Étude des mécanismes moléculaires et cellulaires de la mémorisation à long terme chez l'abeille : voies de signalisation impliquées et réorganisation des circuits neuronaux

Study of the molecular and cellular mechanisms of long term memory formation : signalling pathways involved and remodelling of neuronal circuitry

• Auteur / Autrice : Damien Lefer
• Direction : Jean-Marc Devaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences, comportement et cognition
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux neuronaux (physiologie)

Mémoire à long terme

Comportement animal

Abeilles

Mots clés libres

Plasticité structurale

Mémoire à long terme

Abeille

Creb

Transcription

Consolidation

Conditionnement appétitif olfactif

Résumé

La formation de la mémoire repose sur la modification des connexions neuronales, définissant ainsi une '' trace nmésique ''. En particulier, alors qu'un apprentissage intense ou répété peut conduire à la formation d'une mémoire à long terme (MLT), après une période de consolidation, lors de laquelle la trace mnésique passe d'un état labile à un état stable. L'étude des mécanismes moléculaires de la consolidation dans différents paradigmes d'apprentissage a montré que ceux-ci sont fortement conservés entre les espèces. La consolidation dépend de la synthèse protéique (transcription et traduction), ainsi que de cascades de signalisation spécifiques comme la signalisation basée sur l'activation du facteur de transcription CREB (cAMP responses element binding protein). Nous nous sommes intéressés aux bases moléculaires et cellulaires de la consolidation d'une mémoire olfactive associative chez l'abeille domestique (Apis mellifera). Pour cela, nous avons utilisé le paradigme du conditionnement du réflexe d'extension du proboscis (REP), qui permet chez cette espèce modèle l'apprentissage et la mémorisation d'une association entre une odeur et une récompense sucrée. Notre étude porte plus précisément sur les voies de signalisation et les processus de réorganisation structurale du réseau neuronal associés à la formation de la forme la plus stable de la MLT, dépendante de la transcription : la mémoire à long terme tardive (MLT-t). Les objectifs étaient (i) de préciser les caractéristiques et les mécanismes moléculaires impliqués dans la formation de cette MLT-t et (ii) d'étudier l'implication de ces mécanismes dans la réorganisation structurale de la voie olfactive de l'abeille, associée à la formation de cette MLT-t. En focalisant notre analyse sur la part de mémoire spécifique à l'association odeursucre, nous avons montré tout d'abord que la MLT-t est induite spécifiquement par un conditionnement en plusieurs essais suffisamment espacés dans le temps, et qu'elle requiert deux vagues successives de transcription, précoce et tardive. Nous avons alors fait l'hypothèse que la vague précoce de transcription était induite, au moins en partie, par l'action de la protéine CREB. Nous avons donc évalué les conséquences de l'inhibition de CREB sur la MLT-t : nos données suggèrent que ce facteur de transcription pourrait jouer un rôle, non exclusif et apparemment localisé aux lobes antennaires (premier relais de la voie olfactive), dans la consolidation, de la MLT-t. Nous avons également mis à jour une modulation de la MLT-t par une voie de signalisation impliquant sans doute l'arginine, dont les substrats moléculaires précis restent à identifier. Par la suite, nous avons étudié l'implication éventuelle de la signalisation par le monoxyde d'azote et le calcium, dans l'établissement des modifications neurales associées à cette forme de mémoire. En effet, ces deux voies de signalisation ont été identifiées précédemment comme étant importantes pour la mémorisation à long terme. Nous avons donc cherché à mettre en évidence des modifications de changements structuraux associés à la MLT-t après perturbation de l'une ou l'autre voie (par traitement pharmacologique). Nous nous sommes intéressés pour cela à des changements de volume et de densité des unités neuropilaires fonctionnelles de la voie olfactive, respectivement les glomérules des lobes antennaires et les microglomérules des corps pédonculés. Si le manque de reproductibilité des données nous a empêché de conclure quant à l'implication du monoxyde d'azote, en revanche nos résultats indiquent une implication du calcium dans la réorganisation du circuit olfactif de l'abeille au niveau des corps pédonculés, lors de la formation d'une MLT-t. Dans l'ensemble, ces résultats ont permis de mieux caractériser les mécanismes de la mémorisation à long terme chez l'abeille, et en montrent les points communs avec d'autres espèces. Ils ouvrent des perspectives pour l'étude des mécanismes fins de plasticité synaptique associés à la mémoire dans ce modèle.

Memory formation is based on the modification of neuronal connections, which thus define a ''memory trace''. In particular, an intense or repeated learning process may lead to the formation of a long-term memory (LTM) after a period of consolidation, during which the memory trace changes from a labile to a stable state. Studies of the molecular mechanisms of consolidation in different learning paradigms have shown that these are highly conserved between species. Consolidation depends on protein synthesis (transcription and translation), as well as specific signaling cascades such as signaling based on the activation of the transcription factor CREB (cAMP responses element binding protein). We were interested in the molecular and cellular bases of the consolidation of olfactory associative memory in the honeybee (Apis mellifera). For this, we used the proboscis extension reflex (PER) conditioning paradigm, which allows this model species to learn and remember an association between an odor and a sucrose reward. Our study focuses specifically on the signaling pathways and processes of structural reorganization of the neural network associated with the formation of the most stable form of transcription-dependent LTM: the late long-term memory (l-LTM). The objectives were (i) to clarify the characteristics and molecular mechanisms involved in the formation of the l-LTM and (ii) to study the involvement of these mechanisms in the structural reorganization of the bee olfactory pathway, associated with l-LTM formation. By focusing our analysis on the part of memory specific of the odor-sugar association, we showed first that l-LTM is induced specifically by conditioning using several trials separated by enough time, and requires two successive waves of transcription, an earlier one and a later one. We then hypothesized that the early wave of transcription was induced, at least in part, after CREB activation. We thus evaluated the effects of CREB inhibition on l-LTM: our data suggest that this transcription factor could play a non-exclusive role, apparently localized in the antennal lobes (first olfactory centers), in LTM consolidation. We have also discovered a modulation of l-LTM by a signaling pathway involving probably L-arginine, whose precise molecular substrates remain to be identified. Subsequently, we investigated the possible involvement of nitric oxide and calcium, in the formation of neural changes associated with this form of memory. Indeed, these two signaling pathways have been identified previously as being important for long-term memory. We therefore sought to highlight changes in structural changes associated with l-LTM after interfering with either pathway (using pharmacological treatments). For this, we looked for changes of volume and density affecting the functional neuropilar units of the olfactory pathway, respectively the antennal lobe glomeruli and mushroom body microglomeruli. Though the lack of reproducibility of data prevented us from concluding about a role for nitric oxide signaling, our results indicate the involvement of calcium signaling in the reorganization of the bee's olfactory system in the mushroom bodies, associated with l-LTM formation. Overall, these results have led to better characterize the mechanisms of long-term memory in the honeybee, showing similarities with other species. They open new perspectives for studying the mechanisms of synaptic plasticity associated with memory in this model.