Un microcircuit cortical pour mieux s’orienter
Impliqué dans la cognition spatiale, le presubiculum contient des neurones dont l’activité dépend de la direction de la tête. C’est une véritable boussole dont le fonctionnement reste peu connu. L’équipe de Desdemona Fricker au Centre de neurophysique, physiologie, pathologies révèle chez la souris comment les communications synaptiques entre neurones excitateurs et inhibiteurs permettrait de contrôler la précision du signal au sein du presubiculum. Cette étude a été publiée le 20 juillet 2017 dans la revue Nature Communications.
Pour représenter notre environnement et nous y projeter, notre cerveau combine notre perception du monde extérieur et des informations internes, notamment celle du système vestibulaire à la base de notre sens de l’équilibre. Les informations vestibulaires (accélération) permettent de générer, dans le tronc cérébral et l’hypothalamus, des informations directionnelles codées par des neurones appelés « cellules de direction de la tête ». Une cellule de direction de la tête s’active – c’est à dire qu’elle émet des potentiels d’action - seulement quand la tête est tournée dans une direction donnée. Plus précisément, chaque cellule encode une gamme restreinte et continue de directions, et l’ensemble des cellules de direction de la tête permet de représenter toutes les directions. L’information est ensuite transmise au thalamus antérieur, puis à une région corticale du lobe temporal, le présubiculum, dont la moitié des neurones sont des cellules de direction de la tête.
Au sein du présubiculum, des informations visuelles sont combinées au signal et permettent d’ancrer l’activité des neurones, c’est-à-dire qu’une cellule de direction de la tête donnée indique toujours la même direction. En l’absence de repères visuels, les cellules perdent cet ancrage, ce qui pourrait expliquer pourquoi notre cap est rapidement erroné quand on se déplace dans le noir. De plus, le présubiculum raffine le signal, c’est à dire que chaque cellule de direction de la tête s’active pour une gamme de directions beaucoup plus restreinte que dans le thalamus. Ces processus sont très probablement liés au fonctionnement intrinsèque du présubiculum qui reste très peu connu à ce jour.
Les chercheurs montrent comment, dans le présubiculum, un circuit de neurones spécialisé peut soutenir les signaux de direction de tête. Ce réseau, formé par des cellules pyramidales excitatrices et des cellules de Martinotti inhibitrices, a été étudié au moyen d’enregistrements en patch-clamp sur tranches de présubiculum ex vivo couplés à des outils optogénétiques et à de la modélisation.
Les chercheurs ont d’abord établi que le signal directionnel du thalamus antérieur cible les cellules pyramidales, mais pas les cellules de Martinotti. Au sein du présubiculum, ces deux types de neurones sont fortement interconnectés. La synapse excitatrice formée par la cellule pyramidale sur la cellule de Martinotti est facilitatrice, c’est-à-dire qu’elle a besoin d’être stimulée intensément pour libérer des neurotransmetteurs et communiquer l’information. Seules les décharges à haute fréquence, survenant in vivo quand une même direction est maintenue, recruteraient les cellules de Martinotti générant alors un rétrocontrôle inhibiteur. Les résultats montrent ensuite que ce rétrocontrôle inhiberait moins la cellule pyramidale initiant la décharge de la cellule de Martinotti que les cellules voisines. En théorie, les décharges persistantes d’une cellule de direction de la tête exerceraient donc une inhibition, via les cellules de Martinotti, préférentiellement sur les neurones qui ne codent pas la direction de la tête maintenue. Pour tester si ces interactions synaptiques supporteraient le codage de l’information directionnelle, un réseau de neurones a été modélisé à partir des données de l’étude. Les simulations ont montré qu’un tel réseau permettrait en effet de générer une activité cohérente au sein d’une population de cellules de direction de la tête.
Selon Jean Simonnet, ancien doctorant, premier auteur de l’étude « Cette étude originale tente de tisser un lien entre les éléments synaptiques et l’activité corticale liée au comportement et, par conséquent, apporte des éléments nouveaux pour la compréhension des microcircuits neuronaux de la cognition spatiale. Les interprétations quant au rôle du microcircuit dans le contexte de l’orientation doivent maintenant être vérifiées expérimentalement in vivo. »
Figure : La décharge persistante à haute fréquence de la cellule pyramidale recrute une cellule de Martinotti. A. Morphologie d’une cellule pyramidale (PC, dendrite en bleu et axone en orange) et d’une cellule de Martinotti (MC, dendrite en vert et axone en rouge) interconnectées. Les lignes discontinues et les nombres indiquent la position des différentes couches corticales du présubiculum (6 en tout). B. Diagramme de phase d’un neurone qui signale la direction de la tête, enregistré in vivo. Toutes les directions sont représentées sur le cadrant circulaire, l’axe radial représente la fréquence de décharge du neurone, qui augmente seulement quand la tête est dirigée vers le coin inférieur gauche de l’environnement. Une cellule pyramidale enregistrée en tranche via la technique de patch clamp (tracé bleu) a été stimulée en utilisant le patron de décharge de la cellule de direction de la tête, c’est-à-dire la séquence temporelle précise des potentiels d’action (PA). Une cellule de Martinotti (traces vertes) reçoit les informations de la cellule pyramidale et y répond préférentiellement à la fin d’une série de potentiels d’actions à haute fréquence. En haut, l’enregistrement montre des courants postsynaptiques excitateurs (EPSCs). En bas, les tracés montrent la décharge de potentiels d’actions (PA).
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Activity dependent feedback inhibition may maintain head direction signals in mouse presubiculum
Jean Simonnet, Mérie Nassar, Federico Stella, Ivan Cohen, Bertrand Mathon, Charlotte N. Boccara, Richard Miles & Desdemona Fricker.
Nature Communications. Nature Communications 8, Article number: 16032 (2017) doi:10.1038/ncomms16032. Published online: 20 July 2017.