Etude du lien entre plasticité synaptique et adaptation comportementale

Study of the link between synaptic plasticity and behavioural adaptation

• Auteur / Autrice : Cecilia Castelli
• Direction : Frédéric Lanore
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 05/04/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Interdisciplinaire de Neurosciences (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Aude Panatier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aude Panatier, Thierry Gallopin, Christoph Schmidt-Hieber, Audrey Hay
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Gallopin, Christoph Schmidt-Hieber

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neurones sensitifs

Électrophysiologie

Mémoire

Connectivité fonctionnelle

Hippocampe (anatomie)

Mots clés libres

Memoire

Hippocampe

Cortex associtifs

Comportement

Électrophysiologie

Memory

Hippocampus

Associative cortices

Behaviour

Electrophysiology

Résumé

La mémoire peut être définie comme la capacité de stocker des informations qui pourront être récupéré au besoin et facilite l’adaptation comportementale. Au niveau biologique, la mémorisation est un mécanisme complexe qui est soutenue par l’interaction cordonnée de plusieurs régions du cerveau et qui fait l’objet d’un déclin progressif avec le vieillissement. Comprendre les mécanismes qui soutiennent sa formation et son stockage est donc un prérequis pour développer des traitements adaptés aux troubles de la mémoire.Il y a différentes théories qui décrit la consolidation de mémoires d’un point de vue intégratif : 1) la théorie des engrammes postule l’existence d’assemblées neuronales stablement modifiés par l’expérience ; 2) la théorie de la plasticité synaptique et de la mémoire lie ces deux concepts d’une façon causative ; 3) la théorie de la consolidation systémique postule que les engrammes sont distribués à travers plusieurs aires cérébrales interconnectée. Dans ce système complexe, déterminer où, quand et comment une modification particulière du système a lieu pendant la consolidation est encore une question en suspense. Plusieurs lignes de recherche ont émergées et ont permis de déterminer des objets clés. L’hippocampe est considéré comme le site principal pour la consolidation des mémoires récentes et le cortex préfrontal a émergé comme un site important pour la consolidation des mémoires éloigné, faisant de la communication entre ces deux aires un axe de recherche important. Le sommeil, caractérisé par l’absence d’information externe additionnelle, favorise la consolidation des mémoires et la réactivation cordonnée des assemblés neuronales dans l’hippocampe et dans le néocortex grâce à des oscillations hippocampiques à haute fréquence appelé Sharp Wave-Ripples (SPW-Rs) qui sont considéré comme étant des événements caractéristiques des périodes de consolidation mnésique. Au niveau moléculaire, la potentialisation à longue-terme (LTP) est le mécanisme de plasticité synaptique le plus étudié pour la formation des mémoires longue-terme.J’ai étudié l’interaction entre l’hippocampe dorsal (dHPC) et deux aires néocorticales dans le contexte d’alternation spatiale avec délai. Mon objectif a été de répondre aux questions suivantes :1) Le cortex préfrontal médiane (mPFC) et le cortex pariétal postérieur (PPC) participent-ils à l’engramme qui soutiens l’acquisition de cette règle ? Leur contribution respective est-elle quantitativement ou qualitativement différente ?2) L’activité de réseau (oscillations et réactivation neuronale cordonnées) de ces deux aires est modulées par le SPW-Rs de l’hippocampe ; cette modulation est-elle modifiée par la consolidation de la règle ?3) La consolidation de la règle est-elle affectée par l’inhibition de la LTP au seine de ces aires néocorticales ?Pour répondre à ces questions nous avons utilisé des souris implantées avec des électrodes dans le dHPC, mPFC et PPC pour enregistrer le Potentiel Local de Champ (LFP) et l’activité des neurones pendant la tâche et pendant trois heures de repos à la fin de chaque journée de test. Nous avons observé que, pendant la tâche, les neurones du PPC étaient plus particulièrement activé pendant la navigation spatiale, tandis que les neurones du mPFC étaient préférentiellement activé par les attributs cognitifs. Nous avons également montré que la modulation positive des neurones néocorticaux par les SPW-Rs était augmenté après l’apprentissage de la règle dans le mPFC, mais pas dans le PPC. De plus, les neurones du mPFC les plus actives pendant la tâche sont les neurones préférentiellement modulés par les SPW-Rs. En fin, nos données préliminaires montrent que l’inhibition de la LTP au seine du mPFC pendant la période de sommeil suivant la première période d’apprentissage ne semble pas avoir d’effet sur la consolidation de la règle, mais suggèrent cependant que la modulation des neurones par les SPW-Rs pourrait en être affectée.

Memory can be defined as the ability to store information within the brain in a way that allows retrieval of such information and promotes behavioural adaptation. At the biological level, memorization is a complex mechanism which demands coordinated brain-wide interactions and is subject to progressive decline upon natural aging. It is a shared idea that understanding the mechanisms regulating formation and storage of memories could help in developing targeted approaches for mnemonic deficiency.Different theories have been formulated to describe memory consolidation in an integrated system: 1) the engram theory postulates the existence of neuronal assemblies persistently modified by experience and memory consolidation; 2) the synaptic plasticity in memory theory postulates that these persistent modifications rely on synaptic plasticity mechanisms 3) the system consolidation theory postulates that engrams are, in fact, distributed across an interconnected network encompassing multiple brain areas. In each of these theories, memory consolidation is a multi-step process and the precise identification of whether, where, when and how a specific modification is produced inside this complex system is a hot topic in research. For each of this questions collected evidences have directed the focus toward precise lines of research. The hippocampus is considered to be main site of recent memory consolidation and the prefrontal cortex has progressively emerged as an important site for remote consolidation, making the communication between these two areas a main centre of interest. During sleep, the lack of additional experience favours memory consolidation and the coordinated reactivation of neuronal assemblies of both the hippocampus and neocortical areas during fast-oscillatory hippocampal events called Sharp Wave-Ripples (SPW-Rs) is now taken has the principal hallmark of memory consolidation. At the molecular level, long-term potentiation (LTP) is the most studied mechanisms for the formation of long-lasting memories.I studied the interplay between the dorsal hippocampus (dHPC) and two neocortical areas in the context of consolidation of the rule for successful completion of a Delayed Spatial Alternation (DSA) task. We aimed to answer the following questions:1) Does the medial Prefrontal cortex (mPFC) and the Posterior Parietal cortex (PPC) participate in the engram sustaining acquisition of this rule? Is their participation equal or are they quantitatively or qualitatively differentially solicited?2) Both areas display signs of hippocampal modulation, in the form of coherent oscillations and coordinated neuronal firing patterns during hippocampal SPW-Rs; how is this modulation modified by consolidation of this rule?3) Does preventing LTP within the neocortex affect consolidation of this rule?To answer these questions, we used mice implanted with single electrodes in the dHPC, mPFC and PPC to record Local Field Potential (LFP) and single neurons’ activity both during the task and a three-hour long rest period at the end of each behavioural training day. We observed that, during behavioural training, PPC neurons were mostly engaged in navigation, while mPFC neurons engaged with more cognitive features of the task. Surprisingly, mPFC neurons, but not PPC neurons, exhibited an increase in positive modulation during hippocampal SPW-Rs following learning, with a high proportion of mPFC’s neurons active during the behavioural protocol that were positively modulated around SPW-Rs’ peaks during sleep. Last, preliminary data showed that prevention of LTP within the mPFC during the sleep period allocated to memory consolidation does not affect the behavioural performance on the following day, but might affect the modulation of mPFC’s neurons around SPW-Rs’ peak.