Neurobiologie de la mémoire HMBS106 HMBS106 Michel Vignes La mémoire et les neurobiologistes • Recherche Recherche des mécanismes moléculaires et cellulaires responsables des mécanismes moléculaires et cellulaires responsables de la mémorisation: qu’est‐ce qui se passe dans un neurone lorsqu’il y a une mémorisation? Où sont stockées les informations dans le système nerveux central? y • Interférence avec les processus de mémorisation: maintien de certaines informations et oubli d’autres certaines informations et oubli d autres (mémoires aversives); (mémoires aversives); • Utilisation de modèles animaux ‘simples’ comportant des circuits synaptiques facilement identifiables et des comportements synaptiques facilement identifiables et des comportements stéréotypés pouvant être corrélés avec une activité synaptique; Drosophile Abeille Aplysie py Diamant mandarin Rat Souris Humain Les différentes formes de mémoire humaine Les différentes formes de mémoire humaine • De manière intuitive, on peut classer la mémoire en : à court terme et à long terme. é à àl – Je me souviens d’un code ou d’un n° de téléphone qu’on me dit avant de le chiffrer sur un clavier (court terme); – J’ai appris à faire du vélo et je m’en souviendrai toute ma vie. Les différentes formes de mémoire humaine • On peut aussi distinguer différentes formes de mémoire: consciente et inconsciente – Mémoire ‘consciente’ ou déclarative : • Mémoire sémantique : je me souviens du langage, des mots, des idées, du ‘savoir universel’ comme ‘Paris est la capitale de la France’; • Mémoire épisodique : je me souviens des évènements de ma vie et du monde qui m Mémoire épisodique : je me souviens des évènements de ma vie et du monde qui m’entoure entoure, je je suis capable de faire des nouveaux souvenirs. Cette forme de mémoire s’altère avec le vieillissement et les pathologies neurodégénératives comme la maladie d’Alzheimer; – Mémoire Mémoire ‘inconsciente’: inconsciente : • Mémoire ‘procédurale’: j’ai appris à faire du vélo, à conduire une voiture et je m’en souviens de manière inconsciente chaque fois que je suis sur un vélo ou au volant d’une voiture; • Mémoire ‘émotive’ : elle fait appel à des peurs inconscientes. Serait à l’origine des ‘phobies’; • Apprentissage associatif: deux évènements non reliés entre eux vont être associés. On parle aussi Apprentissage associatif: deux évènements non reliés entre eux vont être associés On parle aussi de conditionnement ou apprentissage de type ‘pavlovien’. On associe facilement une personne et un parfum par exemple. • Apprentissage non‐associatif: – Habituation: Habituation: on répond de moins en moins à des stimuli s on répond de moins en moins à des stimuli s’ils ils sont répétés (et inoffensifs); Par exemple on sont répétés (et inoffensifs); Par exemple on ne réagit plus face à un environnement connu (rue, domicile); – Sensibilisation : on de vient plus sensible à des stimulations qui ne nous font rien habituellement: on devient plus attentifs aux sons qui nous entourent dans l’obscurité. Stimulation Organes sensoriels C perception Mémoire sensorielle (milliseconde, seconde) C Répétition attention Mémoire à court terme Mémoire à court terme (moins d’une minute) C consolidation Souvenir Mémoire à long terme (jours, mois, années) Oubli Tests de mémoire : Apprentissage Restitution à plus ou moins long terme Beaucoup de tests de mémoire reposent sur l’ l’associativité du processus de mémorisation. i i i éd d é i i On associe un stimulus ‘non‐conditionnant’ (ou inconditionnel), c’est‐à‐dire qui donne une ‘réponse’ à chaque présentation à un stimulus ‘conditionnant’ qui peut être ti l ‘ diti t’ i t êt conditionné, c’est‐à‐dire qui normalement ne p produit aucune réponse mais peut en p p produire une après conditionnement. Réponse conditionnée: expérience de Pavlov Réponse conditionnée: expérience de Pavlov Structure générale des neurones Épines dendritiques p q et synapses Transmission synaptique chimique Signaux bioélectriques sur les neurones LA PLASTICITE SYNAPTIQUE L’apprentissage repose sur une modification de l’activité neuronale qui impacte sur l’activité d’un réseau de neurones. En effet, les neurones sont des cellules très ‘plastiques’ qui leur permet de s’adapter rapidement à une situation donnée. Ce concept de ‘plasticité synaptique dans l’apprentissage’ a pour la première fois été avancé par Donald Hebb en 1949, qui, sans faire app e t ssage a pou a p e è e o s été a a cé pa o a d ebb e 9 9, qu , sa s a e d’expérimentation a énoncé le principe suivant : « Quand l’axone d’une cellule A se trouve suffisamment près d’une cellule B pour pouvoir la stimuler de façon répétitive et fréquente, il se produit certains processus de croissance ou des changements ç p q , p p g métaboliques dans une cellule ou dans les deux de sorte que l’efficacité de A sur les décharges de B est augmentée » A B Le principe de Donald Hebb se vérifie à de nombreuses synapses, notamment les synapses excitatrices glutamatergiques. La transmission synaptique entre deux neurones assurée par un neurotransmetteur excitateur comme le glutamate ou l’acétylcholine glutamate ou l acétylcholine, permet de transmettre l permet de transmettre l’information information à savoir des potentiel d à savoir des potentiel d’action action apparaissant apparaissant avec une certaine fréquence. La transmission synaptique excitatrice peut évoluer en fonction des stimulations de telle sorte que l’excitabilité des neurones à savoir leur capacité à générer des potentiels d’action sera elle aussi adaptée. A partir d’une situation donnée la communication entre deux neurones pourra évoluer en un augmentation ou une diminution de l’excitabilité augmentation ou une diminution de l excitabilité (voir schéma suivant). (voir schéma suivant) La ‘plasticité’ synaptique est donc nécessaire à l’adaptation du réseau neuronal et donc du système nerveux. La plasticité synaptique est particulièrement nécessaire à l’apprentissage et la mémorisation. Le neurone post‐synaptique peut devenir plus excitable (haut) ou moins excitable (bas) par rapport une situation p y p q p p ( ) ( )p pp donnée La modification de transmission synaptique, mise en évidence par la mesure des signaux de transmission synaptique y p q (p (potentiels p post-synaptiques y p q entre les neurones,, découle de modifications fonctionnelles et/ou morphologiques. A-Les modifications synaptique fonctionnelles peuvent être de nature présynaptiques et/ou p postsynaptiques. y p q 1. Au niveau présynaptique on peut mettre en évidence des modifications dans la quantité de neurotransmetteur libéré (illustré ici par une augmentation sachant qu’on peut aussi observer des diminutions): 2. Au niveau postsynaptique, des modifications du nombre de récepteurs peuvent être observées (illustré ici par une augmentation sachant qu’on peut aussi observer des diminutions): B-Les modifications synaptiques morphologiques peuvent être de nature présynaptiques et/ou postsynaptiques. t ti 1. Au niveau présynaptique, une augmentation ou diminution de l’extension axonale peut être mise en évidence: 2. Au niveau postsynaptique, le nombre d’épines dendritiques peut aussi être modulé en fonction de l’activité synaptique. Ici, une augmentation du nombre d’épines dendritiques est illustré: Les modifications de l’activité du réseau neuronal sur le long terme réclament en permanence la synthèse de nouvelles protéines, notamment des protéines du cytosquelette (actine, microtubules, ‘microtubuleassociated proteins’,…) pour la croissance axonale et des épines dendritiques, des récepteurs et des canaux ioniques. i i L Les neurones, comme lles autres t cellules, ll l peuventt produire d i d des protéines téi par une action ti nucléaire (noyau) mais aussi par une action locale. En effet, les neurones peuvent ‘exporter’ la production de protéines en produisant une traduction locale d’ARNm en protéines notamment au niveau des synapses actives grâce à des polyribosomes. On observe des granules de transport constituées par des ribonuléoprotéines, lé téi à savoir i d des assemblages bl d de protéines téi ett d’ARN d’ARNm. C Ces granules l sontt ainsi i i ttransportées té vers les sites actifs pour délivrer les ARNm à traduire: Synapse active Synthèse nucléaire de protéines p noyau traduction locale de protéines Granules de transport (ribonucléoprotéines) Le système de traduction locale est très efficace, rapide et spécifique des synapses actives. Des mutations de ce système sont à l’origine du retard mental observé dans des maladies génétiques comme le retard mental lié à l’X fragile dû à une mutation de la protéine FMRP, une protéine de transport des ARNm associée aux granules. Les cellules gliales (astrocytes, microglie) peuvent aussi contribuer à des modifications d’un réseau neuronal (‘interactions neurone-glie’). Les astrocytes régulent efficacement le milieu extracellulaire en capturant les neurotransmetteurs libérés après transmission synaptique grâce à des transporteurs et en régulant le taux de K+ dans le milieu extracellulaire. Ils peuvent aussi libérer des substances ayant un effet sur les récepteurs de neurotransmetteurs: effet agoniste ou co co-agoniste. agoniste Par exemple les astrocytes peuvent libérer du glutamate ou de l’ATP ayant ainsi un effet neurotransmetteur direct ou de la D-sérine qui a un effet co-agoniste sur les récepteurs du glutamate de type NMDA. Les astrocytes et la microglie peuvent aussi libérer des cytokines lorsqu’ils sont activés dans des cas de neuroinflammation. La disposition des astrocytes autour des synapses peut jouer un rôle primoridla dans la transmission. En effet on observe des phénomènes de ‘débordement’ ou ‘spill-over’ entre des synapses ayant une faible couverture gliale: Situation ‘contrainte’ entre deux synapses Phénomène de ‘spill-over’ Les cellules souches peuvent aussi contribuer à la plasticité du réseau synaptique en se différenciant en nouveaux neurones ou cellules gliales. Il y a une neurogénèse importante dans plusieurs régions du nSNC dont le gyrus dentelé dans l’hippocampe. Neurone Cellule souche Cellule gliale Schéma récapitulatif des différentes modifications neuronales observées après un apprentissage Tests de mémoire utilisés chez les rongeurs Test de la piscine de Morris MorrisMorris watermaze Test classique d’apprentissage spatial: on mesure la latence de découverte d’une plateforme immergée [apprentissage] et la rétention de mémoire par retrait de la plateforme après entraînement [d’après www.iop.kcl.ac.uk ]. Corrélats physiologiques de la LTP : apprentissage spatial (Piscine de Morris) Plate-forme cachée Cible Gauche Droit Opposé Après apprentissage Mauvais apprentissage Bon apprentissage Jours d’entraînement Tem mps dans qua adrant (%) Délai de découverte de la pla ateforme Avant apprentissage Gauche Cible MémorisationOpposé àppcourt Droit de terme ou mémoire travail normale altérée Test du labyrinthe à 8 branches – ‘Radial Radial maze maze’ Test utilisé pour évaluer la mémoire spatiale spatiale. Le labyrinthe est formé d'une plateforme centrale d'où rayonnent 8 corridors différents. On place de la nourriture au bout de chaque q ((ou quelques) q q ) corridors. Dans ce test, on mesure les nombre de choix corrects [visite d’un bras avec récompense] et le nombre d’erreurs [visite d’un bras déjà visité]. L'animal doit apprendre à entrer dans un corridor une seule fois fois. Chaque visite supplémentaire est considérée comme une erreur. La stratégie la plus simple serait de toujours visiter le corridor adjacent. Mais les rongeurs n'utilisent pas cette tactique et leurs déplacements nous renseignent sur leur processus de planification, de prise de décision et d'impulsivité. Ce test peut aussi être adapté pour mesurer la mémoire de travail et référentielle. Ce test a aussi comme avantage d'éviter d éviter le stress de la nage en bassin. Le désavantage est qu'il faut priver l'animal de nourriture et l'entraîner plusieurs fois avant d'atteindre des niveaux de performance asymptotiques. Labyrinthe de Barnes – ‘Barnes maze’ Ce test permet de mesurer rapidement et efficacement la mémoire de référence spatiale p des rats et des souris. Le Barnes maze est une plateforme circulaire et éclairée, percée de petits trous le long de sa circonférence. L'un de ces trous possède une cavité où peut s'enfuir l'animal. Pour trouver ce trou l'animal utilise des indices spatiaux situés dans la pièce. trou, pièce Les mesures utilisées ici sont le nombre de trous que le rongeur visite avant de trouver le bon trou, et le temps qu'il met p pour s'échapper. pp Le test est surtout conçu ç pour p évaluer la mémoire de référence mais peut être modifié pour mesurer la mémoire de travail. Ce test a l'avantage d'être moins stressant pour l'animal que le Morris Water Maze et le Radial Arm Maze et ne demande pas de faire jeûner ll'animal animal . T d’évitement Test d’é i passif-’Passive if ’P i avoidance’ id ’ Dans ce test, dès que l’animal se déplace sur la grille il reçoit un choc pp g ] Ensuite il aversif [[apprentissage]. est placé à nouveau dans cet environnement: on mesure alors le d’immobilité temps d immobilité (freezing) et la latence de descente de la plateforme [d’après www.myneurolab.com]. C diti Conditionnement t de d peur - Fear F conditioning diti i L’animal reçoit un stimulus aversif avec éventuellement association d d’un un stimulus conditionnant (CS). (CS) Le rappel du contexte ou du CS conduit à l’immobilité (‘freezing’). Ce test est aussi utilisé comme test de mémoire. Boîte blanche et noire-’Light-dark box’ Plus l’animal sera anxieux, plus il aura tendance à rester dans la p partie obscure. On mesure les passages entre les deux compartiments. On peut aussi associer un stimulus aversif à la partie obscure : dans ce cas on se place dans le cas de ll’évitement évitement passif. Labyrinthe en Y Y-Y Y maze Test d’alternance spontanée. Ce test permet de tester la mémoire à court terme. On s’attend à ce que le rongeur ne visite pas deux fois consécutives le même bras. Test de reconnaissance d’objets A A On présente un objet A en double à un rongeur: celui-ci va l’explorer A B On présente ensuite un nouvel objet B en présence du premier objet: s’il a reconnu l’objet A, le rongeur va aller explorer uniquement le nouvel objet. Reconnaissance olfactive-Olfactory recognition Odeur 1 + stimulus aversif Odeur 2 + récompense p On présente une odeur associée à une récompense et une autre odeur associée à un stimulus aversif. Les odeurs sont présentées ensuite dans un labyrinthe. On mesure les mouvements vers les deux odeurs. L’hippocampe, modèle de plasticité et mémoire Mécanismes de la mémoire déclarative: rôle majeur de hippocampe Chez l’Homme ll’hippocampe Chez l’Homme Intégration d’informations sensorielles mise communication (association) entre les différentes aires corticales formations de nouveaux souvenirs ‘géolocalisation’ cellules de lieu (‘place cells’) Coupe frontale Relations entre l’hippocampe et les régions anatomiques voisines (1) e a o s e e ppoca pe e es ég o s a a o ques o s es ( ) Relations entre l’hippocampe et les régions anatomiques voisines (2) e a o s e e ppoca pe e es ég o s a a o ques o s es ( ) Rôle de l’hippocampe : cas du patient Henry M (1926‐2008) Henry M souffrait d’épilepsie suite à un accident. Son épilepsie était incurable par des médicaments et semblait due à une hyperactivité de l’hippocampe. En yp pp p dernier recours une ablation chirurgicale des hippocampes a été pratiquée sur lui, alors âgé de 27 ans. Le résultat a été qu’il a développé une amnésie antérograde: après l’opération, il n’a plus été en té d è l’ é ti il ’ l été mesure de se souvenir de ce qu’il avait fait une heure avant, même si ses souvenirs d’enfance étaient intacts. Sa mémoire inconsciente semblait aussi préservée dans la mesure où il pouvait réaliser certaines tâches d’apprentissage moteur inconscient en augmentant ses performances. A permis de faire de nombreux progrès dans la compréhension du fonctionnement de l’hippocampe. Test de mémoire automatique (inconsciente): Test de mémoire automatique (inconsciente): habileté motrice (1) échecs Jours d’entraînement Test de mémoire automatique (inconsciente): habileté motrice (2) habileté motrice (2) Amélioration des performances dans le test d’habileté motrice par Henry M. On peut observer moins d’erreurs observer moins d erreurs par essai après par essai après plusieurs jours d’entraînement, sans que Henry M n’ait été capable de se souvenir s’il avait fait le test la veille. Marquage Golgi Cox Marquage des neurones avec de la GFP , mesure de q g , fluorescence (microscopie confocale et STED) et reconstruction Méthodes de visualisation des épines dendritiques : Golgi‐Cox, DiI, GFP Marquage avec le DiI (marqueur fluorescent membranaire) Etude électrophysiologique des iGluR Patch-clamp: mesure d’un courant synaptique excitateur ou application exogène d’agonistes iGluR PPSE +antagoniste GABAA (picroto ine) et GABAB (picrotoxine) (CGP55845) PPSI +antagoniste g AMPA ((CNQX)) et NMDA (AP5) Séparation des réponses glutamatergiques gl tamatergiq es et GABAergiques dans un circuit synaptique. Des récepteurs, des ligands et des ions…effets excitateurs (1) • Récepteurs ionotropes du glutamate Na+ Ca2+ GLU ((AMPA ou Kaïnate)) GLU ((ou NMDA)) Na+ Ca2+ Sous-unité Structure 3D Glycine ou D D-sérine sérine N Mg2+ C K+ K+ AMPA et Kaïnate • tétramère Récepteurs nicotiniques Na+ Ca2+ • NMDA K+ Na+ Acétylcholine (ou nicotine) Récepteurs 5HT3 N C Ca2+ K+ Na+ C pentamère Sérotonine • N Ca2+ Récepteurs P2X pentamère ATP N K+ trimère C Des récepteurs, des ligands et des ions…effets inhibiteurs (2) • Récepteurs GABAA du GABA ClGABA N C N C ppentamère • Récepteurs glycine Cl Clglycine pentamère Récepteurs ionotropes du glutamate: structure • Les récepteurs AMPA, Kaïnate et NMDA ont tous les trois une structure tétramérique de sous-unités spécifiques à chaque récepteur. • Une sous-unité est une protéine ayant 4 domaines TM, dont un (TM 2) ne traverse pas intégralement la membrane neuronale. NH2 Récepteur NMDA: GluN1, GluN2, GluN3 Récepteur AMPA: GluA1 GluA1, GluA2 GluA2, GluA3 GluA3, GluA4 Récepteur Kaïnate: GluK1, GluK2, GluK3, Gluk4, GluK5, GluK6 COOH Les récepteurs AMPA et kaïnate On peut théoriquement fabriquer des récepteurs AMPA fonctionnels avec des assemblages homomériques et hétéromériques en sousunités (GluA1, GluA2, GluA3, GluA4). Toutefois les récepteurs les plus représentés sont les récepteurs GluA1-GluA2 et GluA3GluA2. Par ailleurs, la pprésence de la sous-unité GluA2 éditée enlève la pperméabilité au Ca2+ de ce récepteur-canal. p L’editingg est une mutation post-transcriptionnelle qui dans ce cas se traduit par la mutation d’une Glutamine (Q) en Arginine (R) qui retire la perméabilité au Ca2+ R Na+, Ca2+ Na+, Ca2+ Récepteurs AMPA ne contenant t t pas Gl GluA2 A2 GluA1 Q R Na+ Na+ Récepteurs AMPA contenant t t Gl GluA2 A2 éditée édité Q/R GluA2 GluA3 (ou GluA4) Na+, Ca2+ Q Na+, Ca2+ Récepteurs AMPA contenant t t Gl GluA2 A2 non éditée Pour les récepteurs Kaïnate, les sous-unités GluK1, GluK2, GluK3, GluK4 peuvent former des homomères ou des hétéromères avec les récepteurs GluK5 et GluK6. On rencontre essentiellement des récepteurs Kaïnate contenant GluK1 ou GluK2 (homomères ou en association avec GluK5 ou GluK6). Ces sous-unités subissent l’editing comme GluA2: pas de perméabilité au Ca2+. Les récepteurs NMDA rencontrés sont tous des hétéromères contenant obligatoirement la sous-unité GluN1 qui porte le site de fixation du co-agoniste, et une sous-unité GluN2 ou GluN3. Dans le SNC on rencontre essentiellement GluN1-GluN2A, B,C,D GluN1 Récepteurs NMDA et différents sites GLU (ou NMDA) Ca2+ Glycine ou D-sérine Na+ Mg2+ GluN1 Site d’ antagonistes g non-compétitifs K+ Transmission et plasticité synaptique: Contribution des récepteurs AMPA au fonctionnement des récepteurs NMDA: même si dans les conditions d’activité basale, les récepteurs NMDA sont assez peu activés, une forte activation des récepteurs AMPA est capable de lever l’inhibition exercée par le magnésium sur le récepteur NMDA en produisant une dépolarisation ‘suffisante’. L’activité des récepteurs NMDA est largement sollicitée pour produire des phénomènes de plasticité synaptique (potentialisation à long terme LTP, dépression à long terme LTD). En effet ces phénomènes, supports moléculaires de la mémoire, sont dépendants d’une modification de la concentration en Ca2+ intracellulaire. Mg2+ AMPA Les récepteurs NMDA sont les récepteurs impliqués dans quasiment l’ensemble des phénomènes d’adaptation synaptique. Une stimulation exagérée de ces récepteurs peut conduire à des effets toxiques. toxiques NMDA Dépolarisation Na+ Na+ Ca2+ Modifications de la transmission synaptique Plasticité de la transmission : la potentialisation à long terme Plasticité de la transmission la potentialisation à long terme dans l’hippocampe de rongeur Plasticité de la transmission : la potentialisation à long terme dans l’hippocampe de rongeur • • • • Les synapses glutamatergiques de l’hippocampe (mais aussi d’autres régions cérébrales) ont une activité qui ss’adapte adapte en fonction des stimulations: suivant les stimulations, on observe des augmentations ou diminutions de en fonction des stimulations: suivant les stimulations on observe des augmentations ou diminutions de la transmission. Expérimentalement, on peut induire les phénomènes de plasticité par activation des afférences excitatrices par stimulation électrique à des fréquences bien précises. On ainsi induire le phénomène de LTP (ou potentialisation à long terme) ou de LTD (dépression à long terme). Ainsi l’induction de la LTP se fait des stimulations brèves à haute fréquence et celle de la LTD par des stimulations de longue durée à basse fréquence stimulations brèves à haute fréquence et celle de la LTD par des stimulations de longue durée à basse fréquence. Les deux phénomènes de LTP et de LTD sont nécessaires à plusieurs formes d’apprentissage: les modèles de pathologies cérébrales associés à des problèmes de mémorisation sont associés à une altération de ces phénomènes. La LTP est très étudiée dans l’aire CA1 de l’hippocampe où elle a été découverte en 1973. Dans cette région, la LTP est dépendante de l’activation des récepteurs NMDA postsynaptiques et de l’augmentation de calcium qu’ils produisent. Ceci n’est pas vrai à toutes les synapses: dans l’aire CA3 notamment, la LTP résulte de modifications présynaptiques. La LTP s’accompagne de modifications morphologiques comme une augmentation du nombre d’épines dendritiques et de pousses axonales pour créer de nouvelles synapses. Amplitu ude des ssignaux ssynaptiqu ues (% du n niveau ba asal) Représentation graphique de la LTP: variation de l’amplitude des signaux synaptiques en fonction du temps. HFS : stimulation à haute fréquence (en général 100Hz pendant 1 seconde). Dans l’aire CA1,, la LTP est dépendante p des récepteurs p NMDA ((ainsi q que des récepteurs p métabotropes p couplés à la PLC). On peut ainsi bloquer son induction avec un antagoniste de ces récepteurs. De même si on empêche l’augmentation de Ca2+ avec des chélateurs comme l’EGTA, on bloque l’induction de la LTP dans cette aire anatomique de l’hippocampe. L’induction de la LTP dans CA1 met en jeu l’activation des récepteurs NMDA suite à une forte dépolarisation apportée par l’activation des récepteurs AMPA. L’induction de la LTP dans CA1 est produite par une forte augmentation de la concentration en calcium intracellulaire suite à l’activation des récepteurs NMDA. Le calcium stimule de nombreux mécanismes qui contribuent à l’expression de la LTP, à savoir une augmentation durable de la transmission synaptique. 1- le calcium active des kinases (la Calcium calmoduline kinase II ou CamKII) qui phosphorylent les récepteurs AMPA et stimulent leur exocytose; 2-l’activation 2 l activation des kinases permet, si elle est suffisante, de stimuler la transcription génique c’est-à-dire c est à dire stimuler la synthèse de nouvelles protéines, pour produire, notamment des changements du cytosquelette et modifier ainsi la morphologie neuronale (voir diapo suivante); 3-Certains ARNm , présents dans l’épine dendritiques peuvent être traduits localement grâce à la présence de polyribosomes; 4 Des messagers rétrogrades peuvent être synthétisés comme le monoxyde d’azote 4-Des d azote (NO): ils peuvent produire des modifications présynaptiques. Augmentation du nombre d’épines dendritiques après LTP Neurones exprimant la GFP et image après traitement. Adapté de Nägerl et al., 2004, Neuron Diminution du nombre d’épines dendritiques après LTD Adapté de Segal, 2005, Nature Neuroscience Adapté de Nägerl et al., 2004, Neuron La LTP et la LTD s’accompagnent de modifications morphologiques des épines dendritiques qu’on peut visualiser en direct par des méthodes d’imagerie de fluorescence. On peut distinguer deux phases dans la LTP: une phase précoce (aussi appelée ‘early LTP’ ou ‘short term potentiation’) et une phase tardive (appelée ‘late LTP’). La phase tardive est dépendante de l’activation de la PKA et de la synthèse de nouvelles h di ( lé ‘l ’) h di dé d d l’ i i d l d l hè d ll protéines. Cette phase correspond à une phase de consolidation (voir diapo suivante). La voie le PKA conduisant à l’activation du facteur de transcription CREB est très largement impliquée dans la consolidation de la LTP (mais aussi de la mémoire à long terme. L’implication des kinases dans la consolidation de LTP peut être étudiée avec des inhibiteurs pharmacologiques ou encore avec p p p gq des animaux transgéniques présentants des mutations de ces kinases. C’est le cas du système transgénique conditionnel tétracycline ON‐OFF : des animaux transgéniques portant d’une part un gène à surexprimer (ici la CaMKII mutante) en aval d’un promoteur activé par la protéine tTA (transactivateur) et d’autre part le gène codant pour la protéine tTA en aval du promoteur de la CaMKII sont générés. Donc, lors de l’activation du promoteur de CaMKII (ceci se produit essentiellement dans les neurones de l’aire CA1), il y a expression du gène tTA et synthèse de la protéine tTA Ce transactivatieur se fixe ensuite sur son promoteur et déclenche l’expression protéine tTA. Ce transactivatieur se fixe ensuite sur son promoteur et déclenche l expression de la CaMKII mutée; conduisant chez l de la CaMKII mutée; conduisant chez l’animal animal aux aux déficits de plasticité et d’apprentissage. Toutefois, on peut arrêter ce système en donnant de la tétracycline ou doxycycline: en effet, ces molécules se fixent sur tTA et empêchent sa fixation sur son promoteur. L’inactivation ac a o gé génétique é que de la a voie oeC CREB ac activée ée pa par la a PKA inhibe be la a co consolidation so da o de la a LTP e et la a mémoire é o e à long o g terme dans le test de conditionnement de peur (immobilité ou ‘freezing’ mesuré). Cette inhibition est reproduite par un inhibiteur de synthèse protéique (l’anisomycine). Relations LTP ‐ mémoire Relations LTP ‐ • • • • • La LTP, mise en évidence dans les régions susceptibles de former et de stocker des souvenirs, a‐t‐elle quelque chose à voir avec la ‘mémoire’ telle qu’on la conçoit ? En effet, toute inhibition de la LTP est en général corrélée avec une inhibition de l’apprentissage; pp g ; La LTP semble donc nécessaire à l’apprentissage (la LTD aussi dans certains cas); Donc on peut se poser la question : l’apprentissage peut‐il déclencher une augmentation de la transmission synaptique (ou LTP)? augmentation de la transmission synaptique (ou LTP)? Deux exemples montrant qu’un apprentissage peut conduire directement à une LTP: – – Le conditionnement de peur et la LTP dans l Le conditionnement de peur et la LTP dans l’amygdale amygdale (Rumpel et al., 2005); (Rumpel et al 2005); L’évitement passif et la LTP dans l’aire CA1 de l’hippocampe (Whitlock et al., 2006). Apprentissage L’apprentissage dans le test ‘boîte blanche / boîte noire’ produit une LTP dans l’hippocampe de rat accompagnée de modifications biochimiques caractéristiques comme l’exocytose et la phosphorylation des récepteurs AMPA (Whitlock et al., 2006). Dans ce test, l’animal reçoit un choc aversif lorsqu’il se trouve dans la boîte noire. La transmission synaptique est mesurée in vivo vivo. Par ailleurs la LTP induite par cet apprentissage a tendance à produire une ‘occlusion’ de la LTP induite électriquement: le niveau de LTP induite électriquement est plus faible chez les animaux ayant appris que chez les animaux témoins. L’apprentissage app e ssage est es associé assoc é à des modifications od ca o s b biochimiques: oc ques la ap phosphorylation osp o y a o des sous sous-unités u és des récepteurs écep eu s AMPA (GluA1 et GluA2) mais pas des NMDA (GluN1). Mécanismes moléculaires impliqués dans la consolidation de mémoire émotive entre les synapses thalamo‐amygdaliennes: on retrouve les mêmes mécanismes que ceux rencontrés au niveau de la LTP dans l’aire CA1 de l’hippocampe : NMDACaMKIIPKACREB. Propriétés de la LTP et tagging synaptique La spécificité est mise en évidence en induisant la LTP sur une voie (S1) et pas sur l’autre l autre (S2) (S2). Dans ces conditions on ne doit observer de LTP que sur S1 si il y a spécificité (voir graphe). Cette caractéristique ne se retrouve pas forcément dans toutes les régions de l’hippocampe (aire CA3). S1 S2 Am mplitude des ssignaux postssynaptiques La LTP dans CA1 présente de nombreuses propriétés qui s’apparentent à celles du processus de mémorisation. Les principales propriétés sont la coopérativité, la spécificité et l’associativité. La LTP se déclenche au-delà d’un seuil d’activation des fibres présynaptiques: c’est la propriété de coopérativité. Pour mettre en évidence la spécificité et l’associativité, il faut réaliser des expériences en double stimulation. On stimule deux faisceaux de fibres afférentes S1 et S2 d’un même neurone (voir schéma). Temps (min) Même si la LTP est synapse-spécifique dans CA1, on peut aussi le phénomène d’associativité entre des synapses: l’induction de la LTP sur une synapse va faciliter l’induction de la LTP sur une synapse ne produisant pas normalement de LTP. Cette propriété searit à l’origine de l’associativité de mémoire observée notamment dans le conditionnement de type pavlovien l i où ù une stimulation ti l ti non conditionnelle diti ll ffacilite ilit le l conditionnement diti t d’une d’ stimulation ti l ti conditionnelle. diti ll S1 S1 S2 S2 Délai maximal 3h Ici on stimule S2 de manière à avoir une STP et pas une LTP (synapse ‘faible’). Sur la voie S1 on stimule de manière à déclencher la LTP. Si S2 est stimulé par la suite on obtient une LTP (synapse ‘forte’). L’induction de la LTP su S1 a en quelque sorte aidé l’induction de LTP sur S2. Le phénomène d’associativité est en général observé si la synapse S2 est stimulée au préalable (même de manière faible). Ceci a permis de formuler l’hypothèse de la création de ‘tags’ moléculaires qui se créent au niveau des synapses pour une stimulation même faible. Ce tag permet ensuite d’attirer les protéines nouvelles protéines dont la synthèse a été stimulée par l’induction de LTP au niveau d’une synapse forte. Ce tag a une durée de vie limitée (2 à 3 heures). De manière intéressante, intéressante l’inhibition l inhibition de la synthèse protéique lors de la deuxième stimulation S2 n’affecte n affecte pas l’induction l induction de la LTP. Nouvelles protéines S1 Synapse ‘forte’ forte Induction de LTP S2 Synapse ‘faible’ faible Conversion de STP en LTP grâce à la LTP en S1 Tags moléculaires Hypothèse de la présence de Tags moléculaires qui permettent d’attirer d attirer les nouvelles protéines et de convertir la STP en LTP Hypothèses sur l’identité des Tags moléculaires : -Les protéines d’échafaudage : Les récepteurs du glutamate sont engagés dans des complexes multimériques grâce à des interactions avec des protéines de l’élément postsynaptique. Ces complexes régulent le trafic des récepteurs entre la membrane et le milieu ili i intracellulaire. ll l i Il peuvent aussii permettre des Ils d couplages l entre deux d récepteurs é comme NMDA et mGlu (voir diapos suivantes). Ces protéines permettent de ‘capturer’ les récepteurs à la membrane GluA1. -La traduction locale d’ARNm : le déclenchement de cette activité permet d’attirer des ARNm à traduire, notamment des protéines du cytosquelette. -Le L protéasome té : son activité ti ité estt nécessaire é i pour la l déformation déf ti des d épines é i d d iti dendritiques. Quelques nouvelles protéines produites après plasticité: -GluA1. -Immediate early genes: ARC : Activity-Regulated Cytoskeleton-associated protein (ou Arg3.1); Homer 1a, zif268. Récepteur AMPA Récepteur p NMDA Homer 2, 2 3 (dimère) Homer 1a (court) Les protéines Homer permettent de maintenir les récepteurs mGlu1/5 à proximité des protéines impliquées dans la régulation du Ca2+ intracellulaire et des récepteur NMDA par l’intermédiaire de Shank. S1 S2 Délai maximal 30min De plus, on observe aussi la conversion de STP en LTP si la stimulation ‘faible’ est délivrée avant la stimulation forte. Pour appuyer cette P tt théorie thé i de d la l création é ti d de ttags moléculaires lé l i par l’l’activité ti ité synaptique, ti on tteste t cette tt h hypothèse thè iin vivo i avec des tests comportementaux. Pour cela il faut trouver un apprentissage mémorisé de manière transitoire et qui pourra être consolidé par pourra être consolidé par une autre activité. Un comportement d’exploration d’un environnement nouveau conduit à une libération importante de dopamine depuis l’aire tegmentale ventrale dans l’hippocampe. La dopamine stimule les récepteurs de type D1/D5 couplés à l’activation de la production d’AMPc. Cette activité permet d’activer la PKA et la synthèse de gènes précoces (type Zif 268 ou ARC). On testera donc si le protocole d’exploration d exploration de la nouveauté permet de consolider un apprentissage transitoire (voir diapos suivantes). Amp plitude signa aux syna aptiques (% %) Tempss d’interacction (%) Réponse correcte Réponse p fausse Stimulation faible ) Temps (h Le protocole utilisé est le suivant: le rat est placé dans une arène couverte de sable où de la nourriture est cachée à un endroit précis. Le rat doit creuser le sable pour trouver la récompense. Ensuite on effectue le test en remettant le rat dans la même arène mais en exposant des trous dont celui qui contenait la nourriture. On mesure alors le temps d’interaction avec les différents trous et on comptabilise le temps passé près de l’endroit précédemment appâté lors de l’apprentissage (réponses correctes). La mémorisation est relativement courte puisque 24h après le test l’animal l animal ne retrouve plus la position correcte. On est dans le cas d’une LTP qui consolide peu (STP). Am mplitude ssignaux syn naptiquess (%) Tem mps d’inte eraction (%) Nouvelle boîte faible fort + nouvelle boîte, Maintenant on introduit le comportement d’exploration (nouvelle boîte 30 minutes après avoir réalisé le premier. A 24h on observe que le premier apprentissage est fortement consolidé. En parallèle on observe que la STP est convertie en LTP. Tempss d’intera action (%) Pas de nouveauté Avec nouveauté Le blocage g des récepteurs p D1/D5 avec un antagoniste g ((SCH23390)) avant le comportement exploratoire bloque cette consolidation Tempss d’interacction (%)) Injection Injection immédiate Injection retardée Injection retardée (6h après) On vérifie ici que la synthèse protéique est importante pour la consolidation avec de l’Anisomycine T t f i cette Toutefois, tt activité ti ité intervient i t i t de d manière iè immédiate i édi t après è lle comportement t t exploratoire l t i mais i pas 6h après. L’anisomycime est active si elle est donnée immédiatement après le comportement exploratoire mais pas 6h après. La présence de tags moléculaires créés par l’activité neuronale, permettrait donc l’associativité dans la LTP et dans la mémoire. Le poids de l’épigénétique dans la plasticité Mémoire spatiale Mémoire spatiale Cellules de lieu (‘place cells’), cellules de grille (‘grid cells’), cellules de bordure (‘boundary cells’) et de direction (‘direction cells’) Prix Nobel 2014 Place cells Place cells • Identifiées en 1971 par John O’Keefe et Lynn Nadel par des p y p enregistrements in vivo de l’activité de cellules de l’hippocampe de rats se déplaçant dans un environnement d donné. é • Observation: certaines cellules de l’aire CA1 de l’hippocampe ne s’ activent que lorsque l’animal se trouve à un endroit précis d’où précis, d où leur nom leur nom ‘place place cells cells’;; • video La cellule n’est active que lorsque le rat se trouve dans cette partie du labyrinthe L’activité d’une place cell évolue avec l’exposition répétitive à un lieu: création d’une ‘carte cognitive’ . Lorsque l’animal est confronté à un nouvel environnement, une nouvelle carte se met en place. Les antagonistes NMDA empêchent la mise en place de ces cartes donc nécessité de l’activation de ces récepteurs pour cette activité. Grid cells, border cells, direction cells • EEn 2005, des cellules du cortex entorhinal s’activant 2005 d ll l d hi l ’ i avec un plan précis (grille) ont été découvertes, appelées ‘grid cells’ (MB et E Moser); lé ‘ id ll ’ (MB E M ) • Ensuite la présence de cellules s’activant lorsque l’animal se trouve au bord du labyrinthe et lorsque sa y q tête change de direction a été mise en évidence; Grid cells On observe une activité des cellules du cortex entorhinal qui se répète à des endroits p précis et constituent une ‘grille’ g d’activité. Les plans persistent plusieurs jours. L’activité des grid cells est aussi observée dans l’obscurité. On observe une superposition de l’activité des grid cells. Enregistrement de trois cellules voisines voisines. On observe des variations discrètes dans le fonctionnement des grid cells suivant les axes (ici axe dorso-ventral). jour Environnement Nouvel Familier Environnement entraînement La connaissance d’un environnement conduit à une diminution des champs d’activité des grid cells: les champs d’activité sont grands lorsque l’animal est dans un nouvel environnement puis décroît avec la connaissance du lieu. Place cells Grid cells Certaines cellules du cortex entorhinal s’activent uniquement lorsque l’animal est sur un bord (‘boundary cells’) B Boundary d cells ll On voit ici la spécificité de l’activité d’une boundary cell en changeant la place du bord droit de l’environnement. Il y a aussi des cellules qui s’activent s activent lorsque l’animal l animal tourne la tête dans une direction donnée(‘head direction cells’). Relations possibles entre les grid cells, boundary cells et place cells Cortex entorhinal Aire CA1 de l’hippocampe L’activité des grid cells est influencée par les place cells elle-même influencée par les boundary cells. Le réseau comporte des cellules inhibitrices (). Donc l’information du bord inhibe l’activité des place cells et diminue la stimulation des grid cells. Ainsi la carte cognitive du lieu ne dépasse la limite physique du lieu (hypothèse). Mémoire et insectes Mémoire et insectes • Mémoire olfactive chez l’abeille. On peut produire un conditionnement de type pavlovien chez l’abeille: la stimulation des antennes ou de la langue (proboscis) avec une solution g (p ) riche en sucrose (stimulus inconditionnel) conduit à l’extension du proboscis (‘proboscis extension reflex’, PER). On associe une odeur (stimulus conditionnel) et la présentation de cette odeur seule entraîne le (stimulus conditionnel) et la présentation de cette odeur seule entraîne le PER. Montage expérimental : les abeilles sont maintenues, l’odeur est diffusée (2 secondes) par un tube et la solution sucrée appliquée par simple contact (2 secondes). F Forward d pairing ii B k Backward d pairing i i ((n’induit ’i d it pas conditionnement, contrôle) SC SC SI SI On peutt distinguer O di ti une mémorisation é i ti à courtt tterme STM (1 jjour)) ett une mémorisation à long terme (LTM) du PER. Comme chez les rongeurs rongeurs, la STM fait intervenir essentiellement l’activité de kinases. Alors que la LTM fait intervenir en plus la synthèse protéique. Intérêt écologique: ‐Apprentissage Apprentissage olfactif de l olfactif de l’abeille abeille pour aller chercher le nectar pour aller chercher le nectar des fleurs: une fois que l’abeille trouve des fleurs d’une même espèce donnant du nectar elle continue à butiner ces fleurs et y retourne jusqu’à épuisement des fleurs. Elle continue encore à butiner 2/3 jours après épuisement pour vérifier qu’il n’y a plus de nectar (‘constance florale’). Ensuite elle ’il ’ l d t (‘ t fl l ’) E it ll recherchera un autre groupe de fleurs. Corps pédonculés Corne latérale Cellules de Kenyon Neurones de projection I-PN et m-PN Cholinergiques Lobe antennaire VUMmx1: neurone gustatif octopaminergique Information gustative SI Information olfactive SC Sc odeur Dépolarisation VUMmx1 Activité du motoneurone Activant l’extension du proboscis On peut obtenir un conditionnement en mimant la présentation du SI en dépolarisant le neurone VUMmx1 (forward pairing) On peut vérifier que le backward pairing ne produit pas de conditionnement en utilisant ce protocole. Transmission synaptique chez l’abeille: étude des réponses cholinergiques dans les cellules de Kenyon cholinergiques dans les cellules de Kenyon Les neurones de projection connectent les lobes antennaires aux mushroom bodies. Ils libèrent de l’acétylcholine et produisent l’excitation l excitation des cellules de Kenyon par l’intermédiaire l intermédiaire de récepteurs nicotiniques. Leurs effets sont modulés par des interneurones GABAergique. Schéma des connexions synaptiques: Corps pédonculés Mushroom bodies Lobe antennaire Récepteurs GABAA Acétylcholine estérase Organophosphorés Inhibiteurs AChE Phenylpyrazoles Antagonistes GABAA KC PN Canaux Na+ et Ca2+ dépendants du voltage Pyréthoides Bloqueurs Récepteurs nicotiniques Néonicotinoïdes: Agonistes nicotiniques Interférence entre les insecticides et la transmission synaptique cholinergique chez l’abeille y p q gq Réponses nicotiniques et pesticides cholinergiques électrode Dispositif expérimental: tranche de cerveau d’abeille et électrodes Effet e de l’acétylcholine acé y c o e su sur u une e ce cellule u e de Kenyon: e yo action excitatrice et blocage par la d-tubocurarine (dTC) Effet du Coumaphos (à 200nM) sur les cellules de Kenyon Kenyon. Le Coumaphos est un organophosphoré bloqueur de l’AChE utilisé comme pesticide. Son métabolite actif le Coumaphos oxon entraîne une forte dépolarisation qui s’accompagne d’une hyperpactivité et d’un inhibition de l’activité électrique. L’action du Coumaphos oxon est bloqué par la d-tubocurarine: son effet passe bien par une activation indirecte des récepteurs nicotiniques. Cette dépolarisation conduit à une inhibition des réponses cholinergiques Effet de l’Imidacloprid (à 1µM) sur les cellules de Kenyon. L’imidacloprid (Gaucho) est un néonicotinoïde (effet agoniste nicotinique). Il conduit à une inhibition des réponses cholinergiques: les réponses à l’acétylcholine sont ‘noyées’ dans l’activité induite par l’imidacloprid. Les deux p pesticides,, Coumaphos p et imidacloprid p ont des effets additifs sur l’activation des cellules de Kenyon: y ici , les mesures d’activité sont réalisées en présence de d’imidacloprid à 10nM et de Coumaphos à 50nM. [imlidacloprid] J Jour 1 Jour 4 Jour 8 L’imidacloprid diminue l’activité motrice d’abeilles intoxiquées à l’état larvaire. Les mesures sont réalisées 1, 4 et 8 jours après l’émergence. % d’abeilless butineuses de nectar mo ontrant le PER R % d’abeilles b butineuses de e pollen monttrant le PER % de sucrose dans la solution (stimulus inconditionnel) Inhibition du PER après application aigue d’imidacloprid Rôle de l’octopamine Tyramine--hydroxylase Tyramine Octopamine Récepteurs: Gs Adénylate cyclase AMPc Gi Adénylate cyclase y PKA Gq Phospho‐ lipase C p Classification des récepteurs de l’octopamine 4 familles OCT-R (-adrenergic-like) Gq Ca2+ Octopamine > Tyramine OCT-R (-adrenergic-like) Gs +AMPc Octopamine > Tyramine: OCT-R, OCT-R, OCT-R TYR1-R Gi -AMPc Tyramine > Octopamine TYR2-R Gq Ca2+ Tyramine Octopamine • Actions Actions centrales: action promnésiante, augmentation de la centrales: action promnésiante, augmentation de la motivation et de l’agressivité, effet de désensibilisation des organes sensoriels, effets sur la stéréotypie des comportements. • Actions périphériques: facilite l’activité locomotrice (vol) et la perception sensorielle. • Effets très voisins des monoamines: dopamine et noradrénaline sur la plasticité chez les rongeurs. Octopamine Octopamine p MB + odeur Octopamine MB - odeur Octopamine AL + odeur Octopamine AL - odeur Solution saline AL + odeur Solution saline AL - odeur Sham Octopamine : impact sur la transmission synaptique dans les cellules de Kenyon Signal présynaptique Signal postsynaptique L’octopamine potentialise la transmission synaptique cholinergique dans les mushroom bodies: elle a un effet de ‘gating’ sur la transmission synaptique. Injection d’un bloqueur de la PKA (RpBrcAMPS) avant le conditionnement Mémoire à court terme Jours après le conditionnement Mémoire à long terme Jours après le conditionnement Injection d’un d un bloqueur de la PKA (RpBrcAMPS après le conditionnement Mémoire à court terme Jours après le conditionnement Mémoire à long terme Jours après le conditionnement Le blocage de la PKA empêche la mémorisation à long terme Parallèle avec le phénomène de ‘gating’ au niveau de l’amygdale. La noradrénaline libérée à partir du locus coeruleus facilite très nettement l’induction de la LTP (effet de ‘gating’). Cette activité met en jeu l’activation des récepteurs -adrénergiques et l’activation de la PKA. Ce phénomène semble contribuer à la mémorisation d’évènements associés à un fort stress. Réversible par action des antagonistes adrénergiques (propranolol). Modulations des réponses par des molécules actives présentes dans le nectar: exemple de la caféine et de la cocaïne t l d l féi td l ï Essais Effet modéré de la cafèine lors de l’apprentissage [caféine] dans la solution de sucrose (M) Effet de la cafèine dépendant de la concentration lors du rappel de mémoire La caféine affecte la mémorisation chez les abeilles. D’un point de vue expérimental, les abeilles sont conditionnées avec une solution de sucrose contenant de la caféine. A partir d’une concentration de 0,1µM, on observe un effet significatif sur la rétention de mémoire (perdure jusqu’à 72h). Actions neurophysiolgiques de la caféine: enregistrement des cellules de Kenyon La caféine excite les cellules de Kenyon Récepteurs de l’adénosine: effet négatif sur la transmission cholinergique bloqué par la caféine (et le DPCPX) La caféine tout comme un antagoniste de l’adénosine (DPCPX) augmente l’action de l’acétylcholine sur les cellules de Kenyon. Kenyon Danse Contacts Transporteur d’octopamine T d’ i bloqué par la cocaïne Présentation de sucrose contenant de la cocaïne ou de l’octopamine: augmentation du comportement de ‘danse’ sans effet appétent. Par ailleurs la cocaïne augmente la sensibilité au sucrose donc le PER.