Une question de longue date en neurosciences est de savoir comment le cerveau des mammifères (y compris le nôtre) s’adapte aux environnements externes, aux informations et aux expériences. Dans une étude révolutionnaire publiée dans La nature, des chercheurs du Jan and 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 comportementale (BTSP). L’étude, dirigée par le Dr Jeffrey Magee, professeur à Baylor, qui est également un Howard Hughes Medical Institute, et chercheur Duncan NRI, révèle comment le cortex entorhinal (CE) envoie des signaux instructifs à l’hippocampe – ; la région du cerveau critique pour la navigation spatiale, l’encodage de la mémoire et la consolidation – ; et le dirige pour réorganiser spécifiquement l’emplacement et l’activité d’un sous-ensemble spécifique 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 des produits chimiques à travers des jonctions appelées synapses. La plasticité synaptique fait référence à la capacité adaptative de ces connexions neuronales à se renforcer ou à s’affaiblir au fil du temps, en réponse directe aux changements de leur environnement externe. Cette capacité d’adaptation de nos neurones à répondre rapidement et avec précision aux signaux externes est essentielle à notre survie et à notre croissance et constitue le fondement neurochimique de l’apprentissage et de la mémoire.
L’activité cérébrale et le comportement d’un animal s’adaptent rapidement en réponse aux changements spatiaux
Pour identifier le mécanisme qui sous-tend la capacité d’apprentissage adaptatif du cerveau des mammifères, une stagiaire postdoctorale du laboratoire Magee et auteure principale de l’étude, la Dre Christine Grienberger, a mesuré l’activité d’un groupe spécifique de cellules de lieu, qui sont des neurones spécialisés de l’hippocampe qui construire et mettre à jour des « cartes » d’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 ont été acclimatées à cette configuration expérimentale et la position de la récompense (eau sucrée) a été modifiée à chaque tour. « Dans cette phase, les souris couraient continuellement à la même vitesse tout en léchant la piste en continu. Cela signifiait que les cellules de 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 fixé la récompense à un endroit précis sur 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 le lieu de récompense modifiait le comportement de ces animaux. Les souris ont maintenant ralenti brièvement avant le site de récompense pour goûter l’eau sucrée. Et plus intéressant encore, ce changement de comportement s’est accompagné d’une augmentation de la densité et de l’activité des cellules de lieu autour du site de récompense. Cela a indiqué que les changements dans les signaux spatiaux peuvent conduire à une réorganisation adaptative et à l’activité des neurones de l’hippocampe »,
Dre Christine Grienberger, professeure adjointe, Université Brandeis
Ce paradigme expérimental a permis aux chercheurs d’explorer comment les changements dans les signaux spatiaux façonnent le cerveau des mammifères pour susciter de nouveaux comportements adaptatifs.
Pendant plus de 70 ans, la théorie hebbienne, qui est familièrement résumée comme « des neurones qui s’allument ensemble, se connectent ensemble », a singulièrement dominé la vision des neuroscientifiques sur la façon dont les synapses deviennent plus fortes ou plus faibles avec le temps. Bien que cette théorie bien étudiée soit à 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 à échelle de temps comportementale (BTSP) – qui surmonte ces limitations et offre un modèle qui imite au mieux l’échelle de temps de la façon dont nous apprenons ou nous souvenons d’événements liés dans la vie réelle. .
En utilisant le nouveau paradigme expérimental, le Dr Grienberger a observé que dans la deuxième phase, les neurones cellulaires de lieu qui étaient auparavant silencieux acquéraient brusquement de grands champs de lieu en un seul tour après la fixation de l’emplacement de la récompense. Cette découverte est cohérente avec une forme non hebbienne de plasticité synaptique et d’apprentissage. Des expériences supplémentaires ont confirmé que les changements adaptatifs observés dans les cellules de lieu de l’hippocampe et dans le comportement de ces souris étaient bien dus au BTSP.
Le cortex entorhinal indique aux cellules de localisation de l’hippocampe comment réagir aux changements spatiaux
Sur la base de leurs études précédentes, l’équipe Magee savait que le BTSP implique un signal instructif/supervisé qui ne se trouve pas nécessairement à l’intérieur ou à côté des neurones cibles (dans ce cas, les cellules de l’hippocampe) qui sont activés. Pour identifier l’origine de ce signal instructif, ils ont étudié les projections axonales d’une région cérébrale voisine appelée le cortex entorhinal (CE), qui innerve l’hippocampe et agit comme une passerelle entre l’hippocampe et les régions néocorticales qui contrôlent l’exécutif supérieur/la prise de décision. processus.
« Nous avons découvert que lorsque nous inhibions spécifiquement un sous-ensemble d’axones EC qui innervent les neurones hippocampiques CA1 à partir desquels nous enregistrions, cela empêchait le développement de surreprésentations de la récompense CA1 dans le cerveau », a déclaré le Dr Magee.
Sur la base de plusieurs lignes d’investigations, ils ont conclu que le cortex entorhinal fournit un signal instructif cible relativement invariant qui dirige l’hippocampe pour réorganiser l’emplacement et l’activité des cellules de lieu qui, à son tour, affecte le comportement de l’animal.
« La découverte qu’une partie du cerveau (complexe entorhinal) peut diriger une autre région du cerveau (hippocampe) pour modifier l’emplacement 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 dépendant de l’apprentissage dans le cerveau se produisent et révèle de nouveaux domaines de possibilités qui transformeront et guideront notre approche des troubles neurologiques et neurodégénératifs à l’avenir. »
Cette étude a été financée par le Howard Hughes Medical Institute, la Cullen Foundation et le Jan and Dan Duncan Neurological Research Institute du Texas Children’s Hospital.
