postéro-médiane du cortex somatosensoriel primaire (l’aire corticale qui reçoit l’information sensorielle en provenance des vibrisses faciales), appelé aussi cortex à tonneaux ("barrel cortex", figure ci-dessous) contient une carte somatotopique des vibrisses telle qu’à chaque vibrisse correspond une unité cytoarchitectonique distincte dans la couche IV (Woolsey & Van der Loos, 1970). Ainsi, il existe une matrice de tonneaux dans le cortex correspondant à la matrice mystaciale périphérique (Killackey et al., 1979, Simons, 1985).

De ce fait, le cortex à tonneaux a été classiquement considéré comme une juxtaposition de colonnes anatomo-fonctionnelles indépendantes. Des études électrophysiologiques intracellulaires récentes dans plusieurs laboratoires américains (Moore and Nelson, 1998, Zhu and Connors, 1999) ainsi que dans le nôtre (Erchova et al, données non publiées, figure ci-dessous) et des études établissant de cartes d’activation corticale à l’aide d’enregistrements multi-sites simultanés (Petersen and Diamond, 2000, Mirabella et al., 2001) ont montré cependant que l’information convergente sur un neurone cortical est, comme dans le système visuel (Bringuier et al., 1999) très étendue, provenant de plusieurs vibrisses au-delà du centre du champ récepteur.

Cette étendue spatio-temporelle du champ récepteur sousliminaire suggère que le cortex à tonneaux contient un réseau dynamique de connexions latérales, fournissant un substrat potentiel pour des interaction temporelles complexes telles que la modulation contexte-dépendante des champs récepteurs dans une échelle de temps de la milliseconde à la seconde ou pour la plasticité induite par apprentissage sur des échelles de temps de la minute ou plus. Ces aspects des interactions temporelles multivibrissales sont abordés dans notre équipe.


Etude des réponses neuronales à des séquences temporelles de stimulation multivibrissales

La réponse neuronale à des stimuli faisant partie d’une séquence temporellement complexe est différente de la réponse à des stimuli présentés seuls. Ce programme expérimental inclut l’étude extracellulaire et intracellulaire in vivo des interactions suppressives et facilitatrices lors de la présentation de séquences complexes de stimulation de quatre vibrisses. La structure temporelle de la stimulation est inspirée des contacts multiples d’un objet par plusieurs vibrisses au cours d’une exploration naturelle (whisking).
Nous proposons d’étudier la tolérance des réponses neuronales aux déformations spatio-temporelles (accélération et décélération, stimuli manquants, séquences inversées) de la séquence initiale. Dans un premier temps, en utilisant des protocoles de stimuli manquants ("omitted stimuli") nous avons cherché à mettre en évidence l’existence des neurones capables de refléter dans leur activité sousliminaire la présence de vagues d’activation corticales véhiculant une forme de signal d’attente ("expectancy") lors de stimulations répétées de mêmes vibrisses à une cadence fixe générant une forte prédictibilité temporelle. Nous avons observé des changements du niveau des réponses au moment où la stimulation de la vibrisse principale aurait dû intervenir indiquant la possibilité qu’un signal d’attente ait été généré par le système lors d’une stimulation répétée avec une forte prédictibilité temporelle. Ce type de réponse suggère que dès les étages corticaux primaires, la réponse neuronale n’est pas seulement corrélée à l’entrée sensorielle, mais qu’elle est revêtue d’une signification cognitive dont l’origine est probablement de type "top-down".

 

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