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115 | 2016
Annuaire du Collège de France 2014-2015
Résumé des cours et travaux 115e année
VII. Équipes accueillies

Rythmes cérébraux et codage neural de la mémoire

CIRB
Michaël Zugaro
p. 920-922

Entrées d’index

Mots-clés :

codage neural, mémoire
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Texte intégral

   

Responsable: Michaël Zugaro

Équipe : Céline Drieu, Hongying Gao, Nicolas Maingret, Chantal Milleret, Virginie Oberto, Marco Pompili, Susan Sara, Ralitsa Todorova, Sidney Wiener, Liyang Xiang, Michaël Zugaro

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Introduction

1Chez le rat, des neurones de l’hippocampe appelés « cellules de lieu » codent la position de l’animal dans l’environnement. Lorsqu’un rat parcourt une trajectoire, les cellules de lieu sont activées l’une après l’autre, chacune à un endroit déterminé, mais avec des zones de recouvrement importantes. Au premier abord, ces zones de recouvrement pourraient apparaître comme de simples imprécisions ; en fait, il semble qu’elles jouent au contraire un rôle fondamental dans la mise en mémoire de la trajectoire en cours. En effet, lorsque l’animal est dans une zone de recouvrement, plusieurs cellules de lieu vont s’activer en même temps. Si l’on observe leur activité à une échelle de temps très courte, de l’ordre de 100 ms, on constate que les cellules de lieu s’activent en fait dans un ordre défini, qui correspond précisément à leur position dans la trajectoire. Plus étonnant encore, chacune de ces séquences se produit pendant un cycle de l’oscillation thêta (7-8 Hz) enregistrée dans l’hippocampe lorsque le rat explore son environnement – ce qui leur vaut la dénomination de « séquences thêta ». En quoi ces séquences thêta sont-elles liées à des processus de mémorisation ? Grâce à cette organisation temporelle singulière, les cellules de lieu s’activent très rapidement l’une après l’autre, et de manière répétée (à chaque cycle thêta). Ceci favorise le renforcement de leurs connexions, et pourrait sous-tendre le codage initial de la trajectoire effectuée par le rat, ainsi que la formation d’une première trace mnésique de cette information dans l’hippocampe. Par la suite, au cours du sommeil à ondes lentes, ces mêmes séquences se produisent à nouveau de manière spontanée pendant les ondulations, des oscillations hippocampiques de haute fréquence (200 Hz). Ces réactivations permettent la consolidation de la mémoire, c’est-à-dire sa stabilisation à long terme – nous avons été les premiers à le démontrer lors de nos travaux précédents (Eschenko et coll., 2008 ; Girardeau et coll., 2009 ; Ramadan et coll., 2009 ; Girardeau et coll., 2014).

2Les séquences hippocampiques jouent donc un rôle central dans la mise en mémoire et la stabilisation à long terme de certaines traces mnésiques. Plus généralement, ces processus font également intervenir des structures corticales, comme le cortex préfrontal médian, et sous-corticales, comme les noyaux neuromodulateurs noradrénergiques ou dopaminergiques. À titre d’exemple, nos travaux ont mis en évidence des couplages importants pendant le sommeil entre l’activité spontanée des neurones noradrénergiques, les ondulations hippocampiques, et les réactivations d’ensembles neuraux au niveau cortical (Mölle et coll., 2006 ; Peyrache et coll., 2009 ; Eschenko et coll., 2012).

Mise en place et réactivation des séquences hippocampiques

3Nous avons développé un protocole unique pour contrôler la formation de séquences thêta au cours des déplacements dans l’environnement. Les rats sont entraînés à courir sur un tapis roulant miniature monté sur un train électrique. Ceci permet de déplacer les rats alors qu’ils sont soit passifs (tapis roulant à l’arrêt), soit actifs (tapis roulant en marche), tous les autres paramètres restant inchangés (vitesse de déplacement, flux optique, stimulation vestibulaire, etc.) Or nous avons montré que lors de déplacements passifs, les cellules de lieu ne s’organisent pas en séquences thêta, contrairement aux déplacements actifs. En variant le mode de déplacement avant de laisser dormir les rats, nous pouvons donc contrôler la présence ou l’absence de séquences thêta avant la période de consolidation, et déterminer leur rôle causal dans les phénomènes de réactivation.

4Ceci nous permettra de départager deux hypothèses : que les séquences thêta sont apprises avec l’expérience (via le renforcement des connexions entre les neurones), auquel cas seules des séquences expérimentées de manière fiable et répétée peuvent se réactiver pendant le sommeil ; ou, au contraire, que les séquences thêta sont pré-câblées, auquel cas même dégradées pendant l’éveil elles se réactiveront normalement pendant le sommeil.

Dialogue hippocampo-cortical pour la consolidation des traces mnésiques

5En étudiant les couplages spontanés entre hippocampe et cortex préfrontal médian pendant le sommeil, nous avons constaté que les ondulations hippocampiques, les ondes delta corticales et les fuseaux thalamo-corticaux se produisaient de manière coordonnée. Nous avons conçu un système capable de renforcer artificiellement ce couplage au moyen de stimulations déclenchées par la détection en temps réel des ondulations hippocampiques.

6Afin de tester si cette augmentation du couplage hippocampo-cortical améliorait la consolidation de la mémoire, nous avons entraîné des rats à effectuer une tâche de reconnaissance spatiale d’objets, modifiée pour limiter la consolidation. Dans la version standard de cette tâche, un rat explore une enceinte où se trouvent deux objets identiques. Le lendemain, l’un des objets est déplacé et le rat est remis dans l’enceinte. Spontanément, le rat explore davantage l’objet déplacé, ce qui indique qu’il a remarqué le changement et donc qu’il a bien mémorisé la configuration initiale. Dans la version modifiée de ce protocole, nous avons limité la durée d’exploration à 3 minutes : les rats n’ont plus fait de différence entre les deux objets le lendemain, ce qui indique qu’ils n’ont pas retenu la configuration initiale.

7Notre test a consisté à faire suivre une session d’exploration limitée d’une session de stimulation d’une heure pendant le sommeil à ondes lentes. Le lendemain, tous les rats ont alors préférentiellement visité l’objet déplacé. Dans un groupe de contrôle, nous avons introduit un décalage aléatoire (découplage) entre la détection des ondulations et la stimulation, ce qui n’a conduit à aucune amélioration du rappel. En améliorant le dialogue entre hippocampe et cortex, nous avons donc décuplé les performances de rappel 24 h plus tard. Ces résultats ont une portée théorique et clinique importante. Pour les valider et les compléter, nous effectuons des expériences complémentaires, notamment pour mieux comprendre les mécanismes précis qui permettent ce renforcement de la mémoire.

8Ces résultats sont susceptibles d’ouvrir la voie au développement de techniques innovantes de compensation fonctionnelle par stimulation ciblée chez des patients atteints de troubles de la mémoire, par exemple dans les stades précoces de la maladie d’Alzheimer.

Publications (septembre 2014 – août 2015)

9Albertin S.V. et Wiener S.I., « Neuronal Activity in the Nucleus Accumbens and Hippocampus in Rats during Formation of Seeking Behavior in a Radial Maze », Bulletin of Experimental Biology and Medicine, 158(4), février 2015, 405-409, DOI : 10.1007/s10517-015-2773-4.

Catanese J., Viggiano A., Cerasti E., Zugaro M.B. et Wiener S.I., « Retrospectively and prospectively modulated hippocampal place responses are differentially distributed along a common path in a continuous T-maze », The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience, 34(39), septembre 2014, 13163-13169, DOI : 10.1523/JNEUROSCI.0819-14.2014.

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Pour citer cet article

Référence papier

Annuaire du Collège de France 2014-2015. Résumé des cours et travaux 115e année, Paris, Collège de France, novembre 2016, p. 920-922. ISBN 978-2-7226-0453-7

Référence électronique

Michaël Zugaro, « Rythmes cérébraux et codage neural de la mémoire », L’annuaire du Collège de France [En ligne], 115 | 2016, mis en ligne le 22 juin 2018, consulté le 15 novembre 2018. URL : http://journals.openedition.org/annuaire-cdf/12642

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Auteur

Michaël Zugaro

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Droits d’auteur

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