Responsable : Laurent Venance

Équipe : Bertrand Degos, Willy Derousseau, Alexandre Mendes, Sylvie Perez, Yulia Dembitskaya, Sebastien Valverde, Marie Vandecasteele, Élodie Perrin

Recherche

1Notre sujet d’étude est l’encodage par des réseaux neuronaux de la mémoire dite procédurale. Les ganglions de la base sont impliqués dans la planification de comportements dirigés vers un but et l’apprentissage procédural (tels que faire du vélo, lacer ses chaussures, etc.). Le striatum, le principal noyau d’entrée des ganglions de la base, reçoit des afférences de l’ensemble du cortex et de noyaux thalamiques. Il est principalement composé de neurones de projection GABAergiques, les medium-sized spiny neurons (MSNs), et d’interneurones GABAergiques et cholinergiques. Les MSNs, silencieux au repos, déchargent lors d’activités corticales de fortes amplitudes et synchrones. Ainsi, les MSNs agissent comme des détecteurs de coïncidence de l’activité corticale ; ils extraient du bruit de fond les informations corticales jugées pertinentes et ce, en fonction du contexte.

2D’après le postulat de Hebb, les réseaux neuronaux adaptent leur connectivité sous l’influence des activités pré- et post-synaptiques. La spike-timing-dependent plasticity (STDP) est une règle d’apprentissage synaptique de type Hebbien, qui repose sur la structure temporelle précise des patrons d’activités appariées de part et d’autre de la synapse. La plasticité cortico-striatale serait le substrat biologique de l’apprentissage procédural effectué par les ganglions de la base. Les neurones de sortie du striatum agissent comme des détecteurs de coïncidence des activités corticales et thalamiques. La STDP cortico-striatale pourrait donc jouer un rôle crucial dans les processus d’encodage de l’apprentissage et la mémoire procédurale. Nous avons exploré les conditions d’émergence et d’expression de la STDP cortico-striatale.

Les astrocytes contrôle l’expression de la plasticité hebbienne

3Le concept de synapse tripartite (éléments neuronaux pré- et post-synaptiques et astrocytaires) a mis les cellules gliales au cœur des processus de traitement de l’information. Nous avons montré que le contrôle spatiotemporel de la recapture du glutamate effectué par les astrocytes permettait l’émergence de la STDP. Lorsque cette recapture est perturbée, alors la STDP (bidirectionnelle et s’exprimant dans une fenêtre temporelle réduite) disparaît au profit d’une plasticité non hebbienne régie par d’autres lois. Nous avons de plus observé des effets marqués des transports astrocytaires du glutamate sur les phénomènes de plasticité à long terme. L’activité des transporteurs astrocytaires du glutamate (EAAT2 majoritairement) permet donc non seulement de faire émerger la plasticité de type hebbien STDP mais aussi de sélectionner un mode de plasticité soit temporel (STDP) soit fréquentiel (Valtcheva et Venance, Nat Comm, 2016).

Une nouvelle forme de potentialisation à long terme sous-tendue par le système endocannabinoïde

4Nous avons mise en évidence une potentialisation a long-terme (LTP) de type STDP dépendante du système endocannabinoïde et induite par un faible nombre (5-10) de stimulations cortico-striatales, tel que cela peut être le cas dans des situations d’apprentissage rapide (fast learning ou fast mapping). Pour une combinaison d’approches expérimentale (electrophysiologie) et mathématique (modèle biophysique réaliste), nous avons disséqué la cascade moléculaire à la base de l’expression de cette endocannabinoïde-LTP. Cette nouvelle forme de plasticité étend considérablement les possibilités de codage qu’ont les neurones à leur disposition (Cui et al., 2016, eLife).

Plasticité synaptique cortico-striatale et thalamo-striatale

5Afin de comparer les propriétés des deux entrées principales (cortex et thalamus) du striatum, nous étudions la transmission et la STDP des synapses cortico- et thalamo-striatales. Nous avons caractérisé la STDP cortico-striatale au niveau des MSNs et des interneurones (voir revues : Fino et Venance, 2010 ; 2011) mais il n’existe que peu de donnés sur la plasticité thalamo-striatale. Nous caractérisons la STDP thalamo-striatale grâce à l’activation électrique des afférences thalamiques et avons observé une STDP hebienne thalamo-striatale, montrant donc avec une polarité inverse de la STDP cortico-striatale (anti-hebienne). Nous avons identifié que les récepteurs NMDA sont impliqués dans la mise en place de la STDP thalamo-striatale. Enfin, nous analysons l’impact de la STDP thalamo-striatale sur la transmission cortico-striatale et vice versa. Cela nous permettra de mieux comprendre l’intégration par le striatum des informations corticales (des plus limbiques aux plus motrices) et de la composante motivationnelle relayée par le thalamus.

Publications

6Valtcheva S. et Venance L., « Astrocytes gate Hebbian synaptic plasticity in the striatum », Nature Communications, vol. 7, n^o 13845, 2016, DOI : 10.1038/ncomms13845.

Cui Y., Prokin I., Xu H., Delord B., Genet S., Venance L. et Berry H., « Endocannabinoid dynamics gate spike-timing dependent depression and potentiation », ELife, vol. 5, 2016, DOI : 10.7554/eLife.13185.

Gomes J.-M., Bédard C., Valtcheva S., Nelson M., Khokhlova V., Pouget P., Venance L., Bal T. et Destexhe A., « Intracellular impedance measurements reveal non-ohmic properties of the extracellular medium around neurons », Biophysical Journal, vol. 110, n^o 1, 2016, p. 234-246, DOI : 10.1016/j.bpj.2015.11.019.

Cui Y., Paillé V., Xu H., Genet S., Delord B., Fino E., Berry H. et Venance L., « Endocannabinoids mediate bidirectional striatal spike-timing-dependent plasticity », The Journal of Physiology, vol. 593, n^o 13, 2015, p. 2833-2849, DOI : 10.1113/JP270324.

Eddine R., Valverde S., Tolu S., Dautan D., Hay A., Morel C., Cui Y., Lambolez B., Venance L., Marti F. et Faure P., « A concurrent excitation and inhibition of dopaminergic subpopulations in response to nicotine », Scientific Reports, vol. 5, n^o 8184, 2015, DOI : 10.1038/srep08184.

Ferreira S.G., Gonçalves F.Q., Marques J.M., Tomé Â.R., Rodrigues R.J., Nunes-Correia I., Ledent C., Harkany T., Venance L., Cunha R.A. et Köfalvi A., « Presynaptic adenosine A2A receptors dampen cannabinoid CB1 receptor-mediated inhibition of corticostriatal glutamatergic transmission », British Journal of Pharmacology, vol. 172, n^o 4, 2015, p. 1074-1086, DOI : 10.1111/bph.12970.

Vandecasteele M., Varga V., Berényi A., Papp E., Barthó P., Venance L., Freund T.F. et Buzsáki G., « Optogenetic activation of septal cholinergic neurons suppresses sharp wave ripples and enhances theta oscillations in the hippocampus », Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 111, n^o 37, 2014, p. 13535-13540, DOI : 10.1073/pnas.1411233111.