Caractérisation d'une nouvelle voie vers le noyau thalamique somatosensoriel d'ordre supérieur

Characterization of an unexpected pathway to the somatosensory high-order thalamic nucleus

• Auteur / Autrice : Jody Kouessan
• Direction : Régis Lambert
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Neurosciences Paris-Seine (2014-2024)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Neuronal Networks and Physiopathological Rhythms

Mots clés

Mots clés libres

Thalamus

Prétectum antérieur

Système somatosensoriel

Noyaux d'ordre supérieur

Électrophysiologie

Réseaux de neurones

Thalamus

Anterior pretectum

Somatosensory system

Higher-order nuclei

Electrophysiology

Neuronal networks

Résumé

Dans le cerveau des mammifères, le cortex cérébral est le siège de l'intégration dans le temps et l'espace des informations issues du monde extérieur, mais la bonne exécution de ces intégrations repose sur une zone sous-corticale spécifique, le thalamus, qui est à la fois une porte d'entrée - presque obligatoire - pour les informations circulant de la périphérie vers le cortex, et qui orchestre les interactions entre différentes aires corticales. Le thalamus peut être divisé en noyaux de premier ordre (recevant uniquement des entrées modulatrices des neurones de la couche 6 du cortex) et en noyaux d'ordre supérieur (recevant de puissantes entrées des neurones de la couche 5 du cortex, en plus d'entrées sous-corticales). Les opérations qui ont lieu dans ces derniers sont peu comprises. Fonctionnellement, il a été proposé que ces noyaux contribuent aux fonctions cognitives. Notre projet vise à clarifier l'intégration qui a lieu au sein d'un noyau d'ordre supérieur lié au système somatosensoriel, le thalamus postéro-médian (Pom). Pour cela, nous allons utiliser le système somatosensoriel de la souris, très bien défini anatomiquement. Le Pom reçoit des entrées issues d'afférents somatosensoriels du tronc cérébral (noyau trigéminal spinal, SpVi), du cortex et du cervelet. Ces entrées sont contrebalancées par le contrôle inhibiteur provenant de la zona incerta (ZI) et du prétectum antérieur (APT). En effet, la lésion de l'APT et de la ZI facilite la réponse aux stimulations sensorielles du Pom. Le cortex peut désinhiber les neurones du Pom via ses projections sur la ZI et l'APT. En retour, les afférences issues du Pom sur le cortex augmentent la réponse aux entrées sensorielles. Notre hypothèse est que l'inhibition provenant de la ZI et de l'APT régule le recrutement des neurones du Pom quand les animaux ne sont pas engagés dans une tâche sensorielle. Lors d'une tâche (comme l'exploration tactile ou la discrimination tactile), l'inhibition est relâchée, démasquant l'excitation issue des entrées périphériques, corticales et cérébelleuses, selon la saillance de l'information. Tester cette hypothèse nécessite de 1) caractériser la convergence des entrées excitatrices et inhibitrices sur les neurones individuels du Pom, et 2) établir comment et quand les signaux sensoriels sont contrôlés par les entrées inhibitrices en conditions non anesthésiées. 1) On ne sait pas si les entrées corticales, cérébelleuses et périphériques opèrent sur des canaux convergents ou séparés dans le Pom, et l'étendue du contrôle de l'APT et de la ZI sur ces entrées n'est pas connue. Certaines zones du Pom reçoivent des entrées excitatrices convergentes, contrairement à d'autres zones. Notre hypothèse est que cette hétérogénéité révèle des voies d'encodage parallèles au niveau des neurones individuels du Pom, leur permettant de capter différents aspects de l'information sensorielle et motrice. Nous proposons de répondre à ces questions : Quelles sont les propriétés synaptiques des entrées excitatrices et inhibitrices du Pom ? Ces entrées coopèrent-elles au niveau des neurones individuels ? Nous allons utiliser la stimulation optogénétique des terminaisons neuronales sur des tranches contenant le Pom. Nous allons combiner les injections de deux différents AAV exprimant des opsines excitatrices activées par différentes longueurs d'onde (Chrimson, Chronos) dans des paires de structures (noyau denté du cervelet, ZI, APT, SpVi, S1, M1) pour établir le degré de convergence de ces entrées. Cela pourrait distinguer différentes populations de neurones du Pom, ce qui est crucial pour caractériser son rôle. 2) Les neurones du Pom ont été décrits comme étant beaucoup moins réactifs aux déflexions des vibrisses que les neurones de relai de premier ordre. Les puissantes afférences sensorielles des neurones du Pom sont démasquées chez l'animal anesthésié par la lésion de la ZI et de l'APT. Nous proposons donc de répondre à ces questions : Quel est l'impact de l'inhibition de la ZI ou de l'APT sur les neurones du Pom chez les animaux en comportement ? Quels sont les mécanismes sous-jacents aux inhibitions issues de l'APT et de la ZI (inhibition par shunt, hyperpolarisation), la dépendance au contexte de leur implication et leur modulation par des mécanismes désinhibiteurs descendants (par le cortex, le cervelet) ? Chez la souris éveillée et en tête fixée, nous allons explorer la réponse des neurones du Pom en ''free-whisking'' (mouvements volontaires des vibrisses de la souris) et lors de déflexions des vibrisses avec ou sans inhibition des entrées de la ZI et de l'APT en fonction de l'état de vigilance de l'animal. En utilisant des enregistrements extracellulaires à haute densité, nous allons identifier les mécanismes du contrôle des informations sensorielles dans ces cellules. Les mouvements des vibrisses et la durée des contacts des vibrisses avec un pôle seront suivis à l'aide d'une caméra à haute vitesse. Pour inhiber les entrées de la ZI et de l'APT, nous allons utiliser une opsine inhibitrice, exprimée à l'aide de virus dans les terminaisons des neurones de la ZI et l'APT de souris Parvalbumine-Cre.

In the mammalian brain, the cortex performs complex computations, but the proper execution of these operations relies on the thalamus which is both a gateway for information flowing from the periphery to the cortex, and a grand conductor orchestrating inter-areal cortical interactions. The thalamus can be divided into first-order nuclei (only receive cortical modulatory inputs from layer 6 neurons), and high-order nuclei (receive driver inputs from the layer 5 of the cortex, in addition to subcortical inputs). The computations taking place in the latter are poorly understood. Functionally, it has been proposed that these nuclei contribute to cognitive functions. Our project aims at clarifying the integration taking place in a high-order nucleus linked to the somatosensory system, the medial posterior thalamus (Pom). For this purpose, we shall take advantage of the anatomically well-defined mouse somatosensory system. The Pom receives inputs from somatosensory afferents of the brainstem (spinal trigeminal nucleus, SpVi), cortex and cerebellum. These inputs are counterbalanced by the inhibitory control provided by the zona incerta (ZI) and the pretectal area (APT). Indeed, the lesion of the APT and ZI facilitate the response to sensory stimulations in the Pom. The cortex may disinhibit the Pom neurons via its projections to ZI and APT. In return, the Pom afferents to the cortex increase the responsiveness to sensory inputs. Our hypothesis is that the inhibition by the ZI and APT regulates the recruitment of Pom neurons when animals are not engaged in a sensory task. During a task (such as tactile exploration or discrimination), inhibition is released, unmasking the excitation from peripheral, cortical and cerebellar inputs consistent with the saliency of information. Testing this hypothesis requires to 1) characterize the convergence of excitatory and inhibitory inputs onto single Pom neurons, and 2) establish how and when the sensory signals are gated by the inhibitory inputs in unanesthetized conditions. 1) Whether cortical, cerebellar, and peripheral inputs operate on convergent/separate channels in the Pom is unknown, such as the extent of ZI and APT control on these inputs. Some Pom territories receive convergent excitatory inputs, while others do not. We hypothesize that this heterogeneity reveals parallel encoding streams in individual Pom neurons, allowing them to capture different aspects of sensory and motor information. We propose to respond to these questions: What are the synaptic properties of excitatory and inhibitory inputs to Pom? Are these inputs cooperating at the level of individual neurons? We will use optogenetic stimulations of nerve terminals in slices of Pom. We will combine injections of two different AAVs expressing excitatory opsins activated by different wavelengths (Chrimson, Chronos) in pairs of structures (dentate nucleus, ZI, APT, SpVi, S1, M1) to establish the degree of input convergence; this may reveal different populations of Pom cells, which is crucial to characterize its role. 2) Pom cells were described as being far less responsive than first order relay cells to whisker deflections. The powerful sensory afferents to Pom neurons are indeed unmasked in anesthetized animals by a lesion of the ZI and APT. We propose to address these questions: What is the impact of silencing ZI or APT onto Pom cells in behaving animals? What are the mechanisms underlying ZI/APT inhibitions (shunting inhibition, hyperpolarization), the context dependence of their involvement and its modulation by top-down disinhibitory mechanisms (by cortex, cerebellum)? In behaving head-fixed mice, we will examine the response of Pom neurons to free-whisking and whisker deflections with or without silencing ZI/APT inputs as a function of vigilance state. Using high-density extracellular recordings, we will identify gating mechanisms of sensory information in these cells. Whisker movements and timestamps of whisker contacts with a pole will be monitored using a high-speed camera. To suppress ZI/APT inputs, we will use an inhibitory optogenetic probe, virally expressed in ZI/APT terminals of Parvalbumin-Cre mice.