Identification d'ensembles distincts de neurones recrutés lors de l'acquisition d'un souvenir pour former un engramme

Identifying distinct ensembles recruited during memory acquisition to form the engram

• Auteur / Autrice : Clément Pouget
• Direction : Gisella Vetere
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 07/11/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasticité du cerveau (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Michaël Zugaro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gisella Vetere, Tomas Ryan, Michel Van den Oever, Stéphanie Trouche
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tomas Ryan, Michel Van den Oever

Mots clés

Mots clés libres

Mémoire

Engramme

Ca1

Optogénétique

Miniscope

Memory

Engram

Ca1

Optogenetics

Miniscope

Résumé

Qu'est-ce que la mémoire? Comment les souvenirs sont-ils encodés dans le cerveau? Cent ans après que Semon a défini l'engramme, le substrat physique de la mémoire, sommes-nous proches d'une description complète des processus de mémorisation? Si de nombreuses études ont prouvé l'existence de l'engramme et ont commencé à en définir le fonctionnement et la localisation, des limitations techniques ont restreint cette recherche. En particulier, l'interrogation optogénétique de l'engramme: les cellules actives lors de l'acquisition sont amenées à exprimer une opsine, afin de pouvoir être manipulées par la suite. Ce marquage reposait sur des promoteurs de gènes précoces immédiats (IEG), ce qui restreint la précision temporelle à une heure au mieux. En utilisant FliCRE, une nouvelle technique de marquage basé sur la lumière et le calcium, nous avons pu marquer et manipuler des cellules actives à des moments spécifiques de l'acquisition de la mémoire, et commencer à répondre à la question de savoir quel sous-ensemble spécifique de cellules constitue l'engramme. Nous avons ciblé un sous-ensemble de cellules du CA1 dorsal (dCA1) de l'hippocampe, une région dont il est bien établi qu'elle joue un rôle central dans les souvenirs liés au contexte.Nous avons utilisé un paradigme de conditionnement à la peur contextuelle. Nous avons disséqué cette expérience d'acquisition de la mémoire en périodes bien choisies, correspondant soit à la présentation de stimuli saillants (les chocs), soit à certains comportements de la souris (freezing). Au total, quatre groupes de marquage ont été constitués: pré-choc, choc, freezing et no-freezing. Pendant le pré-choc, les cellules dCA1 traitent l'information contextuelle, avant qu'elle ne soit associée à la salience. Les chocs, un moment critique pour la formation de la mémoire. Après les chocs, les souris peuvent adopter un comportement de freezing, signe externe d'un état de peur interne. C'est pourquoi nous avons marqué les cellules actives lors du freezing ou en dehors.Un jour plus tard, nous avons réactivé ces sous-groupes de cellules dans un nouveau contexte neutre et avons mesuré si les animaux se figeaient en réponse à la réactivation, indiquant un rappel de la mémoire. Nous avons constaté que la réactivation n'entraînait un rappel artificiel de la mémoire que dans les groupes “choc” et “freezing”, et pas les autres. Nous avons également fait l’expérience opposée, en inhibant ces groups lors d’un rappel naturel du souvenir: et avons également trouvé que seul l’inhibition des groupes “choc” et “freezing” avait un effet sur le rappel.Nous avons ensuite voulu caractériser ces sous-ensembles de cellules et avons analysé l'imagerie calcique in vivo pendant les séances de CFC et de rappel. Tout d'abord, nous avons constaté que les quatre sous-ensembles de cellules ne se chevauchaient pas du tout. Deuxièmement, nous avons constaté qu'aucun changement de surface n'était perceptible entre les sous-ensembles de cellules lors du rappel (par exemple, pas d'augmentation globale de l'activité, pas d'activité préférentielle à des moments spécifiques, etc. Troisièmement, nous avons constaté que seules les cellules de freezing présentaient une activité fortement corrélée lors du rappel.Outre cette étude principale, j'ai également participé à deux articles, l'un concernant l'encodage de la menace dans le cortex prélimbique (deuxième auteur, publié dans Neuron), et l'autre concernant la mémoire et l'encodage spatial dans le thalamus latérodorsal (deuxième auteur, à soumettre). Ces deux études utilisent l'imagerie calcique in vivo et des analyses avancées pour établir la mise à l'échelle de la dynamique prélimbique en fonction de la menace, ou pour trouver des cellules de direction de la tête et décrire leur implication dans la mémoire, et plus particulièrement la généralisation du contexte, dans le thalamus latérodorsal.

What is memory? How are memories encoded in the brain? One hundred years after Semon defined the engram, i.e. the physical substrate of memory, how close are we to a complete description of memory processes? While lots of studies have definitely proven the existence of the engram, and have started delineating its functioning and location, technical limitations have hindered the search for the engram. Specifically, optogenetic interrogation of the engram: cells active during acquisition are made to express an opsin, so that they can be manipulated henceforth. This tagging relies on immediate early gene (IEG) promoters, hence restricting timewise precision to an hour at best. Using FliCRE, a novel optogenetic tagging technique replacing IEG-based tagging with light-and-calcium gated tagging, we were able to tag and manipulate cells active at very specific timepoints during memory acquisition, and start answering which specific subset of cells comprise the engram. We targeted subset of cells of the dorsal CA1 (dCA1) field of the hippocampus, a region well established as central for context-related memories.We used a classic contextual fear conditioning paradigm, in which mice received foot shocks in a specific context. We dissected this memory acquisition experience in well-chosen periods, corresponding either to presentation of salient stimuli (the shocks) or to certain mouse behaviors (freezing). In total, four tagging groups were established: pre-shock, shock, freezing and no-freezing. During pre-shock, dCA1 cells process contextual information, prior to strong salience association to it. Shocks, a moment critical for memory formation (as, without salience, no associative memory would be formed). After the shocks, mice can engage in freezing behavior, indicative of an internal fearful state. Hence why we tagged cells inside or outside of freezing bouts.One day later, we reactivated these sub-groups of cells in a novel neutral context, and measured if animals would freeze in response to reactivation, indicative of memory retrieval. We found that only in the shocks and freezing groups did reactivation lead to artificial memory recall, and not in the pre-shock and no-freezing groups.We then did the opposite experiment: instead of reactivating the subgroups in a neutral context, we inhibited them during a recall session (i.e. reintroducing mice in the trained context one day after training), and measured if inhibition affected freezing in the recall. We found that, once again, only inhibition of the shock and freezing groups disturbed memory recall. These experiments showed for the first time that only some specific moments of CFC memory acquisition are both necessary and sufficient for the associative memory to be recalled.We then wanted to characterize these subsets of cells, and analyzed in-vivo calcium imaging during CFC and recall sessions. Firstly, we found that the four subsets of cells were highly non-overlapping. Secondly, we found that no surface-change was noticeable between the subsets of cells at recall (e.g. no overall increased activity, no preferencial activity at specific moments, etc.). Thirdly, we found that only freezing cells exhibited highly correlated activity at recall, pointing to a different mechanism during retrieval for shock and freezing cells.Apart from this main study, I also participated in two articles, one concerning threat-encoding in the prelimbic cortex (second author, published in Neuron), and one concerning memory and spatial encoding in the laterodorsal thalamus (second author, to be submitted). Both of these studies use in-vivo calcium imaging and advanced analyses to either establish threat-dependent scaling of prelimbic dynamics, or to find head direction cells and describe their involvement in memory, and specifically context generalization, in the laterodorsal thalamus.