Communication entre l'hippocampe, l'aire tegmentale ventrale et le noyau accumbens pendant l'apprentissage et la consolidation de la mémoired Memory Consolidation

Communication between Hippocampus, Ventral tegmental area and Nucleus accumbens during learning and memory consolidation

• Auteur / Autrice : Raphaël Brito
• Direction : Michaël Zugaro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 10/09/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Interdisciplinaire de Recherche en Biologie (Paris ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Mehdi Khamassi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Trouche
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lisa Roux, Francesca Sargolini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Noyau accumbens

Aire tegmentale ventrale

Perception spatiale

Système de récompense cérébrale

Mémoire

Hippocampe (anatomie)

Mots clés libres

Hippocampe

VTA

Noyau accumbens

Hippocampus

VTA

Nucleus accumbens

Résumé

L'hippocampe est associé à la mémoire épisodique, et en particulier à la composante spatiale des souvenirs. En effet, les ''cellules de lieux'', des neurones qui déchargent uniquement dans certains endroits de l'environnement, appelé leur ''champ de lieux'', ont été découverte dans l'hippocampe. Quand un animal se déplace dans un environnement, différentes cellules de lieux vont être activées successivement, permettant la représentation de la position de l'animal alors pendant son déplacement. Pendant des moments d'immobilité, et lorsque l'animal dort, des oscillations spécifiques appelé ''ondulations'' peuvent être détectée dans l'hippocampe. Pendant ces oscillations, les cellules de lieux s'activent dans un ordre similaire aux séquences détecté pendant l'exploration. Ces ''rejeux'' ont été proposé comme un mécanisme facilitant la consolidation de la mémoire, ainsi que la prise de décision. Cependant, la manière dont des informations autres que l'espace sont intégrées avec l'information spatiale reste inconnus. En particulier, l'intégration de la composante récompensante de certains stimuli n'est pas encore expliquée. L'air tegmental ventrale (ATV) est une structure qui a été lié à l'intégration de la récompense, en particulier les neurones dopaminergic. Le noyaux accumbens, l'une des structures recevant le plus de projections de l'ATV, et l'ATV sont conceptualisés comme des structures permettant l'intégration d'information récompensante. Pour ce projet, nous avons postulé que l'hippocampe, l'ATV et le noyaux accumbens sont coordonné pendant l'apprentissage et la consolidation de la mémoire, en particulier pendant les rejeux hippocampiques. Pour tester notre hypothèse, nous avons développé une nouvelle tache comportementale, la tache Hippodamos, dans laquelle des animaux apprennent des trajectoires spatiales complexes associées à des éléments de récompense, nous permettant d'étudier la consolidation de la mémoire pendant le sommeil après l'apprentissage initial. Nous avons enregistré des signaux électrophysiologiques et isolé des dizaines d'unités dans l'hippocampe, l'ATV et le noyau accumbens simultanément, pendant que l'animal effectuait la tâche Hippodamos. En analysant l'activité de ces neurones, nous constatons que les cellules de l'ATV sont coordonnées pendant les ondulations de l'éveil et du sommeil, ce qui pourrait être un mécanisme dans lequel les informations spatiales et de récompense sont liées pendant l'apprentissage et la consolidation de la mémoire. En outre, nous constatons que les ondulations sont des moments spécifiques de réactivation d'éléments de la tâches pendant le sommeil. Nous détectons ces réactivations dans l'hippocampe, ce qui a été démontré précédemment, mais aussi dans l'ATV et le noyau accumbens. Nous constatons également que les ondulations sont des fenêtres uniques de réactivations interstructurelles, qu'il s'agisse de réactivations hippocampe-ATV, hippocampe-noyau accumbens ou ATV-noyau accumbens. Ces résultats confirment notre hypothèse selon laquelle les ondulations sont des fenêtres qui permettent une coordination interstructurelle et dévoilent un mécanisme possible d'association spatiale et de récompense.

The hippocampus as been associated to episodic memory, and particularly in the spatial component of memories. Indeed, place cells, neurons that fire in specific locations of the animal in the environment, called their 'place field', have been discovered in the hippocampus. As an animal run through a trajectory, different place cells fire one after the other, representing the position of the animal as he mooves in his environment. During moment of immobility, and during sleep, specific oscillations, called 'ripples' can be detected in the hippocampus. When looking at the activity of place cells during these ripples, sequences of place cells can be detected in an order consistent with the trajectories of the animal. These 'replay' have been postulated to play a role in memory consolidation and decision making. However, the way these spatial representation take into account other components of memory remain unknown. In particular how reward information, related to positive stimuli, is integrated together with spatial information coding by the hippocampus is not clear. The ventral tegmental area (VTA) has been link to reward processing, in particular through its dopaminergic neurons, that encore for the expected value of reward. Together with the nucleus accumbens, that receive massive projection from the VTA, they have been thought to encode for reward information in order to guide behavior.We postulated that hippocampus, VTA and nucleus accumbens are coordinated during learning and memory consolidation, in particular during hippocampal replay. To test our hypothesis, we developed a new behavioral task, the Hippodamos task, in which animals learn complex spatial trajectory associated to reward components, and allowed us to probe for memory consolidation during sleep after initial learning. We recorded electrophysiological signal and isolated dozens of units in the hippocampus, VTA and nucleus accumbens simultaneously, while animal performed the Hippodamos task. Analysing the activity of these neurons, we find that VTA cells are coordinated during awake and sleep ripples, which could be a mechanism in which spatial and reward information are linked during learning and memory consolidation. Furthemore, we find that ripples are specific moment of reactivation of task patterns during sleep. We detect these reactivations during hippocampus, which has been shown previously, but also in VTA and nucleus accumbens. We also find that ripples are also unique windows of cross-structural reactivations, be it hippocampus-VTA, hippocampus-nucleus accumbens, or VTA-nucleus accumbens reactivations. These findings support our hypothese that ripples are windows that allow for cross-structural coordination and unravell a possible mechanism for spatial and reward association.