Hippocampal cell assembly sequences in rats : neurophysiological mechanims and role in memory

• Auteur / Autrice : Anne Cei
• Direction : Michaël Zugaro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neurosciences

Mémoire

Hippocampe (anatomie)

Résumé

L'hippocampe est une structure cérébrale qui joue un rôle critique dans la mémoire épisodique et la mémoire spatiale. Chez le rat, des cellules hippocampiques appelées « cellules de lieu » déchargent spécifiquement lorsque l'animal se trouve à un endroit donné de l'environnement. De façon caractéristique, lorsqu'un rat parcourt une trajectoire, les cellules de lieu déchargent en séquence à une échelle de temps très courte compatible avec des processus de « plasticité synaptique » entre les cellules. Cette compression temporelle pourraient ainsi permettre la formation d'une trace mnésique de la trajectoire effectuée par le rat. Compatible avec cette hypothèse, les mêmes séquences de cellules sont réactivées de façon spontanée pendant le sommeil (comme si le rat « rêvait » de son environnement) notamment lors de patterns d'activité hippocampique transitoires appelés Sharp-Wave-Ripples (SPW-R). Ces réactivations pourraient alors sous-tendre la consolidation des traces mnésiques acquises pendant l'éveil durant le sommeil. Le but de ce travail de thèse est de mieux comprendre le rôle et les mécanismes de formation et de consolidation des séquences de cellules hippocampiques. Dans un premier temps, pour étudier la dynamique de mise en place des séquences, nous avons tester l'effet d'un déplacement atypique des rats en marche arrière à l'aide d'un train électrique. Nos résultats montrent que dans cette condition les même cellules de lieu qu'en marche avant sont activées mais leur ordre dans la séquence s'inverse et ceci n'est pas du à l'activité des signaux d'entrées du cortex entorhinal codant la direction de la tête de l'animal. Ces observations remettent en cause le cadre théorique établie autour de l'émergence des séquences et favorise l'hypothèse que l'hippocampe adapte son activité dynamiquement, et de façon interne selon l'expérience de l'animal. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à l'impact des processus d'apprentissage sur la réactivations des séquences pendant les SPW-Rs. Nos résultats montrent que la suppression des SPW-Rs spécifiquement après une tâche d'apprentissage (et pas suite à une simple exploration) induit une augmentation du nombre de SPW-Rs ou rebond homéostatique. Ce rebond est annulé par l'injection d'un antagoniste des récepteurs NMDA connus pour jouer un rôle dans les processus de plasticité synaptiques. Ce phénomène de régulation serait donc directement contrôlé par la mise en place des traces mnésiques pendant l'apprentissage et aurait pour but d'assurer leur consolidation pendant le sommeil.

The hippocampus is a brain structure that plays a critical role in spatial and episodic memory. In rats, hippocampal cells called ''place cells'' fire specifically when the animal is at a particular location of the environment. Remarkably, when a rat traverses a path, the place cells fire in sequence in a very short time scale compatible with the ''synaptic plasticity'' processes between cells that might provide the formation of a memory trace reflecting the trajectory performed by the rat. Compatible with this hypothesis, the same sequences of cells are reactivated spontaneously during sleep (as if the rat ''dreamed'' of its environment) especially during transient hippocampal activity patterns called Sharp Wave- Ripples (SPW-R). These reactivations could then underlie the consolidation of the memory traces acquired during wakefulness. The purpose of this thesis is to better understand the formation and the consolidation role and mechanisms of hippocampal cell sequences. First, to study the dynamic of sequence emergence, we test the effect of an atypical backward movement of the rats using an electric model train. Our results show that during backwards movement, the same place cells than during forward movement are activated but their order in the sequence is reversed and this is not due to the activity of the entorhinal cortex input signal that encodes the direction of the head of the animal. These observations challenge the theoretical framework built around the emergence of sequences and favors the hypothesis that the hippocampus dynamically and internally adapts its activity to the experience of the animal. In a second step, we are interested in the impact of learning on sequence reactivations during SPW-Rs. Our results show that the suppression of SPW- Rs induces an increase in the number of SPW-Rs or homeostatic rebound specifically after a learning task (and not after a simple exploration). This rebound is canceled by the injection of an antagonist of the NMDA receptors known to play a role in synaptic plasticity processes. Homostatic regulation would thus be directly controlled by the establishment of memory traces during learning so that this ensures their consolidation during sleep.