Modulation au niveau de la population des potentiels d'action complexes des cellules de Purkinje lors de l'adaptation comportementale à des erreurs sensorimotrices imposées

Population-level modulation of Purkinje cell complex spikes during behavioural adaptation to imposed sensorimotor error

• Auteur / Autrice : Thanh Vinh Nguyen
• Direction : Brandon Stell
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des neurosciences Paris Saints-Pères (2019-...)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Dieudonné
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Volker Bormuth, Mehrnaz Jafarian-Tehrani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Bouvier, Beverley Clark

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules de Purkinje

Apprentissage moteur

Cervelet

Mots clés libres

Cervelet

Apprentissage moteur

Modèle interne

Potentiel d'action complexe

Imagerie calcique

Cerebellum

Motor learning

Complex spike

Internal model

Calcium imaging

Résumé

Le rôle du cervelet dans le contrôle moteur et l'apprentissage, tel que proposé par la théorie de Marr-Albus-Ito, souligne son implication dans la détection d'erreurs et l'affinement des commandes motrices à l'aide de modèles internes. Le modèle classique postule que la présence d'une erreur sensorimotrice est signalée par des potentiels d'action complexes (CS), qui entraînent une dépression à long terme (LTD) au niveau des synapses entre les fibres parallèles et les cellules de Purkinje (PF-PC). Cependant, une représentation binaire de l'erreur n'explique pas adéquatement l'adaptation comportementale observée. Les paradigmes d'apprentissage dépendants du cervelet établis démontrent systématiquement une adaptation motrice essai par essai, nécessitant des informations sur la direction et la taille de l'erreur. Nous avons trouvé des populations de cellules de Purkinje (PC), organisées en bandes parasagittales, qui montrent une modulation synchronisée des CS, codant le signe et l'ampleur de l'erreur sensorimotrice. La découverte d'une modulation bidirectionnelle des CS fournit une fonction de perte plausible pour guider l'apprentissage supervisé. Les paradigmes d'apprentissage cérébelleux établis ne sont pas compatibles avec les rongeurs, excluant ainsi l'utilisation d'outils génétiques et de techniques d'enregistrement de pointe. Pour combler ce manque, nous introduisons le paradigme du joystick, une nouvelle tâche comportementale chez les rongeurs. Les animaux ont été entraînés à positionner un tube distributeur de récompense en contrôlant un joystick, et ont répondu aux perturbations du tube introduites par l'expérimentateur. Nous avons utilisé la microscopie par excitation à deux photons (2PSLM) pour enregistrer simultanément l'activité des CS dans les PC exprimant GCaMP8m pendant que les animaux adaptaient leur comportement en réponse à de nouvelles dynamiques sensorimotrices.

The cerebellum's role in motor control and learning, as proposed by the Marr-Albus-Ito theory, emphasises its involvement in error detection and the refinement of motor commands using internal models. The classical model posits that the presence of sensorimotor error is signalled by complex spikes (CS), which drive long-term depression (LTD) at parallel fibre-Purkinje cell (PF-PC) synapses. However, a binary representation of error does not adequately explain observed behavioural adaptation. Established cerebellum-dependent learning paradigms consistently demonstrate trial-by-trial motor adaptation which requires information about error direction and size. We found populations of Purkinje cells (PC), in spatially-organised parasagittal bands, that exhibit synchronised CS modulation, encoding the sign and the magnitude of sensorimotor error. The finding of bidirectional CS modulation provides a plausible loss function to guide supervised learning. The established cerebellar-learning paradigms are not compatible with rodents and thus preclude the use of state-of-the-art genetic tools and recording techniques. To bridge this, we introduce the joystick paradigm, a novel behavioural task in rodents. Animals were trained to position a lick-port by controlling a joystick, and responded to perturbations of the lick-port introduced by the experimenter. We used 2-photon scanning laser microscopy (2PSLM) to concurrently record CS activity in PC expressing GCaMP8m while animals adapted their behaviour in response to novel sensorimotor dynamics.