0 Academic des sciences / Elsevier. Paris Apprentissage olfactif : les systsmes de mbmoire chez le rat Memory systemsin olfdctory ledrning in rats Franck A. Chaillan*, Laboratoire universite RbumC ments Franqois S. Roman, de neurobiologie integrative de Provence i CNRS, IBHOP, Bernard et adaptative, UMR traverse Charles-Susini, - Les processus d’apprentissage a long terme, au niveau synaptique, 6562 Soumireu-Mourat CNRS, iquipe 13388 Marseille et de memorisation au sein de larges reposent reseaux neurobiologie des comportements, cedex 13, France sur des changede neurones cere- braux. Le lobe temporal median, dont la formation hippocampique, semble implique lors de la specification et de la stabilisation de ces reseaux. Le role de ces structures peut etre different en fonction du type de memoire (declaratif ou non declaratif) dans lequel elles sont impliquees. Les candidats les plus probables permettant de realiser les changements synaptiques sont la potentialisation a long terme et la depression a long terme. L’utilisation d’un apprentissage olfactif associatif chez le rat couple a une etude electrophysiologique permet de suivre I’implication des differentes structures cerebrales. Ainsi, I/activation prkoce du gyrus dentele, et probablement de I/ensemble de la formation hippocampique, va permettre de realiser I’association stimulus-renforcement. La formation hippocampique va participer au marquage et a la stabilisation d’un reseau cortical specifique de neurones, support a long terme de I’information a memoriser. Les boucles de reac:tivation hippocampiques sont impliquees dans le marquage et la stabilisation du reseau neuronal. apprentissage olfactif forme / hippocampe / mbmoire (0 Academic / potentialisation des i long sciences terme 1. Introduction Dans s’attache conclut formation terme. Cette aire cerebrale recouvre plusieurs entites anatomiques, dont la formation hippocampique. C’est principalement la memoire declarative qui est perturbee lors des amnesies. Elle englobe les faits et les evenements prealablement rencontres et accessibles de facon consciente. Dans une analyse dichotomique, la memoire declarative s’oppose .?r la memoire non declarative qui est epargnee lors des amnesies. Cette derniere recouvre differentes capacites cognitives, perceptive-matrices ainsi que des effets de facilitation conceptuels et perceptuels. Selon Squire, Ie lobe temporal median intervient au moment de I’apprentissage et pendant un certain temps apres ceiui-ci. Durant cette periode, il permettrait la C. R. Acad. 1998. 321. et tires ;1 part Sci. Paris, 157-161 / depression Paris.) i long terme consolidation un article recent, L. Squire [l I, dont le travail 5 distinguer differents systemes de memoire, que le lobe temporal median est necessaire a la de la memoire declarative (explicite) 2 long *Correspondance / Elsevier, Sciences de la vie / Life Sciences / cortex dans ment les territoires depositaire durable Une grande cette analyse piri- le cortex L’hypothese associant serait communement le s’appuie cerebrales ou en experimentation a conforter cette analyse principalement d’une comportementale la plus progressive- le neocortex partie des donnees sur lesquelles est ha&e sur les effets de lesions chez des patients humains male. Le present article vise 3 d’autres donnees provenant ble approche en impliques. Ainsi, de la memoire. anigrace dou- et electrophysiologique. admire concernant la mkmoire est basee sur des changements durables de I’efficacite de la transmission synaptique dans des reseaux de neurones distribues, actives durant I’apprentissage, impliquant en particulier les aires corticales 121. Au tours de la stabilisation de ces reseaux, certaines structures sous-cortrcales, et en particulier la formation hippocampique, semblent impliquees. Ces structures pourraient participer differentiellement selon le type de memoire. Les mecanismes de potentialisation a long terme (PLT) F. A. Chaillan et al. 13, 41 et de depression a long terme (DLT) 151 sont souvent invoques comme pouvant etre 2 la base de tels changements. II s’agit d’une augmentation (PLT) ou d’une diminution (DLT) de I’efficacite de la transmission synaptique dont on peut trouver une description plus detail16 dans cc num&o spkcial dans les articles d’Andersen, Laroche, Crepe1 Afin et Miles. d’ktudier ces hypothkes, nous avons d&elopp@ une tiche de discrimination olfactive chez le rat, qui permet d’ktudier les modifications d’efficacitt de la transmission monosynaptiques au niveau du cortex piriforme (cortex olfactif primaire), et polysynaptiques au niveau de la formation m&morisation hippocampique pendant I’apprentissage d’une information olfactive associative. 2. Apprentissage Dans cette t&he )), les animaux priv& la rkompense de O-, les ani- maux devaient apprendre i s’abstenir de se d&placer prks de I’abreuvoir. L’intervalle inter-essai IIIE) utilise c?tait de 15 s. Afin de realiser une etude electrophysiologique de la ciktique d’intervention du cortex piriforme et de la fornous avons remplace I’odeur mation hippocampique, mulations avantages. criminatif a l’eau par des trains de stimulation frequence (trains de 100 Hz distribuk sur le tractus olfactif lateral (Toll grdce stimulation (Electrode active). Ces sti- olfaco-mimetiques (Sam) Elles peuvent etre utilisges artificiel et elles permettent prkentent deux comme indice disd’activer spkifi- quement un reseau de neurones dans le cortex piriforme. Des animaux entrain& 2 discriminerentre des Som et une odeur naturelle ne prkentent pas de performances comportementales statistiquement diffkrentes de celles d’animaux entrain& 2 discriminer entre deux odeurs naturelles au tours de cinq s&ances successives d’apprentissage 161 (figure 7). Le codage et I’intkgration corticale de I’information olfactive naturelle, 5 partir de laquelle il est diffitile de g&+rer des stimuli ponctuels nkessaires i la sotlicitation niveau du Som. Ainsi, de rkseaux cortex piriforme, en enregistrant de neurones spkifiques implique une utilisation les potentiels de champs au des &o- q&s dans ce cortex olfactif avant et apr& chaque seance, par des stimulations en simple choc appliqkes sur le Tol, iI est done possible de suivre I/&at de I’efficacite synaptiquc au niveau du rkseau de neurone active par les Som. Une deuxi+me electrode de stimulation (electrode de contrBle), qui n’etait pas utiliske pour appliquer les Som durant I’apprentissage, servait 2 appliquer de simples 158 4 5 Figure 1. Comparaison des pertormances com~portemcnt,rles groupe de contrAle tcontr8lc) de rats entrain& j discriminer dew odeurs naturelles et un groupe d’anrmaux entrain& photo4lectrique et recevoir Durant les 10 s de prksentation naturelle associge electrique 2 haute j 5 Hz) appliquk a une klectrode de 3 SEANCE hydriquement ktaient entrain& 2 discriminer deux odeurs naturelles, l’une &ant arbitrairement associee 2 de l’eau (0’) et I’autre a une iumikre peu aversive (0-j. Durant les 10 s de prksentation de 0’, les animaux devaient apprendre ZI rkpondre au stimulus en se rendant dans I’angle de la cage oti se trouvait I’abreuvoir afin d’@tre detect& par la cellule hydrique. m m WiL 2 1 et la olfactif en w Go-NoGo io .ominer entre que (Soml. une Les perlormances statistiyuement sage. chocs trode champ rkeau odeur naturrlle ct des comportementales dififirentes JU tours stimuhtbn des deux dcs cinq !sur le Tol avant et aprPs chaque de contr6le permettait d’evoquer qui refktait I’ktat de I’efficacite de neurone non active par d’un entre 5 disrr-i- olfacto-mime-tgyoupes stiances ne sont d’apprentis- sknce. Cette un potentiel !synaptique pds @letde d’un les Som. 3. Apprentissage et plasticit synaptique 3.1. Le cortex piriforme Chez les animaux entrain& avec les !iom, les potentiels de champ monosynaptiques enregistrk dans le cortex piriforme montrent qu’une PLT etait induite progressivement I’klectrode 161. Le potentiel de champ active prkentait une augmentation Pvoqu& par progres- sive et statis-tiquement significative au fur et h mesure de I’apprentissage de la signification des associations stimulus-renforcement par It’s animaux (figure 2A). Le potentiel de champ &oqu@ par I’c!lectrode de contr6le ne presentaient pas de PLT mais une leg&e DLT. Cela suggkit que la PLT progressive piriforme etait spkifique de m@morisation de I’association que. Dans le cas auxquels les diff&ents lumike, eau) etaient entre eux, c’est-i-dire Le gyrus Le cortex connecrk une forte DLT citait enregistree pour les potentilels de champ active que par I’electrode de denteE piriforme par le cortex et de la hydri- d’animaux pseud(D-conditionn&, stimuli (Som, odeur naturelle, p&sent& sans aucune association en dehors de tout contexte d’apprentissage associatif, (figure 2B) aussi bien &oqu& par I’klectrode contr&?. 3.2. observk dans I’apprentissage Som-renforcement et la formation la voie C. R. Acad. perforante SCI. Paris, Sciences hippocampique issue de du cortex sont ento- la b’ie / Life Sciences 1998. 321. 157-161 Apprentissage olfactif et systemes de mkmoire 100 IIIA 9zg 80 1g 7o 9 &I 0nw HO 90 60 Liil 5o T 3 10 0 I 1 2 3 I SEANCE s SEANCE uB T -*,EC 1 2 3 4 5 6 2. Potentialisation A. Animaux entrain& Pourcentage de j long changement terme de la pente 5 I ~PLT’I dans du Ic cortex potentiel - o*oo;- I SEANCE Figure 4 SEANCE piri-forme. des champs enregistres avant et aprPs cinq stances d’apprentissagc. Les potenticls 6voquCs par I’blectrode active (EA) prCsentcnt une PLT progressive. Les potentiels boquks par I’Glectrode de contrdle (ECI dCveloppcnt une l+$re mais slgnificative d@pression. B. Animaux pseudoconditionnk. Les potrntiels Pvoqub par EA dbveloppent rapidement une tante d6prcssion B long terme (DLT). Lcs poteniiels &oqu& pr&entrnt une DLT plus faihle. imporpar EC 0.00 0 1 2 / rhinal 17, 81. L’information olfactive transite Avant et aprPs chaque enregistrk au niveau seance d’apprentissage, de la couche mokulaire nous du avons CD ipsilat&al les &ponses polysynaptiques kvoqu6es par un choc 6lectrique isok delivre sur le Tol. Un ph6nomitne de potentialisation polysynaptique ktait observk sur le potentiel de champ &oq& par I’Plectrode servant B appliquer les Som durant I’apprentissage. Cette potentialisation polysynaptique citait observk aussit6t qu’une discrimination comportementale significative &ait observee 1101. Cette potentialisation B longue latence d’apparition (40 2 C. R. Acad. 1998 321. SCI. Paris, 157-161 Sciences de la vie / Life Sciences Figure 3. Animaux A. Augmentation tales sur cinq B. Animaux enregistrbs 5 le gyrus dcs dentel6 performances comportemen- d’apprentissage. entrain&. ivolution de par I’klectrode la pente active des (EA) sbance d’apprentissage. ment apt& la deuxieme &oqu& par EA. C. Animaux ivolution dans et stahilisation seances 4 SEANCE spkifique- ment par la voie perforante latkale pour parvenir a la formation hippocampique au niveau du gyrus dentele (GD) 191. Nous avons entrain6 d’autres animaux 5 discriminer entre les Som et une odeur naturelle (figure AA). 3 potentiels et contrAle &oqu& (EC), Clne potentialisation seance d’apprentissage, polysynaptiqucment avant et aprPs chaque apparait. sur imm@diateles potentiels pseudoconditionnks. de la pente des potentiels par EA et EC, avant et aprk changement statistiquement de Lhamp. chaque significatif 6voquk polysynaptiquement Gance d’apprentissage. Aucun n’apparait sur ces potentiels 159 F. A. Chuilan et al. 50 ms) &ait portementales, corr@Ee avec c’est-a-dire le gain de performances uniquement lors des res Gances d’apprentissage amkliorent leur pourcentage Aucune corrPlation’ n’existe compremi& durant lesquelles les rats de reponses correctes. avec la potentialisation lors des deux derniPres seances d’apprentissage au tours quelles les animaux stabilisent leurs performances portementales. Le potentiel de champ 6voqu6 I’6lectrode de contrsle, qui ne servait pas 2 appliquer descompar les Som, ne pr&entait aucun changement statistiquement significatif (iigure 36). De m&me, les potentiels de champ &oqu& par I’Glectrode active et I’electrode de contrAle d’animaux pseudocondition& ne prksentaient aucune variation statistiquement significative (figure 3C). La potentialisation polysynaptique enregistree dans le GD etait spPcifique de I’apprentissage de la discrimination entre les deux stimuli, done- de I’association stimulus-ren- pendant le traitement tions olfactives. de ces boucles en memoire don&es suggPrent de @activation. temporelles gonale de de protocole, Broca dans dkficit performance cle et la mise D’autres pourraient que et I’induction dans olfactif deficit boucles longues. avons etait de diaun discrimination la transmission synapti- dans ce done fait I’hypothGse d6 2 I’interruption Diffkrentes De type PLT associative donnees et soulignent &activation. ce 5 moduler d’une suggPrent conditions structure sert de relais aux aff&enen provenance de I’hippocampe [12, 131. Nous d’apprentissage ques de servir I’importance certaines une I&ion de la bandelette sa partie horizontale entraine olfactive [l 11. Or, cette ces du cortex piriforme qui Dans des informa- 6lectrophysiologi- I’importance Curtis et al. cortex que ce de ces #de ces boucles 1141 ont montr6 I’exis- forcemw7t. .enscmble de ces r&ultats sug@rent une activation dynamique pr&oce du CD pendant I’apprentissage indices discriminatifs et de leur signification (figure Cette structure participerait ainsi, d+s les premikres ces d’apprentissage, 2 la r6alisation le stimulus (Sam) et son renforcement de champ polysynaptique potentialis? des 4~). &an- I’apprentissage de stockage parition du de I’association de cettc information. potentiel de champ t------------- de I’association entre ieau). Le potentiel serait le reflet Plec- trophysiologique de cette activation pr&oce car il apparait dPs la fin de la deuxiPme s6ance d’apprentissage. L’existence d’une corr@lation entre I’augmentation du signal electrophysiologique et I’amGlioration des performances comportementales, lors de la sdance 2 mais pas lors des suivantes, indique que le GD est implique dans .___-_ avant ._._ Sl _. . . __ SPtiS ,.’ aptis ‘11 11 _ ___ EZIi s3 I ,.’ / “\.r.,._I’ ‘k/\.\/ ,.I’ mais qu’il n’est pas le site La latence tardive d’appolysynaptique suggibre une boucle possible de r&activation hippocampique, c’est-a-dire une boucle cortex entorhinal-CD-CA3-CAlsubiculum-cortex entorhinal-GD. L’activation de cette derniere structure confirme I’implication de la formation hippocampique lors de I’apprentissage. Cependant, il est probable que les differents champs ammoniens, qui ont des proprGt6s cle plasticit synaptiques et des connections anatomiques propres, participent aussi de fafon spPcifique 5 I’apprentissage. Au tours des essais successifs ou avant Sl _ . _. _____. __. SS _/ Ii-- ss [I/ .!’ ,,.’ ‘i< / Lr’ \ -\., ,!’ .. iterations, le CD, et probablement plus largement la formation hippocampique, va participer au marquage et B la stabilisation d’un r&eau cortical de neurones sp&ifique de l’information 2 m&moriser. Ainsi, le ph@nom&te de PLT enregistrk au niveau du cortex piriforme correspond seau de neurones marqu6 et stabilisc!, spPcifique formation B memoriser dans le cortex olfactif(f&wre de au r@I’in15). 160 latence de la reponse &oq&e potentialiske dans le CD suggPre I’existence de boucles entre I’hippocampe et le cortex intervenant B. Cortex Potentiel couche de 4. Exemple de potentiels de champs enregisrrks dentek. Potentiel de champ polysynaptique the mokkulaire du gyrus dent&, prentissagcl 4. Stabilisation d’un reseau de neurones cortical La longue enregistree rPactivation Figure A. Cyrus 1, 2 et 5 ISl, enregistre au niveau de In couavant et apt& les seances d’ap- S2, S5). pirtforme de champ monosynaptique I du cortex piriforme, avant enregistrb au ct aprk les seances sage 1, J et 5 (Sl, 53, SSJ. Le tracf? en potentiel de r@f&ence. Le traci. en poin!illC tion a long terme qui se dbeloppe. C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences trait plein montre de niveau de d’apprentisreprkente la poientialisa- la vie / Life Sciences lW8. 321. 157-161 la Ie Apprentissage tence electrophysiologique d’une entorhino-hippocampo-entorhinale tion unique du tractus boucle olfactif 2 une stimulaplus, DoyGre et al. I1 51 ont mis en evidence des changements d’efficacitc! synaptique, ayant des d&ours temporels differents, au niveau du gyrus dentelk et du cortex prefrontal lors d’un conditionnement classique chez le rat. Ces auteurs mettent I’accent sur I’importance des boucles de r&activation de I’hippocampe lors des processus d’apprentissage et de m4morisation. Des don&es rkcentes obtenues lors d’un test de discrimination olfactive avec des rats porteurs de I&ions du cortex prefrontal [16] indiquent que cette structure sous-tend une memoire non-cl&larative tout en interagissant avec la mkmoire declarative lors de la formation B long terme des associations entre un stimulus olfactif et une rPponse particuliPre. Cette structure pourrait done aussi faire partie, lors d’un de reactivation hippocampique. test olfactif, des boucles L’ensemble Lola S.M. 1996. Structure and function of declarative and memory systems. Proc. Nat/. ;Icatl. Sci. Usn 93, 135 I 5and hypotheses Memory New York, related (Lynch 249-260. 131 Bliss T.V.P., Lomo T . 1973. Long-lasting potentiation mission 111 the dcnt.~te area of unanaesthetized rabbit tion oi thca perforani path. I. Physiol. 232, 331 -356. to search tar C., MrCaugh of synaptic trancfollowing stlmula- 141 Klis, T.V.P., Gardner-Medwin A.R. 1973. 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Lohman ,and Intrinsic-circuitry 3 <, 161.--25 I. la vie / Life Sciences A.M.H. ot the nos par le cl&eloppement dans le cortex piriforme. mgmoire donnees montre que la formation p&cocement dans la GaliI’odeur et sa signification (stiaurait de plus sous son association vers les territoires progressif de la PLT enregistree Ainsi Ices rPsultats tendent B confirmer, par une approthe dynamique, le schkma fonctionnel expose? par L. Squire dans le cas de la m@moire d&larntive, distinguant le lobe temporal mGdian, incluant I’hippocampe, et corticaux. 191 Wilson R.C.. Steward gyrus of the hippocampal 121 Bloth V.. Laroche 5. 1984. Facts engram. In : Neu~ob~olo~yoilearni~~gand J.l.., Wrinberger N.M., bds.), Cuilford, de corticaux specifiques concern&, au niveau desquels se ferait progressivement le stockage sous forme de marquage de r&eaux neuronaux sp&ifi&. Cela serait refl&@ cortex. 151 Itn M., deprra\slon ot terrbellar de hippocampique interviendrait sation de l’association entre mulus-renforcement). Elle contrcile le transfert de cette les territoires 6. Rkfkrences [ 1 l Squire L.R., non declarative 13522. et syst&nes 5. Conclusion de @activation suite lateral. De olfactif Exp Urain 0. 1978. formatlon: Polysynaptic an olfactory activation of the dentate input via the entorhinal Rrs. 31. 523-514. 1101 Chaillan F.A., Roman F.S.. Soumlreu-Mourat B. lc1Y6. synaptic plasticity in the hippocampus and piriform cortex tally meaningtul olfactory cues in an olfnrtory association Rlni 90, 343-347. I1 11 Roman F.S., Simon&to I, Soumlreu-hlourat memory of odor-reward assoctatlon: selective zontal diagonal band lesions. Behav. Neurosri. 1121 Hasselmo but not intrinsic tyric acid (API) Modulation of by physiologitask. / Physd B. lYY3. Learning impairment following 107, 72-111 and hori- M.E., Bower I.M. 1991. 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