Une étude révèle un nouveau rôle éducatif pour le cortex entorhinal

Une étude révèle un nouveau rôle éducatif pour le cortex entorhinal

Une question de longue date en neurosciences est de savoir comment les cerveaux des mammifères (y compris le nôtre) s'adaptent aux environnements, informations et expériences externes. Dans une étude de changement de paradigme publiée dans Nature, des chercheurs du Jan et Dan Duncan Neurological Research Institute (Duncan NRI) du Texas Children's Hospital et du Baylor College of Medicine ont découvert les étapes mécanistes sous-jacentes à un nouveau type de plasticité synaptique appelée plasticité synaptique à échelle de temps comportementale (BTSP). L'étude dirigée par le Dr Jeffrey Magee, professeur à Baylor et également chercheur au Howard Hughes Medical Institute et au Duncan NRI, montre comment le cortex entorhinal (CE) envoie des signaux instructifs à l'hippocampe - ; la région cérébrale essentielle à la navigation spatiale, au codage et à la consolidation de la mémoire ; et lui demande de réorganiser spécifiquement l'emplacement et l'activité d'un sous-ensemble particulier de ses neurones pour obtenir un comportement modifié en réponse à son environnement changeant et à ses signaux spatiaux.

Les neurones communiquent entre eux en transmettant des signaux électriques ou chimiques via des connexions appelées synapses. La plasticité synaptique fait référence à la capacité adaptative de ces connexions neuronales à devenir plus fortes ou plus faibles au fil du temps en réponse directe aux changements de leur environnement externe. Cette capacité adaptative de nos neurones à répondre rapidement et précisément aux signaux externes est essentielle à notre survie et à notre croissance et constitue la base neurochimique de l’apprentissage et de la mémoire.

L'activité cérébrale et le comportement d'un animal s'adaptent rapidement aux changements spatiaux

Pour identifier le mécanisme qui sous-tend la capacité du cerveau des mammifères à apprendre de manière adaptative, la Dre Christine Grienberger, chercheuse postdoctorale au laboratoire Magee et auteur principal de l'étude, a mesuré l'activité d'un groupe spécifique de cellules de lieu, qui sont des neurones hippocampiques spécialisés qui créent et mettent à jour des « cartes » des environnements externes. Elle a attaché un microscope puissant au cerveau de ces souris et a mesuré l’activité de ces cellules pendant que les souris couraient sur un tapis roulant linéaire.

Dans la phase initiale, les souris étaient habituées à ce dispositif expérimental et la position de la récompense (eau sucrée) était modifiée à chaque tour. "Dans cette phase, les souris couraient continuellement à la même vitesse tout en léchant continuellement la piste. Cela signifiait que les cellules de place chez ces souris formaient un motif de carrelage uniforme", a déclaré le Dr Grienberger, actuellement professeur adjoint à l'Université Brandeis.

Dans la phase suivante, elle a attaché la récompense à un endroit spécifique de la piste avec quelques repères visuels pour orienter les souris et a mesuré l'activité du même groupe de neurones.

J'ai vu que changer l'emplacement de la récompense modifiait le comportement de ces animaux. Les souris se sont ensuite arrêtées peu avant le point de récompense pour goûter l’eau sucrée. Et plus intéressant encore, ce changement de comportement s’est accompagné d’une densité et d’une activité accrues des cellules de lieu autour du site de récompense. Ceci suggère que les changements dans les signaux spatiaux peuvent conduire à une réorganisation et à une activité adaptatives des neurones hippocampiques.

Dr Christine Grienberger, professeure adjointe, Université Brandeis

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Ce paradigme expérimental a permis aux chercheurs d'examiner comment les changements dans les signaux spatiaux façonnent le cerveau des mammifères pour produire de nouveaux comportements adaptatifs.

Pendant plus de 70 ans, la théorie hebbienne, familièrement résumée par « des neurones qui s'activent ensemble, se connectent ensemble », a dominé la vision des neuroscientifiques sur la manière dont les synapses se renforcent ou s'affaiblissent avec le temps. Bien que cette théorie bien étudiée constitue la base de plusieurs avancées dans le domaine des neurosciences, elle présente certaines limites. En 2017, des chercheurs du laboratoire Magee ont découvert un nouveau et puissant type de plasticité synaptique – la plasticité synaptique comportementale à l’échelle temporelle (BTSP) – qui surmonte ces limitations et fournit un modèle qui imite au mieux l’échelle de temps de la façon dont nous apprenons ou mémorisons des événements liés dans la vie réelle.

En utilisant le nouveau paradigme expérimental, le Dr Grienberger a découvert que dans la deuxième phase, des neurones de cellules de lieu auparavant silencieux acquéraient brusquement de grands champs de lieux en un seul cycle après que l'emplacement de la récompense ait été établi. Cette découverte est cohérente avec une forme non hebbienne de plasticité et d’apprentissage synaptique. Des expériences supplémentaires ont confirmé que les changements adaptatifs observés dans les cellules hippocampiques et le comportement de ces souris étaient bien dus au BTSP.

Le cortex entorhinal indique aux cellules de l’hippocampe comment réagir aux changements spatiaux

Sur la base d'études antérieures, l'équipe Magee savait que BTSP implique un signal instructif/de surveillance qui n'est pas nécessairement à l'intérieur ou à côté des neurones cibles activés (dans ce cas, les cellules de l'hippocampe). Pour identifier l'origine de ce signal pédagogique, ils ont examiné les projections axonales d'une région cérébrale voisine appelée cortex entorhinal (CE), qui innerve l'hippocampe et agit comme une passerelle entre l'hippocampe et les régions néocorticales qui contrôlent les processus exécutifs/décisionnels supérieurs.

"Nous avons constaté que l'inhibition ciblée d'un sous-ensemble d'axones EC qui innervent les neurones hippocampiques CA1 à partir desquels nous avons enregistré empêchait le développement de surreprésentations de la récompense CA1 dans le cerveau", a déclaré le Dr Magee.

Sur la base de plusieurs lignes de recherche, ils ont conclu que le cortex entorhinal fournit un signal d'instruction cible relativement invariant qui ordonne à l'hippocampe de réorganiser la position et l'activité des cellules de lieu, ce qui influence à son tour le comportement de l'animal.

"La découverte selon laquelle une partie du cerveau (complexe entorhinal) peut ordonner à une autre région cérébrale (hippocampe) de modifier la position et l'activité de ses neurones (cellules de lieu) est une découverte extraordinaire en neurosciences", a ajouté le Dr Magee. "Cela change complètement notre vision de la façon dont les changements dépendants de l'apprentissage se produisent dans le cerveau et révèle de nouvelles possibilités qui transformeront et guideront notre approche des maladies neurologiques et neurodégénératives à l'avenir."

Cette étude a été financée par le Howard Hughes Medical Institute, la Cullen Foundation et le Jan et Dan Duncan Neurological Research Institute du Texas Children's Hospital.

Source:

Hôpital pour enfants du Texas

Référence:

Grienberger, C & Magee, JC, (2022) Le cortex entorhinal contrôle les changements liés à l'apprentissage dans les représentations CA1. Nature. est ce que je.org/10.1038/s41586-022-05378-6.

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