Cours NBC 2015_complet_complet [Mode de compatibilité]

Neurobiologie de la mémoire
HMBS106
Michel Vignes
La mémoire et les neurobiologistes
• Recherche 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?
• Interférence avec les processus de mémorisation: maintien de
certaines informations et oubli d’autres (mémoires aversives);
• Utilisation de modèles animaux ‘simples’ comportant des circuits
synaptiques facilement identifiables et des comportements
stéréotypés pouvant être corrélés avec une activité synaptique;
Drosophile
Abeille
Aplysie
Diamant mandarin
Rat
Souris
Humain
Les différentes formes de mémoire humaine
• De manière intuitive, on peut classer la
mémoire en : à court terme et à long terme.
– 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’entoure, 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 ‘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
de conditionnement ou apprentissage de type ‘pavlovien’. On associe facilement une personne et
un parfum par exemple.
• Apprentissage non-associatif:
– Habituation: on répond de moins en moins à des stimuli s’ils 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
(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’associativité du processus de mémorisation.
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
conditionné, c’est-à-dire qui normalement ne
produit aucune réponse mais peut en
produire une après conditionnement.
Réponse conditionnée: expérience de Pavlov
Structure générale des neurones
Épines dendritiques
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
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
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, permet de transmettre l’information à savoir des potentiel d’action 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 (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
donnée
La modification de transmission synaptique, mise en évidence par la mesure des signaux de
transmission synaptique (potentiels post-synaptiques entre les neurones, découle de modifications
fonctionnelles et/ou morphologiques.
A-Les modifications synaptique fonctionnelles peuvent être de nature présynaptiques et/ou
postsynaptiques.
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.
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. Les neurones, comme les autres cellules, peuvent produire des protéines par une action
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, à savoir des assemblages de protéines et d’ARNm. Ces granules sont ainsi transportées
vers les sites actifs pour délivrer les ARNm à traduire:
Synapse active
Synthèse nucléaire de
protéines
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-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 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
Temps dans quadrant (%)
Délai de découverte de la
plateforme
Avant apprentissage
Gauche
Cible
MémorisationOpposé
à court
Droit de
terme ou mémoire
travail
normale
altérée
Test du labyrinthe à 8 branches –
‘Radial maze’
Test utilisé pour évaluer la mémoire spatiale. Le labyrinthe
est formé d'une plateforme centrale d'où rayonnent 8
corridors différents. On place de la nourriture au bout de
chaque (ou quelques) 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. 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 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 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.
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 pour s'échapper. Le test est surtout conçu pour 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 l'animal .
Test d’évitement passif-’Passive avoidance’
Dans ce test, dès que l’animal se
déplace sur la grille il reçoit un choc
aversif [apprentissage]. Ensuite il
est placé à nouveau dans cet
environnement: on mesure alors le
temps d’immobilité (freezing) et la
latence de descente de la plateforme
[d’après www.myneurolab.com].
Conditionnement de peur - Fear conditioning
L’animal reçoit un stimulus aversif avec éventuellement
association d’un stimulus conditionnant (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 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 l’évitement
passif.
Labyrinthe en 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
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
Chez l’Homme l’hippocampe
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)
Relations entre l’hippocampe et les régions anatomiques voisines (2)
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
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
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):
habileté motrice (1)
échecs
Jours d’entraînement
Test de mémoire automatique (inconsciente):
habileté motrice (2)
Amélioration des performances dans le test
d’habileté motrice par Henry M. On peut
observer moins d’erreurs 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
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
(picrotoxine) et GABAB
(CGP55845)
PPSI
+antagoniste AMPA (CNQX)
et NMDA (AP5)
Séparation des réponses glutamatergiques 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-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
pentamère
•
Récepteurs glycine
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, GluA2, 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 présence de la sous-unité GluA2 éditée enlève la perméabilité au Ca2+ de ce récepteur-canal. L’editing 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 pas GluA2
GluA1
Q
R
Na+
Na+
Récepteurs AMPA
contenant GluA2 éditée
Q/R GluA2
GluA3 (ou GluA4)
Na+, Ca2+
Q
Na+, Ca2+
Récepteurs AMPA
contenant GluA2 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
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.
NMDA
Dépolarisation
Na+
Na+ Ca2+
Modifications de la transmission
synaptique
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
s’adapte 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.
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.
Amplitude des signaux synaptiques
(% du niveau basal)
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 des récepteurs NMDA (ainsi que des récepteurs métabotropes
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 des kinases permet, si elle est suffisante, de stimuler la transcription génique 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 (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
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 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 de la CaMKII mutée; conduisant chez l’animal 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 génétique de la voie CREB activée par la PKA inhibe la consolidation de la LTP et la mémoire à long
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
•
•
•
•
•
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;
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)?
Deux exemples montrant qu’un apprentissage peut conduire directement à une
LTP:
–
–
Le conditionnement de peur et la LTP dans l’amygdale (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.
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 est associé à des modifications biochimiques: la phosphorylation des sous-unités des récepteurs 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 :
NMDA CaMKII PKA CREB.
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 (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
Amplitude des signaux postsynaptiques
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 où une stimulation non conditionnelle facilite le conditionnement d’une stimulation conditionnelle.
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, l’inhibition de la synthèse protéique lors de la deuxième stimulation S2 n’affecte pas l’induction de la
LTP.
Nouvelles protéines
S1
Synapse ‘forte’
Induction de LTP
S2
Synapse ‘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 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 intracellulaire. Ils peuvent aussi permettre des couplages entre deux récepteurs
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 protéasome : son activité est nécessaire pour la déformation des épines 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 NMDA
Homer 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 théorie de la création de tags moléculaires par l’activité synaptique, on teste cette hypothèse in vivo 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 de la nouveauté permet de consolider un apprentissage transitoire (voir diapos
suivantes).
Amplitude signaux
synaptiques (%)
Temps d’interaction (%)
Réponse correcte
Réponse 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 ne retrouve plus la
position correcte. On est dans le cas d’une LTP qui consolide peu (STP).
Amplitude signaux
synaptiques (%)
Temps d’interaction (%)
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.
Temps d’interaction (%)
Pas de nouveauté
Avec nouveauté
Le blocage des récepteurs D1/D5 avec un antagoniste (SCH23390)
avant le comportement exploratoire
bloque cette consolidation
Temps d’interaction (%)
Injection
immédiate
Injection retardée
(6h après)
On vérifie ici que la synthèse protéique est importante pour la consolidation avec de l’Anisomycine
Toutefois, cette activité intervient de manière immédiate après le comportement exploratoire mais 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
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
• Identifiées en 1971 par John O’Keefe et Lynn Nadel par des
enregistrements in vivo de l’activité de cellules de
l’hippocampe de rats se déplaçant dans un environnement
donné.
• 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 leur nom ‘place 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
• En 2005, des cellules du cortex entorhinal s’activant
avec un plan précis (grille) ont été découvertes,
appelées ‘grid cells’ (MB et E Moser);
• Ensuite la présence de cellules s’activant lorsque
l’animal se trouve au bord du labyrinthe et lorsque sa
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 précis et constituent une ‘grille’
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.
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’)
Boundary cells
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 lorsque 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 (θ). 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 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
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
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).
Forward pairing
Backward pairing (n’induit pas
conditionnement, contrôle)
SC
SC
SI
SI
On peut distinguer une mémorisation à court terme STM (1 jour) et
une mémorisation à long terme (LTM) du PER.
Comme chez les rongeurs, la STM fait intervenir essentiellement
l’activité de kinases. Alors que la LTM fait intervenir en plus la
synthèse protéique.
Intérêt écologique:
-Apprentissage olfactif de l’abeille 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
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
Les neurones de projection connectent les lobes antennaires aux mushroom bodies. Ils libèrent de l’acétylcholine et
produisent l’excitation des cellules de Kenyon par 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
Réponses nicotiniques et pesticides cholinergiques
électrode
Dispositif expérimental: tranche de cerveau d’abeille et électrodes
Effet de l’acétylcholine sur une cellule de Kenyon:
action excitatrice et blocage par la d-tubocurarine (dTC)
Effet du Coumaphos (à 200nM) sur les cellules de 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 pesticides, Coumaphos et imidacloprid ont des effets additifs sur l’activation des cellules de Kenyon:
ici , les mesures d’activité sont réalisées en présence de d’imidacloprid à 10nM et de Coumaphos à 50nM.
[imlidacloprid]
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’abeilles butineuses de nectar
montrant le PER
% d’abeilles butineuses de pollen
montrant le PER
% de sucrose dans la solution (stimulus inconditionnel)
Inhibition du PER après application aigue d’imidacloprid
Rôle de l’octopamine
Tyramine-β-hydroxylase
Tyramine
Octopamine
Récepteurs:
Gs
Adénylate
cyclase
AMPc
Gi
Adénylate
cyclase
PKA
Gq
Phospholipase C
Classification des récepteurs de l’octopamine
4 familles
OCTα
α-R (α
α-adrenergic-like)
Gq
Ca2+ Octopamine > Tyramine
β-adrenergic-like)
OCTβ
β-R (β
Gs
+AMPc Octopamine > Tyramine: OCTβ1
β1-R,
OCTβ2
β2-R,
OCTβ3
β3-R
β1
β2
β3
TYR1-R
Gi
-AMPc Tyramine > Octopamine
TYR2-R
Gq
Ca2+
Tyramine
Octopamine
• Actions 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 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 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 β-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 βadrénergiques (propranolol).
Modulations des réponses par des molécules actives présentes dans le
nectar: exemple de la caféine et de la cocaïne
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.
Danse
Contacts
Transporteur d’octopamine
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.
Manipulations de la mémoire
Peut-on implémenter/modifier des
souvenirs ?
Thème déjà très exploité par la SF…
La réalité scientifique…
• Plusieurs travaux récents fondés sur
l’utilisation de l’optogénétique montrent
qu’on peut induire un comportement de peur
en stimulant des neurones spécifiquement
activés lors d’un conditionnement de peur;
• Rappels sur l’optogénétique.
Optogénétique = optique + génétique !
•Objet : manipulation de l’activité neuronale (excitation ou inhibition) par la lumière;
•Pour réaliser cela il faut sensibiliser les neurones à la lumière: introduction de protéines
p
sensibles à la lumière;
• Les protéines sensibles à la lumière proviennent de bactéries et d’algues microscopiques.
Elles contribuent au phototactisme;
• Elles sont introduites par transgénèse ou infection virale dans des sous‐types de
neurones (neurones GABAergiques, glutamatergiques, dopaminergiques, etc…);
•Pour l’instant cette approche n’est utilisée que chez l’animal (souris transgéniques) pour
étudier les circuits neuronaux et pour corriger des situations pathologiques;
• Alternative thérapeutique
p
q du futur en remplacement
p
de l’approche
pp
médicamenteuse et
électrique ?
Les protéines photosensibles : les ‘channelrhodopsines’ et opsines
Les channelrhodopsines (ChR et HR ‘Halorhodopsine’) sont des
canaux ioniques qui s’ouvrent en réponse à une stimulation
lumineuse. Elles comportent comme la rhodopsine rétinienne du
rétinal qui change de conformation en présence de lumière.
lumière La
ChR‐2 (à gauche) répond à une lumière bleue et permet l’entrée de
cations (c’est un canal cationique non‐sélectif): elle va produire une
dépolarisation neuronale, donc une excitation. Par contre une HR
(milieu) stimulée par de la lumière jaune stimule ll’entrée
entrée de d
d’ions
ions
Cl‐ et hyperpolarise le neurone, donc produit une inhibition de
l’activité [on peut faire une analogie avec les récepteurs GABAA].
Les opsines (droite) conduisent à l’activation de protéines G en
réponse à de la lumière.
lumière
Exemple d’enregistrements (courants et PA) de différentes ChR.
On remarquera
q
la réponse
p
en fréquence.
q
Exemple d’un
d un neurone comportant les deux types de ChR (ChR
(ChR‐2
2 et HR) : la lumière
bleue ou jaune permet d’exciter ou d’inhiber l’activité neuronale.
Techniquement on ‘transduit’
transduit des neurones par infection virale: on peut choisir d’exprimer
d exprimer une protéine dans
une cellule en fonction d’un ‘promoteur’ d’une protéine donnée.
Les ChR et opsines peuvent être ‘taggées’ avec une protéine fluorescente (XFP), GFP, par exemple, pour
améliorer la détection dans un tissu (voir diapo suivante)
suivante).
Schéma d’un lentivirus utilisé pour
infecter les neurones et produire
l’expression sélective de ChR2 et XFP
dans un neurone donné en fonction
du promoteur (exemple CaMKII dans
les neurones CA1 de l’hippocampe).
Marquage vert : GFP
Marquage rouge : détection
immunologique d’une protéine
neuronale
Réponses électrophysiologiques dans
ces neurones (courant et potentiel en
fonction des fréquences
d’illumination.
Différentes voies de stimulation du tissu nerveux
électrique
mécanique
pharmacologique
génétique
optogénétique
Intérêt de la stimulation optogénétique : stimulation spécifique d’un groupe de neurones (par
rapport à une stimulation électrique par exemple)
Stimulation électrique
Excitation optogénétique
Inhibition optogénétique
Utilisation de l’optogénétique pour déterminer
l’activité d’un neurone dans un circuit neuronal in
vivo.
Manipulation de la mémoire aversive
• Utilisation combinée de transgénèse et
d’optogénétique;
• L’engramme (trace biologique de la mémoire) se
traduit par la formation d’un réseau de neurones
spécifiquement activés lors d’un apprentissage;
• Marquage d’un groupe de neurones activés dans une
condition particulière afin de pouvoir les manipuler par
la suite grâce à l’outil optogénétique;
• Pour cela les neurones sont infectés avec des virus
portant le promoteur de c-fos avec la channel
rhodopsine en aval.
Activité neuronale
Doxycycline
Les souris portent dans leur génome un transgène exprimant le transactivateur tTA sous contrôle du gène précoce cfos . En effet, le gène c-fos est produit par une activation neuronale. Donc après activation neuronale la fixation de cfos sur l’ADN entraîne l’expression de tTA.
De plus on injecte localement un virus portant la séquence de la channel rhodopsine 2 et celle de la EYFP (une
protéine fluorescente qui permet la visualisation des neurones. Cette séquence est placée en aval du site fixant tTA.
Donc lorsque les neurones portent ce transgène, leur activation conduit à l’expression de la channel rhodopsine 2 et
de la EYFP (on peut utiliser d’autres protéines fluorescentes comme mCherry (rouge)) suite à l’action de c-fos sur son
site et à la synthèse et à la liaison de tTA sur son site.
Ce système peut être contrôlé par de la doxycycline (dans la nourriture) qui empêche la fixation de tTA sur son site.
a-Le virus est injecté localement dans les neurones du gyrus dentelé (ou de l’aire CA1);
b-L’apprentissage conduit à l’apparition de neurones fluorescents suite à l’expression de la EYFP (photos d,e,f,g) dans le
gyrus (DG)
c-L’habituation se fait dans un contexte A sous doxycycline (éventuellement sous lumière bleue pour activer la ChR2)
Le conditionnement de peur se fait sans doxycycline pour permettre l’expression de ChR2 et EYFP après stimulation
neuronale. Ensuite les animaux sont replacés sous doxycycline pour éviter une insertion supplémentaire de ChR2 et EYFP et
dans un contexte différent du conditionnement de peur. On peut restimuler les neurones de l’engramme grâce à la lumière
bleue qui active ChR2
Vérification fonctionnelle de l’insertion membranaire de ChR2:
Dans cet exemple, on infecte avec un virus contenant ChR2 et mCherry (fluorescence rouge lorsque exprimée). Comme on
peut le voir en D, l’activation de ChR2 par la lumière bleue entraîne l’apparition de potentiels d’action dans le neurone
enregistré (E).
1-Restauration du comportement de peur par activation optogénétique
a-L’activation lumineuse des neurones de l’engramme du conditionnement de peur restaure un comportement de peur même
dans un contexte différent.
b-contrôle 1 : entraînement sans conditionnement de peur;
c-contrôle 2 : infection avec un virus ne contenant pas ChR2, uniquement EYFP;
d-expérience réalisée un jour après le retrait de doxycycline;
e-injection du virus des deux côtés de l’hippocampe (bilatérale).
2-Implémentation (‘inception’) d’une ‘fausse’ mémoire
Dans ce cas, les animaux sont placés dans un contexte A sans doxycycline et l’exploration du milieu entraîne le marquage de
neurones. Ensuite on produit le conditionnement de peur mais dans un contexte B sous doxycyline et sous lumière bleue pour
stimuler les neurones activés par A.
On mesure ensuite le freezing dans le contexte A et dans le contexte C …
Que se passe-t-il ?
On peut implémenter une fausse mémoire (freezing) en condition A’
Sur les graphes les contrôles sont réalisés avec des virus contenant mCherry seul (histopgrammes gris) et des animaux
n’ayant pas reçu de lumière (histogrammes rouges) lors du conditionnement de peur.
On observe que ces protocoles augmentent spécifiquement le nombre de cellules exprimant c-fos dans le gyrus dentelé.
Pas de manipulation de mémoire dans CA1, spécifiquement dans le gyrus
En résumé:
3-Existe-t-il une compétition entre l’acquisition de ‘fausse’
mémoire et l’acquisition d’une ‘vraie’ mémoire ?
La question posée est donc de savoir si lors de l’implémentation d’une fausse mémoire (en B), il n’y a pas une gêne pour
apprendre justement le conditionnement de peur de B. Pour cela on répète l’expérience en soumettant les animaux à
nouveau au contexte B (B’) et avec ou sans réactivation de mémoire.
On observe que les animaux exposés à B sous lumière ont un freezing plus bas que ceux n’ayant pas reçu de lumière:
la ‘fausse’ mémoire interfère avec l’apprentissage du conditionnement de peur (B). Ainsi lorsqu’on met les animaux sous
lumière (rappel du contexte de A), on observe une normalisation du freezing vers une même valeur: la fausse mémoire
’surpasse’ la vraie mémoire.
Dans un contexte différent (D), on observe que les animaux conditionnés ou non sous lumière n’ont pas de
comportement de peur. Par contre ceux stimulés en B (conditionnement + lumière) ont un comportement de peur sous
lumière.
Ici on observe le rappel d’une fausse ou d’une vraie mémoire augmente l’activation des cellules
de l’amygdale (noyau central et basolatéral) [augmentation des cellules exprimant c-fos].
Ceci confirme bien le relai entre l’hippocampe et l’amygdale pour l’expression du comportement
de peur suite à un conditionnement.
Caractère ‘dynamique’ de la fausse mémoire dans le conditionnement de peur.
Dans ce cas on utilise le passive avoidance test (ou ‘conditionned place préférence’). Les animaux apprennent à
connaître un côté du labyrinthe (sans Dox
marquage des neurones). Ensuite sous Dox et sous lumière ils sont
conditionnés de l’autre côté. Ensuite on rappelle le contexte initial (lumière): ils vont éviter le côté visité en premier
et aller plutôt vers le côté où ils ont reçu le conditionnement de peur. Normalement on devrait observer exactement
l’inverse !
4-Peut-on changer la ‘valence de la mémoire’ à savoir son
caractère positif ou négatif ?
Protocole expérimental: on utilise la conditionned
place preference et on définit un côté du labyrinthe
associé à une mémoire aversive (‘fear engram’;
choc électrique) ou à une mémoire gratifiante
(‘reward engram’; présence d’une femelle stimulus
inconditionnel US).
Les régions étudiées sont le gyrus dentelé (DG) et
le noyau basolatéral de l’amygdale (BLA).
Dans les deux cas la stimulation lumineuse entraîne
soit l’évitement soit la préférence et ce quelle que
soit la structure étudiée (DG et BLA)
habituation
conditionnement
test
‘Conditionned place preference’ pour une mémoire aversive ou gratifiante.
Et maintenant si on ‘mélange’ ces protocoles…
1
6
2
3
4
5
On a ainsi changé le contenu de la mémoire
d’aversif à gratifiant. Cela marche aussi dans
l’autre sens (voir diapo suivante) !
Par contre, ceci ne fonctionne que dans le
gyrus dentelé. Dans la BLA, on ne change pas
le contenu de la mémoire (le souvenir y est
‘figé’ par rapport au GD).