these l`universite de bordeaux

N° d’ordre : 4203
THESE
PRESENTEE A
L’UNIVERSITE DE BORDEAUX
ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES DE LA VIE ET DE LA SANTE
PAR
Nadia KAOUANE
POUR L’OBTENTION DU GRADE DE
DOCTEUR
SPECIALITE NEUROSCIENCES
_________________________________________
MEMOIRE EMOTIONNELLE NORMALE ET PATHOLOGIQUE :
IMPLICATION DES GLUCOCORTICOIDES INTRA-HIPPOCAMPIQUES
Thèse soutenue le 16 décembre 2010
Après avis de :
Mme Catherine BELZUNG, PR, INSERM CNRS, Univ. Tours
Mme Monique GAUTHIER, PR, CNRS, Univ. Toulouse III
Devant la commission d’examen formée de :
Mme Catherine BELZUNG, PR, INSERM CNRS, Univ. Tours ...................................................... Rapporteur
Mme Monique GAUTHIER, PR, CNRS, Univ. Toulouse III .......................................................... Rapporteur
M. Serge LAROCHE, DR, CNRS, Univ. Paris-Sud ......................................................................Examinateur
Mme Marie-Pierre MOISAN, DR, CNRS INRA, Univ. Bordeaux ................................................Examinateur
Mlle Aline DESMEDT, MCU, CNRS, Univ. Bordeaux ........................................................ Directeur de thèse
M. Jacques MICHEAU, PR, CNRS, Univ. Bordeaux ............................................................Président du jury
- 2010 1
2
Remerciements
Mes premiers remerciement iront tout naturellement au Dr. Georges Di Scala, directeur
du Centre de Neurosciences Intégratives et Cognitives, pour m’avoir accueillie au sein de son
laboratoire. Je le remercie de son intérêt toujours vif qu’il a pu porter sur mes travaux et sur
leur avancée. De sa bienveillance hors pair, il a toujours su exprimer un mot d’encouragement
ou de félicitation lorsque nous nous voyons ou même croisions au détour d’un couloir. Je te
remercie donc pour toutes les discussions scientifiques ou non que nous avons eu. Je salue
également le Dr. Wim Crusio, reprenant à l’année 2011 la direction du laboratoire.
Mes remerciement s’adressent aussi bien évidemment au Dr. Aline Desmedt, ma
directrice de thèse, de m’avoir tout d’abord acceptée en stage de Master 2 puis d’avoir
renouvelé le contrat pour ces années de thèse. Ce sont les premiers cours qu’elle avait donné
en Master sur le vaste sujet des émotions qui ont donné naissance en moi l’envie de travailler
moi aussi sur ce sujet. Merci de m’avoir permis de concrétiser cette envie et de m’avoir confié
la réalisation de ces travaux de recherche. Un merci également pour la formation que j’ai
reçue le long de ces années, tant au niveau théorique qu’expérimental (je ne compte plus les
souris opérées, injectées…), ainsi que pour la formation dite de communication scientifique
en m’envoyant « vendre » mes posters à de nombreux congrès nationaux et internationaux.
Je remercie les Pr. Catherine Belzung et Monique Gauthier d’avoir évalué ce manuscrit
de thèse ainsi que les Dr. Serge Laroche et Marie-Pierre Moisan d’avoir examiné mon travail
le jour de la soutenance. Le vaste sujet qu’est mon sujet de thèse a voulu que l’on choisisse
des personnalités scientifiques connues pour leur expertise dans des domaines aussi larges et
variés que sont les émotions, les processus d’apprentissage, la neurobiologie de la mémoire,
jusqu’au stress et la neuroendocrinologie, et ceci tant au niveau fondamental que clinique.
Veuillez trouvez ici l’expression de ma gratitude et de ma reconnaissance pour votre
disponibilité ainsi que vos remarques et critiques toujours pertinentes, m’ayant poussé
maintes fois dans mes retranchements et suscitant des discussions enrichissantes. Je remercie
également le Pr. Jacques Micheau d’avoir présidé le jury de thèse. Ce rôle te va si bien... Tu
t’es quand même gratiné trois thèses en deux jours, chapeau ! Et désolée pour le « non, il y a
aussi 1982 ! » lâché dans une spontanéité déconcertante et suivie d’un fou rire général ! Oui,
cette soutenance fut vraiment riche en émotions (facile je sais).
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Les membres d’une équipe de recherche jouent un rôle important pour faire progresser
l’étudiant dans sa démarche scientifique et dans la réalisation expérimentale de ses travaux de
thèse. C’est à ce titre que je souhaite donc remercier les membres de l’équipe et ceux qui en
ont fait partie : la chef Aline Marighetto, Jacques Micheau, Nicole Mons, Xavier Noguès,
Nicole Etxamendy, Ludovic Calandreau, Yves Porte, Laurent Brayda-Bruno. Un grand merci
à Aline pour toutes tes réflexions sur mes données de thèse ainsi que ton implication et large
contribution dans la rédaction des papiers, merci Jacques pour nos discussions souvent axées
sur ton ancien dada qu’est la corticostérone, merci Nicole pour ta formation et participation
aux perfusions et à l’immunohistochimie, mais aussi pour toutes nos discussions et pauses
café/viennoiseries. Merci Xavier pour tes conseils sur les statistiques, merci Ludovic pour ton
expertise sur le conditionnement de peur. Merci Yves pour être venu de nombreuses fois à 7h
du mat’ perfuser des souris dans un labo qui n’était pas le tien, pour toutes tes aides et pour
tes conseils de « vieux » thésard (ne le prend pas mal hein ?). Merci aussi pour ta formation
des TP de Physiologie et tous les bons souvenirs liés, les fous rires et craquages après toute
une semaine à faire dix fois le même cours. Je te souhaite une belle carrière de MCU, mais
c’est pour quand Prof. Porte ? Merci Laurent, qui a commencé et fini sa thèse en même temps
que moi, pour toi aussi t’être tapé les perf à Magendie, pour toute ton aide tout au long de ces
années et pour ta formation au ô combien légendaire « Le Radial », que tu maîtrises d’une
main de maître ! Maintenant toi aussi tu peux savourer le travail accompli après tant de labeur
et de sacrifices, et je suis certaine que tu réussiras dans tout ce que tu entreprendras. Je
souhaite enfin saluer et souhaiter une bonne continuation aux nouvelles arrivantes dans
l’équipe : Catherine Bennetau, Mylène Potier, Svitlana Poix, Valérie Lamothe, Shaam Al
Abed.
Une partie du travail expérimental a été effectué à l’institut Magendie. Je souhaite donc
remercier le Dr. Pier-Vincenzo Piazza de m’avoir permis la réalisation de ces travaux au sein
de son institut, ainsi que toutes les personnes avec qui j’ai pu interagir scientifiquement ou qui
m’ont apporté une aide précieuse au niveau expérimental, notamment (et la liste est longue)
Nora Abrous, Muriel Koehl, Jean-Michel Revest, Véronique Deroche-Gamonet, Monique
Vallée, Françoise Rougé-Pont, Marie-Françoise Montaron, Sophie Tronel, Noëlle Grosjean et
Cédric Dupuy.
Je reviens sur le CNIC, et, bien qu’il soit difficile d’apposer un mot pour chacun, je
souhaite remercier l’ensemble des chercheurs, enseignants-chercheurs, personnel technique et
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administratif et étudiants. Je pense notamment à des personnes comme Etienne Coutureau et
Alain Marchand, avec qui j’ai eu le plaisir d’effectuer un stage en plein mois d’août avant le
début du Master, stage qui a d’ailleurs révélé ma passion pour les Neurosciences Cognitives.
Ils m’ont particulièrement été d’un grand soutien à la fin de ma thèse et je les remercie donc
énormément pour leurs critiques avisées et leurs conseils lors d’un hot-topic que j’ai donné et
de la préparation de la soutenance de thèse. Je tiens aussi à remercier Jean-Louis Guillou et
Daniel Béracochéa pour nos échanges scientifiques autour de notre sujet de prédilection en
commun qu’est la mémoire et le stress. Je remercie également Marc Corio, responsable de
l’équipe pédagogique en Physiologie, pour m’avoir pris sous son aile, formée aux TP et m’en
avoir confiées de si nombreux. Enfin, je suis particulièrement reconnaissante envers le
personnel d’animalerie, Dominique Panzeri, Nathalie Argenta et Jennifer Huard, pour avoir
pris soin de mes souris et même parfois de moi-même !, Angélique Faugère et Laurence
Decorte pour leur aide considérable en histologie et immunohistochimie, ainsi que MarieLaure Rousseau et Karine Dupuy pour tout ce qui était paperasse, commandes, et aussi
préparation logistique de cette fin de thèse.
Un grand merci aux étudiants qui ont permis bien de moments agréables, de détente, de
fous rires et de déconne dans cette vie de thésard de fou ! Des conneries plus ou moins grasses
de Laurent, à Yves qui a toujours une aventure à raconter, en passant par les histoires toujours
loufoques et la spontanéité de Malorie, je garderai de ces années de thèse passées en votre
compagnie des souvenirs inoubliables ! Mais vous avez aussi été d’une aide précieuse et d’un
réconfort à toute épreuve. Merci à vous pour votre sympathie, votre bonne humeur et votre
gentillesse.
Cette période n’aurait pas eu la même saveur et cette thèse n’aurait certainement pas été
de la même qualité sans une personne : Fabien. Ça a commencé par des interactions
scientifiques, des débats constructifs, des réunions « j’t’interprète mes dernières données »,
des échanges d’idées de manip quasi illimitées. Puis en plein cœur de la période de rédaction,
tu m’as coachée, soutenue, aidée. Tu as corrigé en des temps records bien des versions de ma
thèse et de mes articles, jusqu’à ne plus pouvoir voir en peinture le mot « glucocorticoïdes ».
Toi qui en plus à l’époque n’étais qu’en fin de deuxième et début de troisième année de thèse,
avec bien évidemment ton propre travail à accomplir et ce d’ailleurs d’une manière
remarquable, on peut dire que tu as déjà écrit une thèse et quatre articles ! Et tu as été d’une
force incroyable à me supporter pendant toute cette période-là, dans mes doutes et mes
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plaintes, mes excès de stress et toute la série « je fais/j’écris/je dis de la merde ». Pour tout ça
je t’en remercie infiniment. Maintenant à mon tour d’être là.
Je souhaite aussi remercier les extérieurs au labo, Aurélien, Quentin, Guillaume,
Eugénie et Ilhame. On a fait nos classes ensemble, en Master Neurosciences, puis chacun pris
une direction différente. A notre éloignement géographique se sont ajoutés nos emplois du
temps de ministre. Un jour on se le fera ce week-end à Londres, ou même n’importe où sur le
globe les amis ! Merci aussi à Jess. Une perle. L’amie de toute une vie. Bon on s’réserve le
pub pour les 50 prochaines années ?
Enfin, je souhaite remercier deux personnes de ma famille qui me sont extrêmement
chères, ma mère et mon frère. Maman, tu sais que cette thèse représente beaucoup, à moi
comme à toi. Merci d’avoir été là, de m’avoir encouragée, supportée, et ce à chaque étape.
Promis, les études c’est fini ! Merci Aurélien, mon frère adoré, d’avoir été présent. Tu as été
beau, tu as été grand ! S’il n’y avait pu avoir que toi dans l’assemblée, je t’aurais fait ma thèse
à la Gad Elmaleh !
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Avant-propos
Ce travail de thèse a été effectué au sein du Centre de Neurosciences Intégratives et
Cognitives (CNIC, CNRS UMR 5228) de l’Université de Bordeaux, sous la direction du Dr
Aline Desmedt. Ce travail a fait l’objet de trois publications en préparation, d’une publication
en collaboration et de communications orales et affichées.
• Publications en préparation ou en cours de soumission
Kaouane N., Porte Y., Calandreau L., Mons N., Marighetto A., Piazza P.V. & Desmedt A.
Glucocorticoids can induce PTSD-like memory impairment in mice.
Kaouane N., Marighetto A., Segal M. & Desmedt A. Opposite effects of glucocorticoids on
fear memories in dorsal vs. ventral hippocampus.
Kaouane N., Marighetto A. & Desmedt A. Glucocorticoids impair relational/declarative
memory in mice previously exposed to stress.
• Publication en collaboration
Revest J.M., Kaouane N., Mondin M., Le Roux A., Rougé-Pont F., Vallée M., Barik J.,
Tronche F., Desmedt A. & Piazza P.V. (2010) The enhancement of stress-related memory
by glucocorticoids depends on synapsin-Ia/Ib. Molecular Psychiatry, 15:1140-1151.
• Communication orale
Kaouane N.. Effets opposés de la corticostérone dans l'hippocampe dorsal vs. ventral sur les
réponses de peur conditionnées. Hot Topic, CNIC, October 21, 2010.
• Communications affichées
Kaouane N., Calandreau L., Esclassan F., Tronel S., Mons N., Jaffard R., Abrous D.N.,
Piazza P.V. & Desmedt A. Boundary conditions of corticosterone-dependent alteration of
conditioned fear responses. Second France-Israel binational Neuroscience Conference,
Neuromodulation in High Brain Function, Bordeaux, July 2-4, 2007.
Kaouane N., Calandreau L., Esclassan F., Tronel S., Mons N., Jaffard R., Abrous D.N.,
Piazza P.V. & Desmedt A. Role of hippocampal corticosterone in the switch from normal
to pathological aversive memories. 39th Annual General Meeting of the European Brain and
Behaviour Society, Trieste, Italy, September 15-19, 2007.
Kaouane N., Calandreau L., Esclassan F., Tronel S., Mons N., Jaffard R., Abrous D.N.,
Piazza P.V. & Desmedt A. Boundary conditions of corticosterone-dependent enhancement
or alteration of memory consolidation.
- 6th Forum of European Neuroscience, Geneva, Switzerland, July 12-16, 2008.
- 1st Aquitaine Conference in Neuroscience “Memory in health and disease”, Arcachon,
France, October 14-17, 2008.
- 6th conference of NeuroMem (Research Group 2905), Aussois, France, December 15-17,
2008.
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Kaouane N., Calandreau L., Porte Y., Piazza P.V. & Desmedt A. From adaptive to
maladaptive conditioned fear responses: the critical role of intra-hippocampal
corticosterone. 9th congress of French Neuroscience Society, Bordeaux, France, May 26-29,
2009.
Kaouane N., Calandreau L., Porte Y., Piazza P.V. & Desmedt A. Post-training intrahippocampal infusions of corticosterone promote, preserve or disrupt conditioned fear
responses depending on the stressful situation. 41st Annual General Meeting of the
European Brain and Behaviour Society, Rhodes, Greece, September 14-18, 2009.
Kaouane N., Segal M. & Desmedt A. Contrasting effects of corticosterone on fear memories
in dorsal vs. ventral hippocampus. 1st Symposium of the Neurocentre Magendie, Bordeaux,
France, September 9-10, 2010.
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Résumé
Une mémoire émotionnelle normale se base sur la sélection de stimuli prédictifs d’un
événement important pour l’individu. Cependant, ce processus de sélection peut être
compromis en situation de forte intensité émotionnelle. En particulier, la sélection d’un
élément saillant non nécessairement prédictif, associée à une amnésie de type déclaratif pour
les éléments contextuels, caractérise les altérations mnésiques de l’état de stress posttraumatique (ESPT). Les données de la littérature suggèrent que l’action de glucocorticoïdes
dans l’hippocampe serait l’une des causes possibles du développement de troubles mnésiques
de type ESPT. Nos travaux ont porté sur les conditions dans lesquelles les glucocorticoïdes
dans l’hippocampe peuvent altérer les fonctions mnésiques chez la souris.
En utilisant des procédures de conditionnement classique aversif, nous montrons que
l’injection post-apprentissage de corticostérone dans l’hippocampe dorsal, en situation de
forte intensité émotionnelle, conduit (1) à une sélection incorrecte du stimulus saillant non
prédictif du choc électrique au détriment des éléments contextuels (2) et à des
dysfonctionnements d’activité neuronale au sein du circuit hippocampo-amygdalien
(expression de c-Fos). De façon intéressante, par une action sur le même type de récepteurs
(aux glucocorticoïdes, GR), l’injection de corticostérone dans l’hippocampe ventral conduit
également à un processus incorrect de sélection du stimulus prédictif mais en faveur des
éléments contextuels. Enfin, un apprentissage en labyrinthe radiaire révèle que l’injection de
corticostérone dans l’hippocampe dorsal altère spécifiquement la mémoire relationnelle,
analogue de la mémoire déclarative humaine, uniquement chez les animaux ayant été au
préalable exposés à un stress.
L’ensemble de nos données révèlent qu’un excès de glucocorticoïdes dans
l’hippocampe contribue (1) à des déficits de mémoires émotionnelle et relationnelle, (2) à la
sélection inadaptée de stimuli non prédictifs d’un événement aversif (3) reposant sur des
dysfonctionnements du circuit hippocampo-amygdalien, le tout, correspondant à des
altérations mnésiques de type ESPT.
Mots-clefs : conditionnement aversif, intensité émotionnelle, stress, mémoire relationnelle,
consolidation, hippocampe, amygdale, glucocorticoïdes, GR, gènes précoces, souris.
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Abstract
Normal emotional memory is based on the selection of cues predicting threatening
events. However, exposure to extreme threatening situation can compromise the selection of
the correct cues. In particular, selection of a salient not necessarily predictive cue, associated
with declarative amnesia for peritraumatic contextual cues, characterizes the memory
disturbances of posttraumatic stress disorder (PTSD). Accumulating evidence suggest that
action of glucocorticoids into the hippocampus could be a potential mechanism for PTSDrelated memory disturbances. Hence, we studied the conditions for which glucocorticoids into
the hippocampus can alter memory functions in mice.
Using Pavlovian fear conditioning, we showed that post-training infusion of
glucocorticoids in the dorsal hippocampus, in stressful situation, resulted in (1) selection of a
salient non predictive cue instead of contextual cues and in (2) dysfunctions of neural activity
of the hippocampal-amygdalar circuit (c-Fos expression). Interestingly, via action on the same
receptor subtype (glucocorticoid receptors, GR), infusion of glucocorticoids in the ventral
hippocampus also resulted in incorrect selection of predictive cue but in favor of contextual
cues. Finally, using radial-maze task, we showed that infusion of glucocorticoids in the dorsal
hippocampus specifically impaired relational declarative-like memory, only in mice
previously exposed to stress.
Altogether, our findings reveal that excess glucocorticoids in the hippocampus
contributes to (1) deficits in emotional and relational memories, (2) incorrect selection of
predictive cues (3) based to dysfunctions of the hippocampal-amygdalar circuit, all,
corresponding to PTSD-related memory disturbances.
Key words: fear conditioning, emotional intensity, relational memory, consolidation,
hippocampus, amygdala, stress, glucocorticoids, GR, immediate early genes, mice.
10
SOMMAIRE
11
12
SOMMAIRE
INTRODUCTION GENERALE .......................................................................................... 17
PARTIE I. La mémoire émotionnelle normale et pathologique ........................................ 19
A. Le polymorphisme de la mémoire.................................................................................... 19
B. La mémoire émotionnelle.................................................................................................. 22
C. Un cas de mémoire émotionnelle pathologique : l’état de stress post-traumatique.... 26
1. Symptomatologie de l’ESPT .................................................................................... 26
2. Données neurobiologiques de l’ESPT...................................................................... 28
3. Epidémiologie de l’ESPT......................................................................................... 30
4. Mécanismes physiopathologiques hypothétiques de l’ESPT ................................... 31
D. Modèle animal de l’altération mnésique de l’ESPT....................................................... 32
1. Profil hypermnésie/amnésie ..................................................................................... 32
2. Déficit spécifique de la mémoire déclarative........................................................... 34
PARTIE II. Le conditionnement aversif : un modèle d’apprentissage de la mémoire
émotionnelle ............................................................................................................................ 37
A. Définition et intérêts du conditionnement aversif .......................................................... 37
B. Lois gouvernant le conditionnement classique : prédiction du SI ................................ 39
C. Conditionnement à un stimulus discret et conditionnement au contexte..................... 40
1. Définitions d’un stimulus discret et d’un contexte................................................... 41
2. Implication du contexte dans le conditionnement aversif........................................ 41
3. Sélection du prédicteur majeur du SI ...................................................................... 43
4. Sélection correcte ou incorrecte du prédicteur majeur du SI................................... 45
D. Bases neurobiologiques de la sélection du prédicteur majeur du SI : le circuit
hippocampo-amygdalien........................................................................................................ 47
1. L’amygdale............................................................................................................... 47
a) Généralités
b) Anatomie et connectivité
c) Rôle de l’amygdale dans le conditionnement aversif
13
2. L’hippocampe........................................................................................................... 56
a) Généralités
b) Anatomie et connectivité
c) Hippocampe dorsal et hippocampe ventral
d) Hippocampe et représentation élaborée de l’expérience
e) Rôle de l’hippocampe dans le conditionnement aversif
3. Modèle putatif du conditionnement aversif.............................................................. 65
PARTIE III. Les glucocorticoïdes : un rôle clef dans la modulation de la mémoire ....... 67
A. Le concept de stress........................................................................................................... 67
B. Physiologie de l’axe corticotrope...................................................................................... 69
1. Stimulation de la libération des glucocorticoïdes..................................................... 69
2. Rétrocontrôle négatif ................................................................................................ 70
3. Rythmes biologiques ................................................................................................ 71
C. Les glucocorticoïdes .......................................................................................................... 71
1. Définition.................................................................................................................. 71
2. Biosynthèse et circulation des glucocorticoïdes....................................................... 72
3. Récepteurs aux glucocorticoïdes.............................................................................. 74
a) Récepteurs intracellulaires
b) Récepteurs membranaires
D. Actions des glucocorticoïdes sur le système nerveux central ........................................ 78
1. Actions sur la plasticité neuronale ........................................................................... 79
2. Actions sur la mémoire ............................................................................................ 80
a) Actions des glucocorticoïdes sur le conditionnement aversif
b) Actions des glucocorticoïdes sur la mémoire spatiale/relationnelle
OBJECTIFS GENERAUX DES TRAVAUX DE THESE ................................................. 85
CHAPITRE 1 : Implication des glucocorticoïdes intra-hippocampiques dans l’induction
d’altérations de la mémoire émotionnelle de type ESPT (Article 1) ...................................... 87
CHAPITRE 2 : Effets opposés des glucocorticoïdes dans l'hippocampe dorsal vs. ventral sur
les réponses de peur conditionnées (Article 2) ...................................................................... 113
14
CHAPITRE 3 : Altération de la mémoire relationnelle par les glucocorticoïdes intrahippocampiques : vulnérabilité par un stress antérieur (Article 3) ....................................... 141
DISCUSSION GENERALE ................................................................................................ 163
A. Conditions favorisant l’apparition d’altérations mnésiques de type ESPT............... 166
1. Forte intensité émotionnelle ................................................................................... 166
2. Activation excessive des GR de l’hippocampe ...................................................... 168
3. Effets opposés des glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal vs. ventral ........... 170
4. Glucocorticoïdes, épisodes de stress et vulnérabilité ............................................. 173
B. Altérations mnésiques de type ESPT : dysfonctionnements du circuit hippocampoamygdalien et sélection inadaptée de stimuli prédictifs.................................................... 174
1. Déficit de mémoires dépendantes de l’hippocampe............................................... 174
2. Altérations hippocampiques et rôle de l’amygdale dans la consolidation de
l’événement traumatique ............................................................................................ 176
3. Altérations mnésiques de type ESPT ..................................................................... 178
Conclusion et perspectives................................................................................................... 181
ANNEXES............................................................................................................................. 183
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES........................................................................... 199
15
16
INTRODUCTION GENERALE
17
18
INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle
PARTIE I. La mémoire émotionnelle normale et pathologique
Une définition classique de la mémoire est la capacité pour un organisme vivant
d’acquérir, de conserver, puis de restituer ou d’utiliser des informations ou un comportement
(Delacour, 1984). Cette définition simple nous renseigne sur les fonctions générales de la
mémoire. Néanmoins, elle ne nous renseigne pas sur l’aspect polymorphe de la fonction
mnésique et ne précise pas la nature des informations que cette fonction peut traiter.
En particulier, la mémoire n’est pas un processus passif par lequel nous mémorisons de
façon équivalente toutes les informations de notre environnement et de notre vie. En effet, le
contexte dans lequel les informations sont présentées filtre, module et conditionne son
stockage et sa restitution ultérieure (McEwen & Sapolsky, 1995). Un important filtre est la
connotation émotionnelle de la situation. Comme exemple typique, la majorité d’entre nous
peut se rappeler précisément du lieu où nous étions lorsque nous avons appris l’attentat du 11
septembre 2001, tandis qu’il est difficile de se rappeler d’un détail d’un jour quelconque, sans
événement marquant particulier. Ainsi, il existe une forme de mémoire facilitée par les
émotions, une « mémoire émotionnelle ».
En revanche, à la suite d’un événement émotionnel intense à extrême, la mémoire peut
être sévèrement altérée chez l’Homme, comme cela est observé dans des états
psychopathologiques tels que l’état de stress post-traumatique (ESPT). Dans notre exemple,
certaines personnes ayant vécu de très près l’événement du 11 septembre ont développé un
ESPT, avec une prévalence de l’ordre de 20 % (Galea et al., 2002). Le tableau clinique des
troubles mnésiques de l’ESPT est bien caractérisé dans le Diagnostic and Statistical Manual
of Mental Disorders (DSM-IV) (APA, 2000). Il est défini par une hypermnésie de
l’événement associée à une amnésie pour les éléments contextuels. Cependant, les bases
neurobiologiques et les mécanismes physiopathologiques de l’ESPT restent encore méconnus.
Dans ce contexte, mes travaux de thèse visent à déterminer chez le rongeur les
conditions dans lesquelles une situation émotionnelle peut altérer les processus mnésiques
et conduire à des troubles mnésiques de type ESPT.
Dans cette première partie de l’introduction, nous définirons les différentes formes de
mémoire (A) et la mémoire émotionnelle normale (B) avant de présenter les troubles
mnésiques de type ESPT (C) ainsi que les modèles animaux actuels de l’ESPT et leurs limites
(D).
19
INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle
A. Le polymorphisme de la mémoire
L’existence de différentes formes de mémoires est communément admise. Les études
chez l’Homme et chez l’animal on conduit à définir différentes formes de mémoire pouvant
être dissociées en fonction de la durée de rétention (mémoire à court terme vs. mémoire à long
terme), la nature des informations traitées, le mode de rappel des informations et les structures
cérébrales impliquées. Depuis des décennies, les neuroscientifiques s’attachent à classifier les
différents types de mémoire en se fondant sur des dichotomies variées (Cohen & Squire,
1980; Schacter, 1987; Baddeley, 1988; Schacter & Tulving, 1994).
Sur la base de nombreuses observations chez l’Homme et chez l’animal, Squire a
proposé un modèle dichotomique qui est largement utilisé comme référence en Neurosciences
(Squire, 1992, 2004). Dans cette classification, la mémoire à long terme est divisée en deux
systèmes majeurs (Figure 1). D’une part, la mémoire déclarative, accessible à la conscience
et dont le contenu peut être verbalisé (décrit), permet une récupération explicite
d’informations. La mémoire déclarative dépend essentiellement de l’intégrité de la formation
hippocampique. Elle regroupe la mémoire sémantique (mémoire des faits et des concepts) et
la mémoire épisodique (mémoire autobiographique). Cette dernière forme de mémoire serait
selon Tulving (1983) une reconstitution ou une reconstruction mentale consciente
d’événements passés vécus personnellement. Cette mémoire implique une indexation
temporelle et contextuelle (date, lieu, état émotionnel) des événements et une utilisation
flexible des informations acquises (Cohen, 1984; Eichenbaum et al., 1992).
D’autre part, la mémoire non déclarative ou implicite regroupe une grande variété de
capacités mnésiques (p. ex., habiletés perceptives, motrices ou cognitives, amorçage,
conditionnement classique) qui s’expriment au travers d’une performance, éventuellement à
l’insu du sujet, plutôt que sous la forme d’une récupération consciente d’informations. Ces
diverses capacités mnésiques ont en commun le fait que leurs substrats neurobiologiques
respectifs ne semblent pas strictement dépendre de l’hippocampe. Dans nos travaux, nous
nous sommes particulièrement intéressés au conditionnement classique. L’amygdale soustend cette forme d’apprentissage associatif qui implique l’attribution d’une signification
émotionnelle à un stimulus à l’origine neutre, conduisant à l’expression de réponses
conditionnées émotionnelles (RCE) à ce stimulus.
De façon comparable, Schacter (1987) a distingué la mémoire explicite de la mémoire
implicite. La mémoire explicite se réfère à la récupération intentionnelle d’une expérience
20
INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle
antérieure alors que la mémoire implicite ne suppose aucune récupération volontaire de
l’expérience passée.
Une critique fréquente du modèle de Squire est que très peu d’éléments sont donnés sur
les interactions possibles entre les différents systèmes de mémoire. Or s’il y a bien plusieurs
systèmes, alors ceux-ci doivent pouvoir interagir afin de fonctionner de manière cohérente
dans le but d’induire un comportement adapté à une situation donnée. Ces relations ont été
évoquées par un certain nombre d’auteurs (Jaffard & Meunier, 1993; Kim & Baxter, 2001;
White & McDonald, 2002; Poldrack & Packard, 2003).
Mémoire à long terme
Mémoire déclarative
Mémoire non déclarative
(explicite)
(implicite)
Épisodique
Sémantique
LOBE TEMPORAL
MEDIAN
Procédurale
Amorçage
Conditionnement
classique
Apprentissages
non associatifs
STRIATUM NEOCORTEX
VOIES
REFLEXES
Réponses
émotionnelles
AMYGDALE
Muscles
squelettiques
CERVELET
Figure 1. Classification des systèmes de mémoire d’après Squire (Squire, 2004). Cette taxonomie
est centrée sur l’hippocampe et associe chaque forme de mémoire à une structure cérébrale
particulièrement importante.
Dans le cadre de la mémoire et des émotions, il ressort de ce modèle une distinction
entre une composante déclarative/explicite dépendante de l’hippocampe et une composante
non déclarative/implicite impliquant une composante émotionnelle qui dépend, elle, de
l’amygdale. Cette distinction se base notamment sur des études ayant révélée une double
dissociation
entre
ces
deux
formes
de
mémoires.
En
particulier,
des
études
neuropsychologiques chez l’Homme ont mis en évidence qu’un sujet présentant une lésion
bilatérale de l’hippocampe pouvait exprimer des RCE normales (réponses électrodermales) à
divers types de stimuli conditionnels, alors qu’il était incapable de rapporter explicitement,
21
INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle
via un questionnaire, l’expérience de conditionnement passée ayant conduit à ces RCE.
Inversement, un patient présentant une lésion bilatérale de l’amygdale présentait une
altération sélective de la RCE mais pouvait, lui, rappeler explicitement l’expérience de
conditionnement vécue en précisant même le stimulus qui était prédictif du stimulus aversif
(Bechara et al., 1995). De façon similaire, des études menées chez le singe ont également
montré une altération spécifique de la réactivité émotionnelle à divers stimuli sensoriels sans
déficit mnésique après lésion amygdalienne. En revanche, un déficit mnésique dans une
épreuve de discrimination d’objets associé à une réactivité émotionnelle normale était observé
après lésion de l’hippocampe et des aires corticales associées (Zola-Morgan et al., 1991).
Bien que les systèmes explicite et implicite/émotionnel puissent fonctionner de façon
dissociée, ils peuvent aussi interagir lorsque notamment mémoire et émotion sont cooccurrents (Phelps, 2004). Dans l’étude de Bechara décrite ci-dessus, chez un sujet sain, la
capacité de rappel conscient de l’expérience de conditionnement coexiste avec l’expression
d’une RCE. Ces deux composantes de la mémoire émotionnelle, bien que sous-tendues par
différents substrats neurobiologiques (Phelps, 2004), relèvent de systèmes de mémoire en
interaction afin de sous-tendre un comportement adapté à une situation donnée.
B. La mémoire émotionnelle
Une émotion peut être définie comme une réaction affective intense à un événement réel
ou imaginaire, associée à des perturbations transitoires de l’équilibre interne d’un organisme.
Elle se manifeste par un ensemble de réactions complexes comprenant des réactions
comportementales, des réponses physiologiques (neurovégétatives) et une sensation
subjective (le ressenti de l’individu) (Dantzer, 1988; Belzung, 2007). Des études chez
l’Homme ont permis de mettre en évidence l’impact d’un état émotionnel sur les fonctions
cognitives. En particulier, les études neuropsychologiques de Damasio ont mis en évidence
que des patients atteints de lésions cérébrales (cortex préfrontal ventro-médian ou amygdale)
se montrent incapables d’effectuer des choix et présentent également un déficit sur le plan
émotionnel. Damasio conclu que des déficits sur le plan émotionnel se répercutent sur des
processus cognitifs tels que la prise de décision. Ces études ont données lieu à l’hypothèse des
« marqueurs somatiques » (Damasio et al., 1991; Damasio, 1995). Celle-ci postule qu’un état
du corps, perçu comme une émotion, attribue des poids émotionnels positifs ou négatifs à une
22
INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle
option particulière, conduisant le sujet à sélectionner ou à rejeter cette option parmi un
nombre élevé de solutions possibles. Cela suggère qu’un état émotionnel module et oriente
des traitements cognitifs. Cette hypothèse qui a été formulée dans le cas de la prise de
décision peut être étendue aux processus de sélection d’informations pertinentes en vue d’une
consolidation mnésique et d’une restitution ultérieure.
La mémoire émotionnelle fait ainsi référence à l’attribution d’une signification
émotionnelle à un stimulus ou à un événement, promouvant ainsi sa rétention mnésique. En
relation avec la définition de la mémoire de Delacour (1984), la mémoire émotionnelle peut
être définie comme la faculté d’acquérir, de consolider et de restituer des informations
connotées émotionnellement. Il est à préciser que la mémoire émotionnelle inclut à la fois la
modulation de souvenirs épisodiques et l’expression de réponses conditionnées émotionnelles.
En ce sens, elle reposerait à la fois sur le système de mémoire déclarative/explicite
(épisodique) et sur le système de mémoire non déclarative/implicite (réponses conditionnées
émotionnelles) (Phelps & LeDoux, 2005).
• Modulation émotionnelle de la mémoire épisodique
Williams James (1890) a été l’un des premiers à décrire comment l’émotion affecte la
mémoire en écrivant qu’« une expérience peut être si émotionnellement excitante qu’elle
laisse presque une cicatrice sur les tissus cérébraux ». Cette description laissait déjà sousentendre qu’une charge émotionnelle portée par un événement faciliterait la consolidation du
souvenir de cet événement. Cette notion a été ensuite étudiée par Colgrove (1899) en notant
que la majorité des personnes pouvaient décrire avec beaucoup de détails, même 30 ans après,
les événements du jour où ils ont appris l’assassinat du Président Lincoln. Ce type de
souvenirs rapidement formés, très détaillés et durables grâce aux émotions suscitées par
l’événement a été appelé « souvenirs flashes » (flashbulb memories) par Brown et Kulik
(1977). Ce phénomène a permis de mettre en lumière les influences positives des émotions
sur la mémoire et contribua à l’essor des recherches sur ce sujet.
Cependant, les « souvenirs flashes » sont assez rares, intervenant généralement pour des
événements publics, inhabituels et extrêmement marquants. Les événements plus personnels,
habituels et ordinaires sont eux aussi sujets à des modulations par les émotions (Phelps,
2004). En effet, nous construisons nos souvenirs en fonction de la richesse émotionnelle des
événements vécus. Le souvenir d’un événement émotionnellement connoté est généralement
accru et plus durable que celui d’un événement relativement neutre (McGaugh, 2003). Ainsi,
23
INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle
un aspect de la mémoire émotionnelle correspond à une facilitation de la mémoire épisodique
en raison de la charge émotionnelle portée par l’événement vécu.
Emotions et souvenirs épisodiques impliquent tous deux le lobe temporal médian,
comprenant
l’amygdale
et
l’hippocampe
anatomiquement
proches
et
étroitement
interconnectés. Il a été clairement montré que l’éveil émotionnel facilite la mémoire
épisodique par l’influence de la région cérébrale clef des émotions (l’amygdale) sur la région
nécessaire à la mémoire épisodique (l’hippocampe) (Phelps, 2004). Depuis les années 1960,
les études de McGaugh chez l’animal ont conduit à la description des mécanismes
neurobiologiques sous-tendant cette fonction de l’amygdale (McGaugh, 2000, 2004). Cette
problématique a pu ensuite être étudiée chez l’Homme avec l’étude de patients qui, porteurs
de lésions amygdaliennes, ne présentaient pas d’amélioration typique de la mémoire
épisodique vis-à-vis d’événement émotionnellement connotés (Cahill et al., 1995). De plus,
les premiers travaux d’imagerie cérébrale montrent que le niveau d’activation de l’amygdale
induit par un éveil émotionnel lors de l’encodage d’une information prédit sa rétention
explicite ultérieure (Cahill et al., 1996).
Il a été aussi montré que l’influence de l’éveil émotionnel sur la mémoire implique des
hormones libérées lors de l’événement chargé émotionnellement (McGaugh & Roozendaal,
2002; Roozendaal et al., 2009). Ce sont les hormones surrénaliennes de stress : l’adrénaline
(hormone adrénalosurrénalienne) et les glucocorticoïdes (hormones corticosurrénaliennes).
Les études chez l’Homme ont montré que l’injection de ces hormones ou l’exposition à un
stress, lequel est associé à une libération de ces hormones accroit les performances mnésiques
pour des informations émotionnellement chargées (Cahill & Alkire, 2003; Cahill et al., 2003).
Les études chez l’animal ont pu préciser que ces hormones modulent la fonction mnésique en
agissant sur les structures cérébrales du lobe temporal médian (hippocampe et amygdale) (de
Kloet et al., 1999; McGaugh & Roozendaal, 2002; Roozendaal et al., 2009).
Les mécanismes impliqués dans l’influence des émotions sur la mémoire épisodique qui
ont été largement explorés portent sur la consolidation mnésique dépendante de l’hippocampe
(McGaugh, 2004; Phelps & LeDoux, 2005). La consolidation est un processus par lequel une
trace mnésique d’abord transitoire et labile est convertie en une mémoire à long terme
relativement durable, stable et résistante. Elle constitue une opération de sélection et de filtre
des informations. Pendant cette période de temps limitée, la mémoire est sensible à divers
agents amnésiants ou promnésiants. L’éveil émotionnel est un puissant modulateur de la
consolidation mnésique, favorisant la sélection des informations à consolider et
l’accroissement de la mémoire pour ces informations (McGaugh, 2003).
24
INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle
• Réponses conditionnées émotionnelles
Les données présentées ci-dessus soulignent l’importance de l’état émotionnel dans la
facilitation de souvenirs épisodiques. Cependant, la mémoire pour des événements
émotionnels n’implique pas forcément, ou seulement, un traitement élaboré et conscient de
l’événement et une restitution explicite des informations. Des informations peuvent aussi être
traitées et restituées de manière relativement implicite, automatique, sous la forme de
réponses comportementales ou autonomes (Phelps & LeDoux, 2005). Cette forme de
mémoire s’inscrit alors dans le cadre d’un apprentissage associatif émotionnel. Dans ce cas, il
s’établit de façon inconsciente et automatique une association conditionnée entre un stimulus
et une valeur émotionnelle, et l’expression ultérieure d’une RCE ne nécessite aucune
représentation consciente de l’apprentissage. L’amygdale est essentielle dans l’acquisition, la
consolidation de l’association conditionnée et l’expression ultérieure de RCE.
Souvent, l’aspect explicite et l’aspect implicite de la mémoire émotionnelle s’expriment
en même temps. Mais des cas pathologiques permettent d’observer spécifiquement
l’expression implicite de la mémoire émotionnelle. Des patients présentant une lésion de
l’hippocampe peuvent former un souvenir pour un événement émotionnel, non pas dans un
registre épisodique, mais dans un format plus implicite dépendant de l’amygdale, attesté par
l’expression automatique d’une RCE. C’est par exemple le cas de la patiente de Claparède qui
exprime des RCE sans avoir le souvenir explicite de l’expérience initiale ayant conduit à ces
réponses.
Comprendre comment un stimulus à l’origine neutre acquiert une connotation
émotionnelle, et est ainsi sélectionné parmi un nombre important d’autres stimuli puis
mémorisé, apparait comme un objectif majeur des études sur les interactions entre mémoire et
émotions. Cet aspect de la mémoire émotionnelle peut être facilement étudié chez l’animal
par le conditionnement classique aversif.
• Qu’est-ce qu’une mémoire émotionnelle « normale » ?
Dans le cas d’un événement émotionnellement connoté, une mémoire émotionnelle
normale implique une composante épisodique. En effet, un individu doit être capable de
rappeler explicitement un événement vécu dans son ensemble et être conscient que cet
événement rappelé appartient à son histoire personnelle et fait référence à une date et un
contexte précis. Une indexation temporelle et contextuelle caractérise donc ces souvenirs. De
plus, la mémoire épisodique se base sur une mise en relation des différents éléments
25
INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle
composant l’événement (Cohen, 1984; Eichenbaum et al., 1992), éléments pouvant être
importants pour l’histoire du sujet.
Dans une perspective évolutionniste, un éveil émotionnel connote un stimulus ou un
événement qui est susceptible d'avoir un intérêt à la fois immédiat et ultérieur pour la survie
de l’individu. En conséquence, il est adaptatif d’accroitre la mémoire pour ces stimuli
émotionnellement connotés, assurant ainsi que des informations potentiellement importantes
pour le sujet seront accessibles à l’individu dans des situations ultérieures. Une telle
facilitation de la mémoire s’applique notamment aux expériences déplaisantes ou aversives
qui constituent un danger potentiel pour l’individu (McGaugh, 2000). Afin que cette mémoire
soit adaptative, les RCE doivent être spécifiquement adaptées aux situations vécues, c’est-àdire évoquées par le stimulus le plus prédictif de l’événement aversif (Bonne et al., 2004).
En conclusion, la mémoire émotionnelle implique la sélection de stimuli prédictifs d’un
événement critique pour l’individu.
C. Un cas de mémoire émotionnelle pathologique : l’état de stress posttraumatique
Certains événements émotionnels sont extrêmement intenses, voire traumatiques (p. ex.,
guerre, catastrophe naturelle, violences physiques/morales, accident grave). En général, la
mémoire émotionnelle qui en résulte est particulièrement forte, vivace, durable, mais tout en
s’inscrivant dans un registre épisodique. Cependant, à l’issue d’un événement traumatique,
certaines personnes développent de sévères troubles de la mémoire, lesquels constituent un
aspect fondamental de la symptomatologie de l’état de stress post-traumatique (ESPT). On
bascule ainsi dans une forme pathologique de la mémoire émotionnelle.
1. Symptomatologie de l’ESPT
• Critères diagnostiques
Le DSM-IV classe l’ESPT dans les troubles anxieux et le caractérise par plusieurs
classes de critères diagnostiques (APA, 2000) que nous présentons ici de façon synthétique.
La personne doit avoir été exposée à un événement traumatique présentant les deux
éléments suivants (critères A) : l’événement a constitué une menace pour l’intégrité physique
26
INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle
du sujet ou d’une autre personne ; la réponse de la personne à l’événement doit comprendre
une peur intense, un sentiment d’impuissance ou d’horreur.
Trois classes de critères caractérisent ensuite les symptômes de l’ESPT. L’événement
traumatique est constamment revécu de diverses manières (critères B). Le sujet a des
souvenirs ou des cauchemars répétitifs et envahissants de l’événement, provoquant un
sentiment de détresse et durant lesquels l’événement est remis en scène sur tous les plans
sensoriels et émotionnels. On observe souvent un sentiment intense de détresse psychologique
et une réactivité physiologique intense (p. ex., tachycardie, transpiration, sensation de froid,
tremblements) lors de l’exposition à des indices évoquant un aspect de l’événement
traumatique.
Les stimuli associés à l’événement traumatique sont évités de manière durable (critères
C). Cet évitement des souvenirs peut inclure l’amnésie d’un aspect important de l’événement
traumatique (critère C3). Il est aussi observé une diminution de la réactivité au monde
extérieur, appelée « émoussement psychique ». Le sujet peut aussi avoir le sentiment de ne
pas avoir d’avenir possible.
Enfin, le sujet peut présenter des symptômes d’hyperéveil ou d’anxiété (critères D). Ces
symptômes peuvent comprendre un état d’hypervigilance ou des réactions exagérées de
sursaut.
Le diagnostic de l’ESPT suppose que ces perturbations se manifestent durant plus d’un
mois (critère E) et entraînent une souffrance significative ou une détérioration des activités
sociales et professionnelles (critère F).
• Altération paradoxale de la fonction mnésique
La symptomatologie de l’ESPT indique que des altérations de la fonction mnésique
constituent un déficit fondamental de cette pathologie (Elzinga & Bremner, 2002; Layton &
Krikorian, 2002). En effet, les sujets présentent le plus souvent une hypermnésie pour un
élément particulièrement saillant du trauma, souvent fortement chargé émotionnellement (p.
ex., le couteau d’une agression, le bruit d’un hélicoptère) mais pas nécessairement prédictif du
choc traumatique (p. ex., une odeur particulièrement marquante). Les sujets gardent des
souvenirs exacts de cet élément, comme si au moment de l’événement leur attention s’était
focalisée sur cet élément symbolisant le danger. De plus, cette hypermnésie de type déclaratif
est associé, sur un plan implicite, à l’expression d’une peur intense et incontrôlée lors
d’expositions ultérieures à des stimuli rappelant ceux du trauma dans des contextes différents
du contexte original (Foa et al., 1992).
27
INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle
En revanche, les sujets sont incapables de rappeler consciemment d’autres aspects
importants de l’événement (p. ex., le lieu de l’agression ou du combat). Ce déficit correspond
à une amnésie de type déclaratif portant sur les éléments contextuels péri-traumatiques. Des
études neuropsychologiques ont révélé de sévères déficits de la mémoire déclarative, évaluée
sur des aspects propres à l’événement traumatique (Gil et al., 1990; Bremner et al., 1993).
Néanmoins, les éléments du contexte ne sont oubliés que sur un plan déclaratif. Les sujets
souffrent en effet de souvenirs intrusifs ou flashbacks dans lesquels tout l’événement
traumatique est rejoué de façon très détaillée, incluant les mêmes impressions sensorielles et
états émotionnels que ceux ressentis lors du trauma. En conséquence, l’ensemble de
l’événement traumatique a été consolidé mais sans indexation temporelle et contextuelle, et
n’a donc pas fait l’objet d’un traitement conscient suffisant pour intégrer la mémoire
épisodique de l’individu.
En conclusion, l’un des principaux traits de l’ESPT est un profil mnésique paradoxal
dans lequel coexistent une hypermnésie pour des éléments saillants du trauma et une
amnésie de type déclaratif pour des éléments contextuels péri-traumatiques (Layton &
Krikorian, 2002). Ce profil d’altérations mnésiques est paradoxal car hypermnésie et amnésie
portent sur différents éléments du même événement traumatique. En d’autres termes, l’ESPT
se caractérise par la sélection d’éléments saillants, fortement connotés émotionnellement mais
pas
nécessairement
prédictif
du
choc
traumatique,
associée
à
un
déficit
de
« contextualisation » de l’événement.
2. Données neurobiologiques de l’ESPT
• Dysfonctionnement des interactions hippocampo-amygdaliennes
Les études cliniques sont généralement conduites sur des sujets souffrant d’un ESPT en
comparaison avec des victimes d’un événement traumatique similaire mais qui n’ont pas
développé d’ESPT. Elles suggèrent que des altérations du système de mémoire implicite
émotionnel, impliquant l’amygdale, et du système de mémoire déclaratif, dépendant de
l’hippocampe, pourraient expliquer les troubles mnésiques de type ESPT (Elzinga &
Bremner, 2002).
Des études d’imagerie ont montré que les patients atteints d’ESPT présentent une
hyperactivité de l’amygdale en réponse à des stimuli rappelant le trauma (Liberzon et al.,
1999; Protopopescu et al., 2005). Un hyperfonctionnement amygdalien pourrait ainsi
28
INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle
expliquer les peurs intenses exprimées vis-à-vis de ces stimuli évoquant le trauma, ainsi que
le phénomène de flashbacks.
En revanche, une réduction du volume de l’hippocampe a été fréquemment retrouvée
chez des patients ESPT (Bremner et al., 1995; Gilbertson et al., 2002). Bien que cette
altération hippocampique puisse être un facteur de prédisposition au développement d’un
ESPT (Gilbertson et al., 2002), elle pourrait aussi être une conséquence de l’exposition à un
événement traumatique per se (Bremner, 1999). Par ailleurs, une étude d’imagerie ayant
distingué les différentes régions de l’hippocampe révèle que la partie postérieure de
l’hippocampe est spécifiquement altérée chez les patients atteints d’ESPT (Bonne et al.,
2008). L’hippocampe étant une structure cérébrale clef dans la mémoire déclarative et le
traitement d’informations contextuelles, son altération contribuerait à l’amnésie de type
déclaratif vis-à-vis des éléments contextuels de l’événement traumatique.
• Rôle putatif des glucocorticoïdes
L’exposition à un événement émotionnel induit une activation de l’axe corticotrope
conduisant à une libération de glucocorticoïdes (dont la principale hormone est le cortisol
chez l’Homme) (cf. partie III). L’exposition à un événement traumatique serait associée à une
libération accrue de glucocorticoïdes. Ces hormones peuvent facilement entrer dans le
cerveau et se fixent en abondance notamment au niveau de l’hippocampe sur les récepteurs
aux glucocorticoïdes (GR). Cette structure est donc particulièrement sensible aux effets des
glucocorticoïdes (McEwen et al., 1992). Des études chez l’animal ont démontré qu’un stress
intense ou l’administration d’une forte dose de glucocorticoïdes altère au niveau de
l’hippocampe la libération de neurotransmetteurs, la plasticité synaptique, la morphologie des
épines dendritiques, et enfin la survie même des neurones et les processus de neurogénèse
(McEwen, 2000). Un excès de glucocorticoïdes peut devenir neurotoxique pour les neurones
de l’hippocampe, et ce par accumulation de calcium et de glutamate qui sont, eux, directement
neurotoxiques (Sapolsky, 2000). Des études indiquent qu’un événement traumatique pourrait
conduire à des altérations similaires chez l’Homme (Sapolsky, 1996; Bremner, 1999), ce qui
pourrait expliquer à plus long terme l’atrophie hippocampique et en conséquence les déficits
de mémoire déclarative chez les sujets atteints d’ESPT. Cette hypothèse peut être confortée
par l’observation clinique d’altérations similaires (déficits de mémoire déclarative et atrophie
hippocampique) chez des sujets atteints du syndrome du Cushing, lesquels présentent un taux
élevé de cortisol (Starkman et al., 1992).
29
INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle
Après l’événement traumatique, l’ESPT est associé à des altérations durables de l’axe
corticotrope. En particulier, des études révèlent une augmentation du rétrocontrôle négatif de
l’axe corticotrope, en partie médié par l’hippocampe (cf. partie III) (Yehuda, 2000). En effet
dans le test à la dexaméthasone, l’administration de cet agoniste aux GR conduit à une forte
inhibition de l’axe corticotrope (une diminution rapide de la libération de cortisol) révélant
une hypothétique hypersensibilité des GR hippocampiques. Comparé à des sujets sains, le
taux de cortisol des sujets atteints d’ESPT est faible à l’état basal. En revanche, la libération
de cortisol est excessive en réponse à un stimulus rappelant l’événement traumatique (Heim et
al., 2000; Elzinga et al., 2003). Ainsi, dans l’ESPT, l’axe corticotrope est décrit comme
hypoactif mais hyper-réactif.
3. Epidémiologie de l’ESPT
Aux Etats-Unis, l’ESPT apparait comme le quatrième désordre psychiatrique le plus
fréquent. L’étude épidémiologique menée par Kessler (Kessler et al., 1995) est l’une des
seules à reposer sur un échantillon représentatif de la population américaine. Cette étude
révèle qu’une large majorité de la population a connu au moins un événement traumatique au
cours de sa vie, le taux d’exposition étant de l’ordre de 56 %. Elle révèle aussi une proportion
importante de sujets ayant fait l’expérience de plusieurs événements traumatiques au cours de
leur vie. 52 % des victimes ont un historique traumatique composé d’au moins deux
événements.
L’étude de Kessler fait état d’une prévalence de l’ESPT d’environ 8 % parmi la
population générale américaine. En revanche, le taux de prévalence augmente
considérablement parmi les victimes d’un événement traumatique. Entre 20 et 60 % des sujets
exposés à des traumatismes de nature extrême (p. ex., situations de guerre, attentats
terroristes) développent un ESPT.
Il a été reporté une durée moyenne de l’ESPT comprise entre 3 et 5 ans et une
symptomatologie toujours présente pour un tiers des sujets 10 ans après l’événement (Kessler
et al., 1995). Dans certains cas, des symptômes persistent même 40 à 50 ans après
l’événement (Orr et al., 1993). Ces données conduisent à considérer l’ESPT comme un
trouble chronique.
Un facteur de risque important dans le développement d’un ESPT est une histoire
personnelle de stress. Il a été montré qu’une expérience traumatique initiale prédispose des
30
INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle
individus au développement d’un ESPT lors d’un événement traumatique ultérieur
(Gilbertson et al., 2002; Breslau et al., 2004; Yehuda, 2004).
Enfin, d’autres pathologies sont généralement associées à l’ESPT. La grande majorité
des sujets souffrants d’ESPT présente les critères d’au moins un trouble psychiatrique associé.
Une forte comorbidité existe impliquant une anxiété généralisée, une dépression majeure et
une dépendance à des substances psychoactives.
Ces données épidémiologiques révèlent que plusieurs événements traumatiques sont
généralement vécus par la population générale. De plus, l’ESPT est développé par une souspopulation de victimes d’un même événement traumatique ayant souvent déjà vécu une
expérience traumatique préalable. Ceci suggère le développement d’une vulnérabilité
intrinsèque chez certaines personnes, laquelle serait en partie due à la répétition d’épisodes
traumatiques au cours de leur vie.
4. Mécanismes physiopathologiques hypothétiques de l’ESPT
L’ensemble des données ci-dessus indiquent que l’ESPT serait associé (1) à une
libération excessive de glucocorticoïdes pouvant altérer la fonction hippocampique, (2) à une
altération de l’hippocampe pouvant être responsable de déficits de mémoire déclarative et (3)
à une hyperactivité de l’amygdale pouvant sous-tendre l’hypermnésie vis-à-vis d’un élément
saillant lié au trauma. Ainsi, nous pouvons formuler l’hypothèse générale suivante : une
situation de stress intense conduirait à un excès de glucocorticoïdes dans l’hippocampe
altérant la fonction hippocampique et serait associée à un hyperfonctionnement de
l’amygdale.
En particulier, nos travaux ont porté sur l’hypothèse selon laquelle un excès de
glucocorticoïdes dans l’hippocampe pourrait, via des dysfonctionnements des interactions
hippocampo-amygdaliennes, conduire à un hyperfonctionnement de l’amygdale. Cette
hypothèse suggère que l’hippocampe puisse contrôler l’activité de l’amygdale. Si les relations
d’influence de l’amygdale vers l’hippocampe sont relativement bien connues (McGaugh,
2004), des données de l’équipe révèlent que, réciproquement, l’hippocampe peut contrôler
l’activité amygdalienne en contribuant à la sélection du stimulus prédictif d’un choc
électrique lors d’une procédure de conditionnement aversif (Calandreau et al., 2006).
Sur un plan cognitif, notre hypothèse suppose qu’un déficit de traitement de
l’événement traumatique sous un format déclaratif/épisodique, dépendant de l’hippocampe,
conduirait à la consolidation de l’événement sous un seul format implicite, sollicitant
31
INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle
l’amygdale. En effet, les sujets atteints d’ESPT sont incapables de construire une mémoire
épisodique normale de l’événement traumatique. Néanmoins, de part la forte intensité
émotionnelle de la situation, l’amygdale, fortement recrutée, prendrait en charge la
consolidation de l’événement sous un format implicite ne permettant pas un accès conscient
aux informations (Elzinga & Bremner, 2002).
Enfin, des épisodes de stress dans l’histoire personnelle d’un sujet constituerait un
facteur de risque dans le développement de l’ESPT (Yehuda, 2004). Il a été montré chez
l’animal qu’une situation de stress induit une libération de glucocorticoïdes rendant les
neurones de l’hippocampe plus vulnérables à des situations de stress ultérieures (Conrad,
2008). Nous pouvons alors émettre l’hypothèse selon laquelle l’exposition à un stress
préalable pourrait induire un état de prédisposition à l’émergence d’un déficit de la mémoire
déclarative lors d’un stress ultérieur.
En résumé, la forte prévalence de l’ESPT, la sévérité et la persistance des symptômes
ainsi que l’absence de traitement efficace font de l’analyse de cette pathologie un défi médical
majeur. Les études neuropsychologiques ont permis de caractériser de façon précise la
symptomatologie de l’ESPT. Néanmoins, les mécanismes physiopathologiques de l’ESPT
sont encore méconnus et les hypothèses décrites ci-dessus relatives à ces mécanismes
restent à tester. Les études chez l’animal apparaissent alors nécessaires, notamment pour
comprendre comment des altérations mnésiques de type ESPT peuvent se développer après un
événement stressant.
D. Modèle animal de l’altération mnésique de l’ESPT
1. Profil hypermnésie/amnésie
• Modèle du conditionnement classique aversif
Les modèles animaux actuels de l’ESPT se basent essentiellement sur le paradigme de
conditionnement classique aversif, modèle d’apprentissage largement étudié (décrit dans la
partie II), afin de modéliser la composante hypermnésique de la pathologie. Brièvement, dans
ce paradigme, un stimulus conditionnel (SC, p. ex., un son) est classiquement associé à un
stimulus aversif (p. ex., un choc électrique). Des études utilisent aussi un protocole de
32
INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle
conditionnement contextuel dans lequel le contexte, ayant alors le rôle de SC, est associé au
choc électrique. Après l’apprentissage, les animaux expriment une réponse de peur
conditionnée lors de la réexposition au SC seul.
Le conditionnement aversif est utilisé comme modèle comportemental de l’ESPT en
raison d’une certaine analogie avec la psychopathologie chez l’Homme. En effet, certaines
manifestations comportementales (peur intense), neuroendocriniennes (libération de
glucocorticoïdes) et du système nerveux autonome (augmentation du rythme cardiaque) de
l’ESPT ressemblent à celles observées chez le rongeur après un conditionnement aversif
(Elzinga & Bremner, 2002; Rau et al., 2005). De plus, un rappel relativement
implicite/automatique de l’expérience émotionnelle des sujets atteints d’ESPT est aussi
observé dans le conditionnement aversif sous la forme de RCE. Enfin, l’hypermnésie
caractéristique de l’ESPT et le conditionnement aversif impliquent l’amygdale comme
structure cérébrale clef (LeDoux, 2000).
Par l’utilisation d’un protocole de conditionnement aversif, les études observent
généralement l’établissement de réponses de peur conditionnées au SC, que le SC ait été un
stimulus discret sonore ou le contexte de conditionnement. Ces réponses peuvent même être
excessives et persistantes dans certaines conditions (Richter-Levin, 1998; Cordero et al.,
2003; Rau et al., 2005; Tronel & Alberini, 2007). Les auteurs associent ces caractéristiques
aux symptômes d’hypermnésie de l’ESPT et, en ce sens, font du conditionnement classique
aversif un modèle de pathologie mnésique de type ESPT.
• Limites du modèle existant
Bien que le modèle du conditionnement classique aversif permette de modéliser
partiellement l’hypermnésie, c’est-à-dire un rappel accru et persistant de l’élément aversif, il
ne prend pas en compte la seconde altération mnésique caractéristique de l’ESPT : le déficit
mnésique vis-à-vis des éléments contextuels du trauma (Layton & Krikorian, 2002). Selon ces
auteurs ayant soulevé ces limites, la cooccurrence d’une hypermnésie et d’une amnésie vis-àvis d’informations différentes mais relevant de la même expérience aversive est une
caractéristique majeure de l’ESPT.
De plus, tandis que l’amnésie porte sur le contexte de l’événement, l’hypermnésie porte,
elle, sur un élément saillant au cœur du trauma. Or, dans les études utilisant le modèle de
conditionnement aversif, il est généralement recherché et observé de fortes réponses de peur
conditionnées quelque soit la nature du stimulus testé, qu’il s’agisse d’un élément discret et
saillant (un son) ou de stimuli polymodaux toniques (le contexte) (Cordero et al., 2003;
33
INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle
Tronel & Alberini, 2007). Compte tenu des caractéristiques de l’ESPT, il est nécessaire de
dissocier les réponses de peur conditionnées en fonction de la nature du SC.
Enfin, la plupart des études évaluent généralement les réponses de peur d’un point de
vue essentiellement quantitatif, c’est-à-dire par mesure de l’amplitude des réponses. Or, outre
l’amplitude, l’aspect qualitatif des RCE est critique. En effet, une réponse de peur à un SC
peut être adaptée ou inadaptée en fonction de la « valeur prédictive » de ce SC. Si le SC
prédisait l’occurrence du choc électrique, alors il est adapté pour l’animal d’acquérir une
réponse de peur à ce SC. En revanche, il devient inadapté d’acquérir une telle réponse de peur
à un SC non prédictif du choc électrique, ou bien de ne pas acquérir une réponse de peur à un
SC prédictif (Bonne et al., 2004). Or, le profil mnésique d’hypermnésie/amnésie de l’ESPT
correspondrait à un profil mnésique inadapté vis-à-vis de l’expérience traumatique. En
particulier, l’hypermnésie porte sur un élément saillant mais pas nécessairement prédictif du
choc traumatique et est caractérisée par une expression de peur intense vis-à-vis de cet
élément dans des contextes différents du contexte traumatique (Foa et al., 1992). Cette
observation indique un déficit d’indexation contextuelle de l’élément saillant en question. De
plus, un déficit de mémoire est observé pour des éléments contextuels péri-traumatiques. En
conséquence, il est nécessaire d’intégrer dans un modèle animal le caractère inadapté des
réponses de peur en fonction de la valeur prédictive du SC.
En
conclusion,
l’altération
mnésique
de
l’ESPT
impliquant
une
dualité
hypermnésie/amnésie basée sur la sélection incorrecte d’un stimulus discret et saillant au
détriment du contexte, sa modélisation nécessite un paradigme de conditionnement aversif
particulier. Ce paradigme doit permettre d’évaluer la capacité de l’animal à sélectionner le
stimulus prédictif du choc électrique en fonction des valeurs prédictives respectives d’un
stimulus discret et saillant (un son) et des stimuli contextuels. Ce paradigme sera développé
dans la partie II.
2. Déficit spécifique de la mémoire déclarative
• Etudes actuelles et leurs limites
Dans le cadre d’études cherchant à modéliser chez l’animal le déficit spécifique de la
mémoire déclarative observé dans l’ESPT, certaines études évaluent les performances des
animaux en mémoire spatiale après l’exposition à un stress et observent généralement des
déficits (Diamond et al., 1996; Wang et al., 2000). La mémoire spatiale chez l’animal,
mesurée habituellement en piscine de Morris, sert généralement de modèle de la mémoire
34
INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle
« déclarative » dépendante de l’hippocampe. Cette conception se base sur « l’hypothèse
spatiale du rôle de l’hippocampe » selon laquelle l’hippocampe serait nécessaire à
l’acquisition d’une représentation de l’espace et à l’établissement de relations entre des
stimuli distants (O'Keefe & Nadel, 1978).
Cependant, il peut être problématique de limiter le rôle de l’hippocampe à une
représentation de l’espace. En effet, les amnésies temporales chez l’Homme, tout comme
l’amnésie observée dans l’ESPT, ne portent pas que sur les aspects spatiaux des épisodes mais
sur la mémoire épisodique en générale. Cette mémoire s’appuie sur l’établissement de
relations entre des informations de différentes natures (sensorielles, temporelles) et sur
l’utilisation flexibles de ces informations.
De plus, l’ESPT se caractérise par un déficit de la mémoire déclarative associé à une
préservation de la mémoire implicite. Ainsi, il est nécessaire d’évaluer chez l’animal des
déficits spécifiques de mémoire de type déclaratif induits par un stress, associés à une
préservation d’une forme de mémoire implicite pour les mêmes informations.
• Une modélisation possible de la mémoire déclarative chez l’animal
La mémoire déclarative, et particulièrement son versant épisodique, semble être par
définition le propre de l’Homme puisqu’il est le seul à pouvoir verbaliser les épisodes dont il
fait l’expérience. La modélisation de la mémoire déclarative chez l’animal apparait ainsi en ce
sens impossible. Cependant, Cohen puis Eichenbaum ont extrait des propriétés fondamentales
de la mémoire déclarative afin de les modéliser de façon opérationnelle chez l’animal.
Brièvement, Eichenbaum considère la mémoire déclarative comme une « mémoire
relationnelle », caractérisée par la capacité de former une représentation relationnelle entre
des informations de différentes natures. Cette représentation relationnelle est spécifiquement
mobilisée en situation de confrontation à un choix qui oblige à comparer, contraster et mettre
en relation des informations acquises séparément en vue de résoudre un problème nouveau.
Cette flexibilité d’utilisation des informations est une caractéristique essentielle de la
mémoire relationnelle tant chez l’Homme que chez l’animal (Cohen, 1984; Eichenbaum et al.,
1988; Eichenbaum et al., 1989; Eichenbaum et al., 1996; Eichenbaum, 2004).
En se basant sur la théorie relationnelle d’Eichenbaum, A. Marighetto et R. Jaffard ont
développé au sein de l’équipe un paradigme comportemental visant à modéliser la mémoire
déclarative chez l’animal (Marighetto et al., 1999). Dans un protocole d’apprentissage en
labyrinthe radiaire, les animaux doivent d’abord discriminer des bras, présentés de façon
séparée et successive en fonction de leur valence (appâtés ou non appâtés). Cette phase
35
INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle
d’acquisition permet d’évaluer les performances en mémoire implicite (go-no go). La phase
de test consiste à présenter les mêmes bras mais de façon simultanée (par paire). Les animaux
sont ainsi confrontés à un choix entre deux bras de valence opposée, les obligeant à comparer,
contraster et mettre en relation les informations acquises séparément en vue de résoudre ce
problème nouveau. Cette présentation des bras par paires est une situation nouvelle
permettant ainsi d’évaluer la flexibilité de la mémoire. Ce paradigme comportemental permet
de révéler un déficit spécifique de mémoire relationnelle associé à une préservation des
performances en go-no go, chez des animaux âgés ou des animaux dont l’hippocampe a été
lésé ou inactivé (Marighetto et al., 1999; Etchamendy et al., 2003; Mingaud et al., 2007).
Ainsi, il apparait pertinent d’utiliser ce type de paradigme comportemental afin de mettre en
évidence, comme dans l’ESPT, un déficit spécifique de la mémoire relationnelle induit par
stress.
36
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
PARTIE II. Le conditionnement aversif :
un modèle d’apprentissage de la mémoire émotionnelle
La mémoire émotionnelle se base sur la sélection de stimuli prédictifs d’un événement
important pour l’individu. Lorsque ce processus de sélection est altéré et ne permet plus de
sélectionner certains éléments particulièrement pertinents d’un événement, apparaissent des
formes de mémoire émotionnelle pathologique. En particulier lors d’un événement
traumatique, la sélection d’un élément discret et saillant associée à une occultation des
éléments contextuels serait à la base de l’altération mnésique de l’ESPT. Dans le cadre
d’études chez l’animal, le conditionnement classique aversif constitue un modèle
d’apprentissage intéressant. En effet, il se caractérise par la nécessité de sélectionner un
stimulus permettant de prédire de façon adéquate l’occurrence d’un événement aversif. Ce
paradigme permet alors d’étudier les mécanismes de sélection correcte ou incorrecte d’un
stimulus prédictif en fonction de la contingence avec un événement aversif. Bien qu’il soit
difficile de reproduire tous les symptômes de l’ESPT dans un modèle animal, le
conditionnement aversif permet d’étudier les aspects mnésiques fondamentaux de cette
pathologie, tels que l’hypermnésie pour un élément saillant et l’amnésie pour les éléments du
contexte.
A. Définition et intérêts du conditionnement aversif
Le conditionnement classique ou Pavlovien est un apprentissage associatif défini et
théorisé à l’origine par Ivan P. Pavlov à partir de 1889 (Pavlov, 1927). Cet apprentissage
résulte de l’association d’au moins deux entités ou événements : d’une part, un ou plusieurs
stimuli qui n’induisent aucun comportement particulier (stimulus neutre devenant, après
association, stimulus conditionnel, SC), et d’autre part, un événement (stimulus
inconditionnel, SI) qui produit toujours une série de réactions particulières (réponse
inconditionnelle, RI). Le conditionnement classique est validé par la capacité du SC d’induire
seul, ultérieurement, une réponse dite conditionnée (RC). Le SC est le stimulus prédictif de
l’occurrence du SI. Cette RC atteste de l’acquisition et de la rétention mnésique de
l’association conditionnée entre un SC et un SI. Dans le conditionnement aversif, aussi appelé
37
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
conditionnement de peur, le SI est un événement aversif, comme un choc électrique
administré aux pattes de l’animal. La RC est alors une réponse conditionnée émotionnelle
(RCE) de peur. Elle se manifeste par diverses réactions viscérales (p. ex., augmentation du
rythme
cardiaque),
endocriniennes
(p.
ex.,
libération
d’hormones
de
stress)
et
comportementales (Fanselow, 1980; LeDoux, 1998). La réponse comportementale de
« freezing » est la mesure la plus utilisée chez le rongeur. Cette RCE particulière se
caractérise par une immobilisation totale de l’animal, exception faite des mouvements
respiratoires (Blanchard & Blanchard, 1969; Fanselow, 1980).
D’après les classifications des systèmes de mémoire érigées par Cohen et Squire (Cohen
& Squire, 1980; Squire, 2004) ou Schacter (Schacter, 1987), le conditionnement classique est
classé parmi les formes de mémoire dites implicites ou non-déclaratives. En effet, ce type
d’apprentissage repose sur la capacité à priori relativement simple d’associer deux stimuli,
son expression ne requiert pas forcément une évocation consciente de l’apprentissage et peut
se réaliser à l’insu du sujet de façon relativement automatique. Cette capacité d’apprentissage
associatif a en effet été attribuée à la majorité des espèces animales et à partir des stades
précoces de développement (Delacour, 1980). Cependant, des études chez l’Homme ont
montré que des sujets sains, en plus d’exprimer une RCE à un stimulus associé à un
événement aversif, sont aussi capables d’évoquer de façon consciente l’expérience de
conditionnement passée (Bechara et al., 1995). Plus encore, il suffit que le sujet soit informé
de la règle d’apprentissage d’un conditionnement classique (une diapositive bleue, le SC, sera
suivie d’un choc électrique au doigt, le SI), pour que le sujet puisse exprimer une RCE à ce
SC, alors même qu’il n’y a pas d’administration du SI (Phelps et al., 2001). Ces données
rendent compte de la dimension explicite du conditionnement classique, qui ne peut être
certes étudiée par la mesure des RCE chez l’animal.
En laboratoire, le conditionnement aversif est l’un des paradigmes expérimentaux par
excellence pour la compréhension des processus mnésiques en général. En effet,
l’apprentissage du conditionnement aversif est rapide et robuste. De plus, les différentes
phases de l’apprentissage (acquisition, consolidation et expression) sont facilement
dissociables dans le temps.
Un intérêt majeur pour notre étude est que nous pouvons facilement évaluer la capacité
de l’animal à sélectionner le stimulus prédictif du choc électrique. En effet, deux procédures
d’apprentissage peuvent être utilisées en manipulant l’association entre le SC (un son) et le
SI. La procédure d’appariement SC-SI, dans laquelle le son est systématiquement suivi du
38
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
choc, permet la sélection du son comme prédicteur majeur du SI. Au contraire, la procédure
de non-appariement SC-SI, dans laquelle le son n’est jamais suivi du choc, permet la sélection
du contexte comme prédicteur majeur du SI. Par l’utilisation de ces deux types de procédures,
une forme de conditionnement est favorisée au détriment de l’autre (conditionnement
élémentaire ou conditionnement contextuel).
B. Lois gouvernant le conditionnement classique : prédiction du SI
Les premières recherches consacrées à l’apprentissage associatif menées par Pavlov
(1927) et Thorndike (1911) aboutirent à trois lois sous-tendant la mise en place et la force
d’un apprentissage associatif : la contiguïté, la fréquence et l’intensité. Ces trois lois stipulent
que l’établissement d’une association SC-SI se réalise si ces deux stimuli sont présentés de
façon contiguë (loi de contiguïté) et répétée (loi de fréquence) et que leur intensité respective
détermine la force de leur association (loi d’intensité).
Toutefois, les travaux menés par Rescorla (1968) ont révélé que la notion de contiguïté
n’était pas suffisante à l’établissement d’un conditionnement et que le facteur déterminant
était plutôt la contingence, c’est-à-dire la probabilité de survenue du SI en présence du SC
(Landeira-Fernandez, 1996). En effet, Rescorla a démontré qu’une situation de
conditionnement dans laquelle le SC et le SI suivent la loi de contiguïté (le SC est toujours
associé au SI) mais pas la loi de contingence (des survenues du SI non annoncées par le SC)
n’induit qu’un faible conditionnement au SC. De plus, Rescorla a montré que, si la probabilité
d’occurrence du SI en l’absence du SC est supérieure à la probabilité d’occurrence de ce SI en
présence du SC, il se met en place un « conditionnement inhibiteur », observable par une
diminution de la RCE en présence du SC. Ainsi, une situation où le SC prédit
systématiquement la survenue du SI permet l’acquisition du conditionnement à ce SC, mais
lorsque le SC ne prédit que partiellement ou jamais le SI, l'acquisition du conditionnement est
faible ou nulle. Les travaux de Rescorla ont donc aboutit à l’idée que la notion de valeur
informative ou valeur prédictive du SC quant à l’occurrence du SI semblait être déterminante
à l’établissement d’un conditionnement.
39
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
L’insuffisance de la loi de contiguïté fut également mise en évidence par l’effet de
blocage de Kamin (1969). Le blocage se réfère à un déficit de conditionnement à un deuxième
SC (SC2) lorsque ce dernier est apparié au SI en présence d’un premier SC (SC1-SC2-SI)
ayant été préalablement apparié au SI (SC1-SI). Bien que le SC2 soit contigu au SI, le SC1
étant déjà prédictif de l’occurrence du SI, le SC2 n’apporte aucune information
supplémentaire pertinente quant à la survenue du SI et ne peut donc évoquer à lui seul une
RCE.
Inversement, dans le cas d’un conditionnement de second ordre, un SC2 apparié au SC1
(SC2-SC1) ayant préalablement été apparié à SI (SC1-SI) acquiert le pouvoir d’évoquer une
RCE bien qu’il n’ait jamais été lui-même apparié au SI. Ce phénomène montre notamment
que la loi de contiguïté, en plus de ne pas être suffisante, n’est même pas nécessaire à
l’établissement d’un conditionnement.
Enfin, le phénomène d’inhibition latente, dans lequel la pré-exposition au SC seul avant
une association SC-SI diminue la RCE au SC, peut être interprété comme une contradiction
entre deux informations portées par le SC (prédictif du SI lors de l’apprentissage mais non
prédictif lors de la pré-exposition).
Ces différentes observations supportent l’idée selon laquelle un stimulus doit être
prédictif de l’occurrence du SI pour permettre un conditionnement à ce stimulus. Selon la loi
de contingence, le prédicteur majeur du SI sera celui, parmi tous les stimuli présents lors de
l’apprentissage, qui annoncera le mieux la survenue du SI.
C. Conditionnement à un stimulus discret et conditionnement au contexte
Lors d’une épreuve de conditionnement, un SC est classiquement apparié au SI et
acquiert la propriété d’évoquer une RCE. Cependant, que le SC soit présenté de manière
appariée ou non appariée au SI, ou encore en l’absence de SC, le contexte dans lequel se
déroule l’apprentissage peut également acquérir des propriétés aversives et évoquer une RCE.
Ainsi en fonction de la contingence entre le SC et le SI, l’animal sélectionne soit le SC (si
forte contingence SC-SI), soit le contexte (si faible contingence SC-SI) comme prédicteur
majeur du SI.
40
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
1. Définitions d’un stimulus discret et d’un contexte
Habituellement, le SC utilisé pour un conditionnement est un stimulus simple, unimodal
et phasique, tel un son. Ce stimulus discret est donc saillant dans la mesure où il se distingue
des stimuli toniques présents lors de l’apprentissage (Fiske & Taylor, 1991).
Le stimulus discret s’oppose ainsi aux éléments présents de manière continue durant le
conditionnement, couramment regroupés sous le terme générique de « contexte » (Rudy &
O'Reilly, 1999; Fanselow, 2000). Le contexte est considéré comme un stimulus complexe
(constitué de multiples stimuli élémentaires), polymodal (car généralement composé de
stimuli visuels, olfactifs, tactiles et auditifs) et tonique.
2. Implication du contexte dans le conditionnement aversif
Initialement, Pavlov (1927) avait observé qu’au cours d’une procédure de
conditionnement, la RCE évoquée par le contexte diminuait progressivement au fur et à
mesure que le conditionnement au SC progressait. Selon lui, bien que non neutres, ces stimuli
contextuels progressivement neutralisés ne devaient pas exercer de contrôle sur la RCE au
SC. Inversement, d’autres auteurs avancèrent que le contexte pouvait affecter cet
apprentissage en modulant la perception du SC et du SI (Hull, 1943), la RCE au SC (Tolman,
1959), ou encore la formation de l’association entre le SC et le SI en s’associant avec le SC
(Konorski,
1967).
Cependant,
l’importance
du
contexte
dans
les
processus
de
conditionnement fut longtemps sous-estimée.
Ce n’est qu’à partir des années 1970 que des modèles d’analyse du conditionnement
classique ont inclus des processus potentiels par lesquels le contexte interviendrait dans
l’apprentissage.
Le modèle de Rescorla & Wagner (1972) est un modèle d’apprentissage basé sur les
lois de contiguïté et de contingence qui permet de prédire la force d’un conditionnement à un
SC et de celui au contexte. Selon ce modèle, tous les stimuli présents durant l’apprentissage
seraient en interaction et en compétition vis-à-vis d’une force associative limitée supportée
par le SI. La valeur prédictive de ces stimuli (déterminée par les lois de contiguïté et de
contingence) détermine la part de force associative qu’ils vont alors acquérir. Le stimulus
présentant la plus forte valeur prédictive quant à l’occurrence du SI présenterait une force
associative croissante au fil de l’apprentissage, impliquant une réduction progressive de la
41
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
force associative des autres stimuli. Dans ce modèle, le contexte est considéré comme une
entité globale équivalente à tout autre SC. Le conditionnement au contexte se présente donc
comme inversement proportionnel au conditionnement au SC.
Des modèles ultérieurs proposent une intervention relativement différente du contexte
dans le conditionnement. Par exemple, Mackintosh (1975) propose que les stimuli ne
rentreraient pas en compétition vis-à-vis d’une force associative limitée portée par le SI. Au
contraire, la force associative d’un SC pourrait croître en raison du degré de prédictibilité
quant à l’occurrence du SI sans entraîner une diminution de la force associative des autres
stimuli.
Miller & Matzel (1988) proposent, eux, un modèle dans lequel un mécanisme de
comparaison permet, lors de la situation de test plutôt qu’en acquisition, d’évaluer les forces
associatives acquises par le SC et par le contexte. L’hypothèse centrale de ce modèle est que
la RCE au SC est directement fonction d’une représentation du SI activée par le SC, et
inversement liée à une représentation du SI activée par le contexte. En d’autres termes, plus la
représentation du SI évoquée par celle du contexte sera faible plus la RCE au SC sera forte.
Enfin, d’autres modèles proposent l’existence d’une relation plus hiérarchique entre les
stimuli contextuels et un SC simple (Holland & Bouton, 1999). Le contexte interviendrait
dans l’acquisition d’un conditionnement au travers de relations particulières avec le SC (préconditionnement sensoriel, conditionnement de second ordre, inhibition latente) ou bien
contrôlerait la RCE générée par le SC en signalant la présence ou l’absence d’association SCSI (« occasion setting », extinction). Ce rôle modulateur du contexte impliquerait un
processus d’attribution d’une signification particulière au SC plutôt qu’un processus de
compétition directe entre le contexte et le SC.
Toutefois, les différents modèles présentés ne s’excluent pas nécessairement
mutuellement. L’idée consensuelle émergente est l’implication formelle du contexte dans le
conditionnement. Cette implication peut se traduire à la fois par une association directe du
contexte avec le SI lors de l’acquisition ou lors du test via une représentation du SI, ainsi que
par une modulation de la force associative du SC à l’égard du SI. Ainsi, le contexte semble
pouvoir, dans certaines conditions, modifier le conditionnement à un SC, soit en le diminuant
(blocage), soit en le facilitant (par indexation contextuelle). Inversement, la force associative
du SC à l’égard du SI semble pouvoir moduler le conditionnement au contexte. Une forte
prédictibilité du SC induit un faible conditionnement au contexte par phénomène de
masquage (Odling-Smee, 1975). Au contraire, en prenant l’exemple du conditionnement de
42
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
trace, l’introduction d’un intervalle de temps croissant entre le SC et le SI diminue le
conditionnement au SC et accroît le conditionnement au contexte (Marlin, 1981).
3. Sélection du prédicteur majeur du SI
En accord avec les travaux de Rescorla (Rescorla, 1968; Rescorla & Wagner, 1972) ou
encore avec ceux de Phillips & LeDoux (1994), des études menées au laboratoire suggèrent
l’existence de relations étroites et inversement proportionnelles entre le conditionnement au
SC et le conditionnement au contexte (Desmedt et al., 1998; Calandreau et al., 2006). Ces
études ont en effet montré que des animaux soumis à une procédure d’appariement SC-SI (i.e.
un son est systématiquement suivi d’un choc électrique) présentent, en test de rétention, une
forte RCE au son associée à une faible RCE au contexte. A l’inverse, les animaux soumis à
une procédure de non-appariement SC-SI (i.e. le son et le choc sont délivrés de façon pseudoaléatoire et le son n’est jamais suivi du choc) présentent une forte RCE au contexte associée à
une faible RCE au son. Ces études suggèrent, en accord avec le modèle de Rescorla &
Wagner, que la valeur prédictive du SC détermine non seulement la force de l’association SCSI mais aussi celle de l’association contexte-SI. Plus encore, elles suggèrent une dépendance
réciproque et inversement proportionnelle entre ces deux associations. En d’autres termes,
cela indique qu’au cours d’une séance d’apprentissage, il s’établit préférentiellement un
conditionnement au SC ou un conditionnement au contexte selon le degré d’appariement SCSI.
Ces études ont conduit à développer l’idée d’un processus de sélection du prédicteur
majeur du SI parmi les stimuli présents lors d’un apprentissage. Cette notion de sélection du
stimulus le plus prédictif de l’occurrence du SI a été la première fois évoquée dans une étude
de Winocur (Winocur et al., 1987). Lors d’une situation d’appariement SC-SI, la forte relation
de contingence (et de contiguïté) entre ces stimuli implique que le SC signale toujours l’arrivée du
SI et qu’il est alors le prédicteur majeur du SI (i.e., les chocs surviennent toujours après le SC). A
l’inverse, lors d’une situation de non-appariement SC-SI, la faible relation de contingence (et de
contiguïté) entre ces stimuli implique que le SC n’annonce jamais l’occurrence du SI et que le
contexte est alors l’élément le plus prédictif (i.e., les chocs surviennent exclusivement dans ce
contexte).
43
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
Cependant, si le contexte paraît ici fonctionnellement similaire au SC discret, les
processus permettant de le sélectionner comme prédicteur du SI semblent se distinguer à
plusieurs égards de ceux relatifs à la sélection du SC.
Le traitement d’un stimulus simple et celui d’un contexte, nécessaire pour toute
association conditionnée avec le SI, ne sont évidemment pas identiques. En effet,
l’établissement d’un conditionnement à un son implique un traitement relativement simple de
ce stimulus unique et phasique, conduisant à une « représentation élémentaire » de ce SC.
Une durée de présentation du SC de quelques secondes est suffisante pour la réalisation d’un
conditionnement au SC. En revanche, étant donnée la définition du contexte explicitée
précédemment, les processus de conditionnement contextuel sont sensés impliquer le
traitement de multiples stimuli polymodaux. Pour se conditionner à un contexte, l’animal doit
construire une représentation « configurale » ou « unifiée » des différents éléments composant
le contexte (Fanselow, 1990). Ainsi, la durée nécessaire à la construction d’une telle
configuration d’éléments doit être plus longue que celle nécessaire à l’acquisition d’une
représentation élémentaire. Le phénomène d’« immediate shock deficit » est en accord avec
cette idée (Fanselow, 1990). En effet, aucun conditionnement au contexte n’est possible si le
SI est administré à l’animal immédiatement après être placé dans la cage de conditionnement
et l’animal retiré immédiatement après. En revanche, le conditionnement peut se mettre en
place si l’animal est exposé au contexte pendant environ une minute avant l’administration du
SI. Cette exposition donnerait alors le temps nécessaire à l’animal pour traiter et se
représenter le contexte dans son ensemble, lequel est ultérieurement associé au SI.
Par ailleurs, la présence continue des stimuli contextuels au cours d’un apprentissage
implique que ceux-ci ne fournissent aucune information temporelle quant à l’occurrence du SI
(Marlin, 1981). La contingence entre un contexte et un SI, c’est-à-dire la probabilité de la
survenue du SI en présence du contexte, apparait donc difficilement quantifiable selon les lois
de Rescorla (1968) qui ont été en fait décrites pour un SC simple. En effet, la loi de
contingence suggère qu’un SC, s’il est prédictif, permet de prévoir précisément le moment de
la survenue du SI. Les moments d’absence du SC, indiquant l’absence de SI, sont aussi
prédictifs de périodes d’une certaine « sécurité », permettant un repos relatif à l’organisme.
Au contraire, dans le cas d’un contexte prédictif, la situation d’apprentissage devient
relativement imprévisible car elle ne permet pas de prédire avec précision l’occurrence du SI,
qui peut survenir à tout moment (sauf en présence du SC). Ainsi, l’animal doit attendre et
anticiper le SI à tout moment, ce qui n’octroie pas au sujet de période de repos et de sécurité
(Seligman & Binik, 1977).
44
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
De plus, le caractère tonique du contexte implique aussi que le contexte soit moins
saillant qu’un SC discret. En effet, une focalisation de l’attention serait plus facile sur un son
survenant de façon intermittente et ponctuelle, que sur le contexte en général. Ainsi, un
élément pourrait être sélectionné comme prédicteur en fonction de sa saillance ou en fonction
de sa valeur prédictive envers le SI. Dans une procédure de non-appariement SC-SI, le
contexte est certes peu saillant comparé au SC, mais est fortement prédictif du SI par défaut
de prédictibilité du SC. Cependant, le SC très saillant, même s’il ne prédit jamais l’arrivée du
SI, peut, dans certaines conditions, faire l’objet d’une grande focalisation de l’attention de
l’animal lors de la séance de conditionnement et évoquer ultérieurement une forte réponse de
peur. C’est notamment le cas quand le contexte, pourtant plus prédictif que le SC, ne peut pas
être sélectionné en tant que prédicteur majeur à diverses manipulations pharmacologiques
intracérébrales (Desmedt et al., 1999; Calandreau et al., 2006; Calandreau et al., 2010).
4. Sélection correcte ou incorrecte du prédicteur majeur du SI
En manipulant simplement et seulement le degré de contiguïté (et donc de contingence)
entre un SC discret et le SI (appariement vs. non-appariement), nous pouvons favoriser la
sélection du SC ou du contexte comme prédicteur majeur du SI. La sélection d’un stimulus
comme prédicteur est objectivée par l’amplitude des RCE au SC et au contexte, mesurées lors
d’une phase de test 24 h après l’apprentissage. En comparant les amplitudes de chacune de
ces réponses en fonction de la procédure d’apprentissage, nous pouvons attester de la
sélection correcte ou incorrecte du prédicteur du SI (SC vs. contexte).
- La sélection du prédicteur est correcte si les animaux expriment une forte réponse
de peur au stimulus le plus prédictif du SI associée à une faible réponse à l’autre stimulus
testé. Concrètement, les animaux soumis à une procédure d’appariement SC-SI doivent
normalement exprimer une plus forte RCE au SC et une plus faible RCE au contexte
comparés aux animaux soumis à une procédure de non-appariement, qui eux doivent
présenter le profil inverse.
- La sélection du prédicteur est incorrecte si les animaux expriment une réponse de
peur au stimulus qui n’est pas objectivement le plus prédictif du SI et/ou s’ils n’expriment pas
de réponse de peur au stimulus qui est pourtant le prédicteur majeur du SI. Ceci est objectivé
par une RCE au stimulus non prédictif identique à ou plus forte que celle de l’autre groupe
45
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
(pour qui ce stimulus est le prédicteur) et/ou une RCE au stimulus prédictif identique à ou
plus faible que celle de l’autre groupe (pour qui ce n’est pas le prédicteur majeur). C’est
notamment le cas lorsque les animaux soumis à une procédure d’appariement SC-SI
expriment une faible RCE au SC et/ou une RCE au contexte identique à celle exprimée par le
groupe soumis au non-appariement. Inversement, cette sélection est incorrecte chez les
animaux soumis à une procédure de non-appariement lorsqu’ils expriment une faible RCE au
contexte et/ou une forte RCE au SC, similaire à celle exprimée par le groupe soumis à la
procédure d’appariement.
Il est à noter qu’une telle sélection incorrecte du prédicteur du SI a déjà été observée
lors de précédentes études au laboratoire. En particulier, avec certains traitements
pharmacologiques modifiant l’activité du circuit hippocampo-amygdalien, des animaux
soumis à une procédure d’appariement ont exprimé une forte RCE au contexte et une faible
RCE au SC sonore (Desmedt et al., 1999; Calandreau et al., 2005; Calandreau et al., 2006;
Calandreau et al., 2010). Inversement, avec d’autres traitements, des animaux soumis à une
procédure de non-appariement ont préférentiellement exprimé une RCE au SC discret et une
faible RCE au contexte (Desmedt et al., 1999; Calandreau et al., 2006; Calandreau et al.,
2010). Ces études montrent ainsi qu’un « switch » est possible d’une forme de
conditionnement à l’autre. De façon intéressante, ces études montrent la possibilité d’un
processus de sélection incorrecte d’un stimulus présent mais non prédictif lors de
l’apprentissage au lieu du prédicteur majeur du SI, plutôt qu’une absence totale de réponse de
peur ou, à l’inverse, qu’une généralisation de la peur à tous stimuli.
Un circuit centré sur l’hippocampe et l’amygdale sous-tend le conditionnement aversif.
Bien qu’elles soient encore méconnues, les bases neurobiologiques de la sélection du
prédicteur majeur du SI portent sur différentes configurations d’activité du circuit
hippocampo-amygdalien. Nous allons ainsi voir que l’hippocampe et l’amygdale sont
différemment recrutés en fonction d’un conditionnement préférentiel au SC ou au contexte.
46
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
D. Bases neurobiologiques de la sélection du prédicteur majeur du SI : le
circuit hippocampo-amygdalien
1. L’amygdale
a) Généralités
L’amygdale est une structure cérébrale appartenant au système limbique. Elle a été la
première fois reconnue comme une région cérébrale distincte au début du XIXème siècle. En
1939, Clüver et Bucy ont apporté une description majeure des troubles comportementaux
chez le singe à la suite de lésions du lobe temporal médian (Cluver & Bucy, 1939). Ils ont
observé de profonds déficits d’expression et de réactivité émotionnelle, une hyperoralité et
une hypersexualité. Cependant, ces lésions étaient assez larges et incluaient l’amygdale,
l’hippocampe et les aires corticales proches. D’autres études sur le singe et notamment celle
de Weiskrantz (1956) ont permis de préciser que des lésions restreintes à l’amygdale
répliquaient le syndrome de Klüver-Bucy. Ces études ont aussi permis de qualifier l’amygdale
de centre cérébral fondamental des émotions.
L’une des descriptions les plus célèbres ayant permis d’étudier chez l’Homme le rôle de
l’amygdale est celle de la patiente S.M. Cette patiente souffrait de la maladie d’UrbachWiethe caractérisée par des symptômes dermatologiques et neurologiques. Des études
d’imageries cérébrales ont révélé la présence de lésions bilatérales (calcifications)
relativement sélectives de la région amygdalienne. L’étude neuropsychologique de S.M.
(Tranel & Hyman, 1990) a révélé que le déficit le plus caractéristique résidait dans son
incapacité à détecter et analyser de manière appropriée les émotions. Ainsi, S.M. éprouvait de
grandes difficultés à discriminer des visages qui ne diffèrent les uns des autres que par
l’émotion qu’ils expriment. De plus, ses difficultés s’avéraient marquées lorsqu’il s’agissait
de reconnaître des émotions négatives (p. ex., peur, colère). D’autres études de patients
porteurs de lésions amygdaliennes (Adolphs et al., 1994; Young et al., 1995) et d’imagerie
cérébrale (Breiter et al., 1996; Morris et al., 1996) sont venues confirmer cette première étude
neuropsychologique en soulignant un rôle crucial de l’amygdale dans les situations
émotionnellement connotées.
De nombreuses études chez l’Homme, le primate non-humain mais surtout chez le
rongeur ont clairement établi que l’amygdale est la composante essentielle d’un circuit
47
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
cérébral permettant d’attribuer une signification émotionnelle à des stimuli et d’exprimer
des réponses conditionnées émotionnelles. Ce processus est à la base des apprentissages
associatifs. Bien que l’amygdale soit impliquée dans les émotions positives et négatives, la
majorité des études associe cette structure à la peur. C’est surtout à partir des années 1980 que
les tâches de conditionnement Pavlovien aversif ont été intensivement utilisées pour étudier à
plusieurs niveaux d’analyse le rôle de l’amygdale dans l’apprentissage aversif.
b) Anatomie et connectivité
L’amygdale est située dans la partie antérieure de l’extrémité temporale de la corne des
ventricules latéraux (Isaacson, 1974). Elle est composée de plusieurs noyaux et sous-noyaux,
qui sont typiquement différenciés sur la base de critères cytoarchitectoniques, histochimiques
et selon leur connectivité (Paxinos & Watson, 1986; Swanson, 1992; Pitkanen et al., 2000;
LeDoux, 2007). Bien que différentes nomenclatures aient été utilisées, nous nous sommes
référés à l’atlas stéréotaxique de Franklin & Paxinos (1997) pour nommer les différents
noyaux amygdaliens impliqués dans le conditionnement aversif.
• Connexions extrinsèques
Le noyau latéral (LA) est typiquement considéré comme la voie d’entrée sensorielle de
l’amygdale car il reçoit un grand nombre d’informations de toutes les modalités sensorielles
(auditives, visuelles, somatosensorielles/nociceptives, olfactives et gustatives) des cortex
sensoriels primaires (lobes temporal, insulaire et pariétal) et du thalamus. Il reçoit aussi des
projections venant de l’hippocampe, du cortex entorhinal et du cortex préfrontal médian
(CPFm) (Figure 2).
Le noyau basolatéral (BLA), aussi nommé noyau basal (B), serait un relais amygdalien
pour des régions impliquées dans le traitement d’informations et l’élaboration de réponses
comportementales relativement élaborées. En effet, le BLA reçoit et envoie de fortes
projections vers les cortex associatifs polymodaux, l’hippocampe, le cortex entorhinal et le
CPFm. Il projette aussi massivement vers le striatum ventral ou noyau accumbens, ce qui
permet de contrôler des actions face à un événement aversif comme le comportement de fuite.
Il est à noter que les noyaux LA et BLA forment une même masse tissulaire en forme
d’amande facilement reconnaissable, ce qui a ainsi donné son nom à l’amygdale. Ces deux
noyaux sont aussi souvent regroupés sous le terme de complexe basolatéral. Ce complexe
48
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
comprend une majorité de neurones de projection glutamatergiques et une minorité
d’interneurones GABAergiques.
Enfin, le noyau central de l’amygdale (CE), de forme arrondie et situé à côté du
complexe basolatéral, est considéré comme la voie de sortie de l’amygdale. En effet, le CE
projette vers des régions impliquées dans différentes réponses émotionnelles, telles que la
substance grise périaqueducale (expression comportementale de peur, « freezing »),
l’hypothalamus (activation endocrinienne, axe corticotrope), le noyau moteur dorsal du nerf
vague (réponses du système nerveux autonome) et le BNST (noyau du lit de la strie terminale,
réponse d’anxiété). Il reçoit aussi des informations viscérales nociceptives du tronc cérébral
(noyaux du faisceau solitaire et parabrachial) et des afférences du CPFm. Contrairement au
complexe basolatéral, le CE comprend une majorité de neurones GABAergiques et une
minorité de neurones de projection glutamatergiques.
En plus de ces trois noyaux impliqués dans le conditionnement aversif, il existe des
cellules intercalées (ITC) qui sont, elles, importantes pour l’extinction de la peur
conditionnée. Comme leur nom l’indique, elles sont situées entre le complexe basolatéral et le
CE. Ce sont des neurones GABAergiques constituant le réseau inhibiteur de l’amygdale. Les
ITC reçoivent exclusivement des autres régions cérébrales des projections venant du CPFm et
en particulier du cortex infralimbique, structure critique pour les processus d’extinction de la
peur conditionnée.
• Connexions intrinsèques
Les connexions intra-amygdaliennes (Figure 2) sont organisées de sorte qu'il existe une
hiérarchie des noyaux et une convergence des projections sur un noyau donné. En effet,
dans la hiérarchie du schéma suivant : LA, BLA, ITC, CE, un noyau en amont projette sur
tous les autres noyaux en aval. Ce type d’organisation permet que les informations
sensorielles principalement reçues par le LA puissent être transmises à l’ensemble des noyaux
amygdaliens jusqu’au noyau de sortie de l’amygdale (CE). Ces informations peuvent aussi
être directement transmises du LA au CE en court-circuitant les autres projections intraamygdaliennes. De plus, le CE reçoit une convergence des projections issues du complexe
basolatéral et des ITC, ce qui lui permet de générer des réponses émotionnelles appropriées au
vu de l’ensemble des informations.
49
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
Figure 2. Représentation schématique des principales afférences et efférences de l’amygdale. Les
afférences des noyaux latéral (LA), basolatéral (B), central (CE) et des cellules intercalées (ITC) sont
représentées en haut et les efférences en bas de la figure. (Adapté de Rodrigues et al., 2009).
Pour résumer, l’organisation des connexions extrinsèques et intrinsèques de l’amygdale
révèlent une organisation relativement hiérarchique et topographique des différents noyaux
amygdaliens. Ceci suggère que les différents noyaux amygdaliens constituent des unités
fonctionnelles distinctes traitant l'information de manière parallèle mais néanmoins
convergente. En d’autres termes, une information entrant dans une région de l’amygdale est
aussi reçue par une autre région de l’amygdale, recevant elle-même des informations issues
d’autres aires cérébrales. Ce recouvrement des projections au niveau de certains noyaux joue
probablement un rôle important dans la concordance des différentes informations traitées en
parallèle au sein des réseaux amygdaliens.
c) Rôle de l’amygdale dans le conditionnement aversif
Les données anatomiques révèlent que l’amygdale est organisée en circuiterie avec d’un
côté un système d’entrées sensorielles (LA) recevant une convergence d’informations et, de
50
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
l’autre, un système de sortie (CE) orchestrant les différentes réponses émotionnelles. Ceci
suggère que l’amygdale serait au centre du circuit cérébral sous-tendant le conditionnement
aversif.
De nombreuses études chez l’Homme sont venues appuyer cette l’idée. Des études
neuropsychologiques ont montré que des patients porteurs d’une lésion bilatérale de
l’amygdale (Bechara et al., 1995), ou d’une lésion unilatérale du lobe temporal médian
(LaBar et al., 1995) sont incapables de réaliser des associations conditionnées. De plus, des
études d’imagerie cérébrale ont montré une augmentation significative du flux sanguin dans
l’amygdale lorsque des sujets normaux réalisent une tâche de conditionnement aversif (LaBar
et al., 1998).
Mais finalement, la majeure partie de nos connaissances sur le rôle de l’amygdale
provient des nombreuses études chez le rongeur. Celles-ci ont clairement démontré que
l’amygdale est une structure clef sous-tendant le conditionnement aversif (LeDoux, 1995;
Maren et al., 1996; Davis, 1997; Fendt & Fanselow, 1999; Pare et al., 2004). Ces études ont
conduit à l’élaboration de modèles fonctionnels dans lesquels l’amygdale sous-tend
l’acquisition d’un conditionnement aversif au SC ou au contexte.
• Circuit cérébral du conditionnement au SC
Le modèle standard du conditionnement à un SC discret (Figure 3) a été initialement
proposé par LeDoux (2000; 2007). Dans ce modèle, les informations sur le SC (son) ainsi que
celles sur le SI (choc électrique) convergent sur le LA. Ces entrées sensorielles viennent à la
fois des aires corticales sensorielles (auditives ou somatosensorielles) et des aires thalamiques
(corps genouillé médian). Les projections directes thalamo-amygdaliennes semblent être
suffisantes pour un conditionnement à un SC et plus impliquées que les projections thalamocortico-amygdaliennes (Quirk et al., 1995). Cependant, les projections du cortex auditif
s’avèrent nécessaires lorsque le SC sonore est complexe ou fait l’objet d’une discrimination
(Romanski & LeDoux, 1992).
La convergence des informations sur le LA implique que celui-ci supporte
l’établissement du conditionnement. Des neurones du LA sont en effet capables de répondre à
la fois à des stimuli auditifs et somatosensoriels (Romanski et al., 1993). De plus, ces
neurones répondent encore plus fortement au son si celui-ci a été associé au SI (Quirk et al.,
1995). Ce changement d’activité neuronale traduit une potentialisation à long terme (PLT),
renforçant durablement l’efficacité synaptique au niveau des entrées sensorielles
correspondant au SC et au SI. Il est maintenant admis que le LA est un site majeur de
51
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
modifications synaptiques qui contribuent à la formation et à l’encodage de l’association SCSI (LeDoux, 2000; Blair et al., 2001; Maren et al., 2001).
Par la suite, l’exposition au SC seul en phase de test est capable d’activer fortement les
neurones du LA sous-tendant l’association SC-SI. L’information du SC formée dans le LA est
transmise au CE par des projections intra-amygdaliennes directes et indirectes. Le CE
orchestre alors l’expression des différentes réponses émotionnelles via ses connections avec
les régions cérébrales qui génèrent ces réponses.
Figure 3. Modèle standard du conditionnement aversif au SC sonore. Les voies du SC et celles du
SI convergent sur les mêmes neurones du LA. La convergence SC-SI induit une plasticité synaptique
de sorte que le SC sera ensuite capable d’activer à lui seul les neurones du LA. Par la suite,
l’information est transmise du LA au CE par des projections intra-amygdaliennes directes et
indirectes. Les sorties du CE contrôle l’expression des réponses émotionnelles telles que le
« freezing » (substance grise périaqueducale, CG), l’activation du système nerveux autonome
(hypothalamus latéral, LH) et la libération d’hormones (noyau paraventriculaire, PVN). (Adapté de
LeDoux, 2007).
Ainsi, le modèle standard du conditionnement au SC place traditionnellement le LA
comme l’élément central de l’acquisition et de la consolidation du conditionnement et le CE,
au contraire, comme le noyau clef de l’expression des RCE. Ce modèle se base sur des
observations majeures. D’une part, la stimulation à haute fréquence des fibres provenant du
corps genouillé médian produit une PLT dans le LA, mais non dans le BLA (Yaniv et al.,
2001). Les lésions ou l’inactivation du LA pendant le conditionnement bloque l’acquisition
du conditionnement (LeDoux et al., 1990; Muller et al., 1997; Maren et al., 2001; Calandreau
52
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
et al., 2005). De plus, l’inhibition dans le LA d’événements moléculaires qui sous-tendent une
plasticité à long terme, tels que l’activation des récepteurs NMDA (Fanselow & Kim, 1994;
Walker & Davis, 2002), l’activation de protéines kinases telles que PKA, PKC, CaMKII et
ERK1/2 (Schafe et al., 2001), ou la synthèse protéique (Bailey et al., 1999; Schafe et al.,
1999), bloquent la consolidation du conditionnement. D’autre part, des études lésionnelles ont
montré qu’une atteinte du CE interfère avec l’expression des RCE (Kapp et al., 1979;
Hitchcock & Davis, 1986).
Cependant, la contribution précise du BLA dans le conditionnement au SC est sujette à
débat. Dans le modèle standard, le BLA ne semble pas être nécessaire pour l’acquisition d’un
conditionnement au SC. Cette idée se basait sur des études ne montrant aucun effet de lésion
en pré-acquisition ou d’une inactivation réversible du BLA sur le conditionnement
élémentaire (Amorapanth et al., 2000; Nader et al., 2001; Calandreau et al., 2005; Onishi &
Xavier, 2010). Cependant, d’autres études ont montré que des lésions en post-acquisition
bloquent le rappel d’une RCE au son (Anglada-Figueroa & Quirk, 2005). De plus, les neurones
du BLA montrent, comme ceux du LA, une plasticité synaptique après un conditionnement
élémentaire (Maren et al., 1991; Toyomitsu et al., 2002). Enfin, il a été récemment identifié une
population de neurones du BLA qui déchargent spécifiquement au SC sonore pendant le
conditionnement et le test de rappel (Herry et al., 2008). Ainsi, bien que le système LA-CEA
semble être suffisant pour supporter un conditionnement élémentaire, le BLA contribuerait aussi à
ce conditionnement et serait plus impliqué dans les processus de consolidation mnésique.
Le modèle standard du conditionnement aversif au SC a été remis en cause (Cahill et
al., 1999; Pare et al., 2004). Il a été récemment révisé en réexaminant notamment le rôle du
CE (Wilensky et al., 2006). En effet, le CE possède des caractéristiques qui permettent de le
considérer comme un site critique de l’apprentissage, tout comme à l’origine le LA. Le CE,
comme le LA, reçoit à la fois des projections du thalamus et du cortex auditif concernant le
SC et des projections nociceptives, concernant le SI, des cortex pariétal et insulaire et de la
moelle épinière (Bernard & Besson, 1990; LeDoux et al., 1990; McDonald, 1998). De plus,
comme le LA, une stimulation à haute fréquence des afférences thalamiques induit une PLT
dans le CE (Samson & Pare, 2005). D’un point de vue fonctionnel, l’inactivation réversible
du CE lors du conditionnement bloque l’acquisition du conditionnement, et l’inhibition de la
synthèse protéique dans le CE en post-acquisition bloque la consolidation du conditionnement
(Wilensky et al., 2006). Ainsi, le CE, en plus d’être nécessaire à l’expression des RCE,
53
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
semble finalement être un site de plasticité essentiel pour l’acquisition et la consolidation du
conditionnement aversif.
Néanmoins, ces observations ne remettent pas en cause les nombreuses données qui
mettent en avant le rôle central et critique du LA dans le conditionnement au SC. Bien qu’il
reçoive une convergence des informations du SC et du SI, le CE ne peut se substituer au LA.
Dans le modèle révisé du conditionnement (Figure 4), il est alors proposé que la plasticité
dans le LA, cruciale, conditionnerait la plasticité dans le BLA et dans le CE (AngladaFigueroa & Quirk, 2005; Wilensky et al., 2006). Ainsi, le circuit cérébral du
conditionnement aversif au SC, ne fonctionnerait ni simplement en série (du LA au CE), ni
même en parallèle, mais serait plutôt distribué au sein de l’amygdale.
Figure 4. Modèle standard et modèle révisé du conditionnement aversif au SC. (a) Dans le
modèle standard, seul le LA reçoit les informations convergentes du SC et du SI et est considéré
comme un site de plasticité et d’apprentissage. (b) Dans le modèle révisé, le CE reçoit aussi des
informations du SC et du SI, qui sont notamment convergentes dans le CE capsulaire (CEc) et dans le
CE médian (CEm). Ces deux subdivisions du CE servent donc de sites additionnels de plasticité et de
formation de l’association SC-SI. De plus, le BLA (B) est aussi un site de plasticité. Les étoiles
indiquent les présumés sites de plasticité synaptique et d’apprentissage. (Adapté de Wilensky et al.,
2006).
• Circuit cérébral du conditionnement au contexte
Un conditionnement au contexte implique la formation d’une association entre une
représentation unifiée du contexte et le SI (Fanselow & Rudy, 1998). Le traitement du
contexte est sous-tendu par l’hippocampe, alors que la formation d’une association contexteSI, comme toute association conditionnée, est supportée par l’amygdale. Ceci implique qu’audelà de l’établissement de la représentation contextuelle, l’hippocampe et l’amygdale
interagissent afin que cette représentation soit associée au SI. Cependant, les rôles respectifs
des différents noyaux amygdaliens dans le conditionnement contextuel ont été moins étudiés
que dans le conditionnement élémentaire.
54
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
La plupart des études ont conclu sur un rôle central du BLA dans le conditionnement
contextuel, à l’image du rôle central du LA dans le conditionnement élémentaire. En effet, le
BLA semble être l’un des sites privilégiés des projections de la formation hippocampique
(Canteras & Swanson, 1992). De plus, une stimulation à haute fréquence de fibres de
l’hippocampe ventral ou du cortex périrhinal ventral produit une PLT dans le BLA, mais non
dans le LA (Maren & Fanselow, 1995; Yaniv et al., 2001). Enfin, une lésion ou une
inactivation réversible du BLA bloquent le conditionnement contextuel (Maren, 1999;
Goosens & Maren, 2001; Calandreau et al., 2005; Onishi & Xavier, 2010).
Il semble que le LA contribue aussi au conditionnement contextuel. Le LA reçoit des
informations sensorielles polymodales en provenance de l’hippocampe et des cortex
entorhinal et périrhinal, bien que celles-ci soient reçues majoritairement par le BLA
(McDonald, 1998; Pitkanen et al., 2000). Une lésion pré-acquisition ou une inactivation du
LA abolit le conditionnement contextuel (Goosens & Maren, 2001; Calandreau et al., 2005).
De plus, l’acquisition d’un conditionnement contextuel induit une activation de ERK1/2,
molécule critique pour le conditionnement, tant dans le LA que dans le BLA (Calandreau et
al., 2006; Trifilieff et al., 2007). Enfin, il a été récemment identifié, par une approche
génétique, une population spécifique de neurones dans le LA qui est spécifiquement activée
par un conditionnement contextuel (Wilson & Murphy, 2009).
Comme le CE est un site de plasticité et semble être requis pour l’établissement d’un
conditionnement élémentaire, ce noyau pourrait aussi être requis pour l’établissement du
conditionnement contextuel. Une seule étude permet pour l’instant de soutenir cette idée. Elle
montre que l’inactivation réversible en pré-acquisition du CE abolit les réponses de peur sans
affecter le niveau de freezing en réponse aux chocs électriques pendant l’acquisition (Pitts et
al., 2009). Les auteurs suggèrent alors que le CE serait nécessaire pour la consolidation du
conditionnement contextuel.
• Contribution différentielle de l’amygdale en fonction du stimulus prédictif du SI
L’ensemble des données ci-dessus montrent que les mêmes noyaux amygdaliens (LA,
BLA et CE) semblent être impliqués à la fois dans le conditionnement élémentaire et dans le
conditionnement contextuel. Cependant, ces noyaux seraient différemment impliqués et
solliciteraient des processus différents en fonction du conditionnement.
En effet, il a été montré au sein de l’équipe que le BLA présente une plus forte
activation de ERK1/2 après un conditionnement contextuel qu’après un conditionnement
élémentaire (Calandreau et al., 2006; Trifilieff et al., 2007). De plus, ces mêmes auteurs ont
55
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
montré que la consolidation d’un type de conditionnement (contextuel vs. élémentaire au SC)
est associée à l’établissement de cinétiques de ERK1/2 différentielles dans le LA (biphasique
vs. monophasique, respectivement) (Trifilieff et al., 2007). Enfin, des études de criblage de
gènes ont déterminé des combinaisons de gènes spécifiquement induits par un
conditionnement élémentaire comparé au conditionnement contextuel au sein du complexe
basolatéral (Ressler et al., 2002; Lamprecht et al., 2009). Il apparait alors qu’un noyau
amygdalien peut être impliqué dans deux formes de mémoire mais va mobiliser une
signalisation moléculaire et génétique différente. Le conditionnement au SC et le
conditionnement au contexte recruteraient donc de façon différentielle les neurones et les
mécanismes moléculaires des trois noyaux amygdaliens clef de l’apprentissage (LA, BLA et
CE). Ces données suggèrent qu’en fonction du stimulus prédictif du SI (son ou contexte), un
fonctionnement spécifique du complexe LA-BLA-CE pourrait être observé.
2. L’hippocampe
a) Généralités
L’hippocampe, comme l’amygdale, est une structure cérébrale appartenant au système
limbique. Le rôle de cette structure a largement été étudié depuis les années 1950 à la suite
des travaux pionniers basés sur l’étude du célèbre patient H.M. (Scoville & Milner, 1957),
pseudonyme maintenant connu d'Henry Gustav Molaison (1926-2008). Ce patient avait subi
en 1953 une ablation chirurgicale des lobes temporaux médians incluant une
hippocampectomie totale, afin de tenter d’endiguer de fortes crises épileptiques résistant aux
traitements classiques de l’époque. Le patient H.M. présentait à la suite de l’opération de
sévères troubles de mémoire épisodique. Il était incapable de former de nouveaux souvenirs
relatifs à la vie de tous les jours (amnésie antérograde quasi-totale) ou de se rappeler des
événements de sa vie survenus de une à quatre années avant l’opération (amnésie rétrograde
partielle). Cependant, certaines de ses capacités mnésiques semblaient préservées, telles que
l’acquisition de nouvelles aptitudes procédurales sans même se souvenir les avoir appris. Ce
cas clinique a été le point de départ de nombreux travaux qui mèneront à des classifications de
systèmes de mémoire (cf. partie I). De plus, de nombreuses observations ont permis de
préciser le rôle de l’hippocampe dans la formation de représentations élaborées d’une
expérience. Enfin, des études ont aussi conduit à différencier l’implication de l’hippocampe
de celle de l’amygdale dans le conditionnement aversif.
56
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
b) Anatomie et connectivité
L’hippocampe est une structure phylogénétiquement ancienne (archicortex) qui ne
comporte que trois couches cellulaires. En vue sagittale, l’hippocampe a une forme de C se
développant sur un axe septo-temporal, aussi appelé axe dorso-ventral (Figure 5A) (Amaral
& Witter, 1995). En coupe frontale, l’hippocampe présente deux structures en forme de U
inversé, définies comme le gyrus denté (GD) et la corne d’Ammon subdivisée en trois champs
CA1, CA2 et CA3 (Figure 5B) (Ramon y Cajal, 1911). Bien que la corne d’Ammon constitue
l’hippocampe à proprement parlé, le terme d’hippocampe se réfère généralement à cette
structure associée au GD. La formation hippocampique (FH) se compose de l’hippocampe
(CA1-CA3 et GD) et des structures para-hippocampiques d’entrée (le cortex entorhinal) et de
sortie (le subiculum).
Il existe deux types cellulaires principaux au sein de la formation hippocampique : les
cellules granulaires du GD et les cellules pyramidales des champs ammoniques. Les corps des
cellules granulaires, qui sont essentiellement glutamatergiques, sont situés dans le stratum
granulosum du GD. Les projections axonales de ces neurones vers l’aire CA3 constituent les
fibres moussues. Les corps des cellules pyramidales sont situés dans le stratum pyramidale
des champs ammoniques et sont eux aussi essentiellement glutamatergiques. L’hippocampe
présente en outre un nombre important d’interneurones inhibiteurs GABAergiques.
Figure 5. Représentations schématiques de l’hippocampe. (A) Localisation de l’hippocampe dans
le cerveau entier de rongeur et division en hippocampe dorsal (en bleu) et hippocampe ventral (en
rose). (Adapté de Amaral & Witter, 1995). (B) Connexions intra-hippocampiques du circuit
trisynaptique en coupe frontale d’hippocampe. Abréviations : CEL/CEM, cortex entorhinal latéral et
médian ; CS, collatérales de Schaffer ; FM, fibres moussues ; GD, gyrus denté ; Sb, subiculum ; VP,
voie perforante.
• Afférences
Les principales afférences hippocampiques proviennent du cortex entorhinal qui émet
des projections vers le GD mais aussi vers les aires CA3 et CA1. C’est par ces voies que
57
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
l’hippocampe va recevoir la majeure partie des informations en provenance des aires
sensorielles. La projection du cortex entorhinal sur le GD est nommée voie perforante. C’est
la seule entrée corticale au niveau du GD. En revanche, le GD reçoit des projections en
provenance de régions sous-corticales telles que le septum ou l’hypothalamus et de régions du
tronc cérébral, en particulier le locus coeruleus et les noyaux du raphé. Il semblerait de plus
qu’une partie de la voie perforante soit constituée de projections axonales en provenance du
cortex périrhinal et se terminant sur les neurones du CA1 (Liu & Bilkey, 1996).
En plus des afférences du cortex entorhinal, le CA3 et surtout le CA1 reçoivent aussi
des entrées sous-corticales en provenance des noyaux amygdaliens et du septum (Pikkarainen
et al., 1999; Pitkanen et al., 2000). Ces deux aires reçoivent aussi des entrées thalamiques en
provenance du nucleus reuniens.
• Efférences
La principale voie efférente de l’hippocampe est formée par le fornix qui est constitué
du prolongement des axones des cellules pyramidales hippocampiques. Le fornix permet ainsi
le transit des informations de l’hippocampe vers des structures telles que le septum et
l’hypothalamus (Chronister & White, 1975).
Une autre voie de sortie importante de l’hippocampe passe par le subiculum. Celui-ci
reçoit des projections en provenance du CA1 et projette à son tour vers le cortex entorhinal.
Ce dernier va à son tour émettre des projections vers différentes aires associatives du
néocortex telles que le cortex préfrontal ou le cortex orbito-frontal.
En parallèle de ces deux principales voies, l’hippocampe projette vers diverses
structures cérébrales telles que les différents noyaux de l’amygdale, les cortex entorhinal,
périrhinal et postrhinal, ainsi que vers de nombreuses autres régions corticales via des
projections neuronales essentiellement issues de l’aire CA1.
• Connexions intrinsèques
L’hippocampe présente un profil bien particulier de connexions intrinsèques reliant
l’ensemble de ses régions. Ce réseau de connexions est nommé circuit trisynaptique (Figure
5B). Le point de départ de ce circuit est constitué par les connexions synaptiques entre la voie
perforante du cortex entorhinal et les cellules granulaires du GD. Les cellules de la couche
granulaire donnent naissance aux fibres moussues qui innervent à leur tour les cellules de
CA3. Les cellules pyramidales de CA3 émettent des projections nommées collatérales de
Schaffer à destination des cellules de CA1. De plus, il existe au niveau de l’aire CA3 un
58
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
important ensemble de fibres nommées collatérales récurrentes, constituées par les
prolongements axoniques des cellules de l’aire CA3 projetant sur d’autres cellules de cette
aire. Enfin, les cellules du CA1 projettent vers le subiculum.
Dans ce circuit, les principales voies hippocampiques sont unidirectionnelles, c’est-àdire la voie perforante, les fibres moussues et les collatérales de Schaffer. Ce circuit
trisynaptique ainsi que l’activité récurrente au sein du CA3 jouent un rôle central dans les
modèles théoriques proposés pour l’hippocampe.
c) Hippocampe dorsal et hippocampe ventral
Dans une revue princeps, Moser & Moser (Moser & Moser, 1998) ont mis en évidence
que l’hippocampe ne serait pas une structure unitaire mais possèderait des fonctions distinctes
le long de son axe longitudinal (dorso-ventral chez le rongeur et postério-antérieur chez
l’Homme). Sur la base de différenciations anatomiques (Pitkanen et al., 2000), génétiques
(Dong et al., 2009; Fanselow & Dong, 2010) et physiologiques (Segal et al., 2010),
l’hippocampe est généralement divisé en deux régions : l’hippocampe dorsal (HPCd) et
l’hippocampe ventral (HPCv).
L’HPCd et l’HPCv présentent des profils de connexion différents notamment avec les
noyaux amygdaliens. L’HPCd reçoit peu d’afférences en provenance de l’amygdale. Au
contraire, l’HPCv reçoit de nombreuses projections de l’ensemble des noyaux de l’amygdale.
En particulier, le LA projette préférentiellement vers l’aire CA1 de l’HPCv alors que le BLA
projette à la fois sur les aires CA1 et CA3 de l’HPCv (Pikkarainen et al., 1999). De plus, seul
l’HPCv émet des projections en direction des noyaux amygdaliens à partir de l’aire CA1 et du
subiculum. Les aires majeures de réception sont le BLA postérieur et le noyau basomédial, le LA
et le BLA antérieur recevant des projections modérées (Pitkanen et al., 2000; Cenquizca &
Swanson, 2007).
Les afférences sensorielles se répartissent aussi différemment entre les deux sousrégions hippocampiques. Ainsi, l’HPCd reçoit la majorité des projections concernant les
informations visuo-spatiales en provenance des cortex sensoriel primaires, via les cortex
associatifs et les cortex entorhinal et périrhinal (Amaral & Witter, 1995). Par contre, les
projections concernant les autres modalités sensorielles sont réparties de façon plus diffuse
sur l’ensemble de l’hippocampe (Bannerman et al., 2004).
59
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
Les projections de l’HPCd et de l’HPCv en direction des cortex se répartissent aussi
différemment. Ainsi, les projections ayant pour origine le CA1 dorsal aboutissent
majoritairement sur le cortex rétrosplénial alors que celles en provenance du CA1 ventral se
terminent au niveau des cortex visuel, auditif, somatosensoriel, gustatif, olfactif principal et
accessoire, ainsi que viscéral (Cenquizca & Swanson, 2007).
De récentes études chez la souris C57Bl/6 ont conduit à délimiter de façon précise le
CA1 et le CA3 en trois domaines : dorsal, intermédiaire et ventral (Dong et al., 2009;
Fanselow & Dong, 2010). Ces trois domaines sont différenciés sur la base de marqueurs
génétiques, c’est-à-dire de gènes spécifiquement exprimés par les neurones pyramidaux d’un
domaine hippocampique (Figure 6). De façon intéressante, les gènes spécifiquement
exprimés dans l’HPCd corrèlent avec ceux exprimés dans des régions corticales, alors que
l’HPCv partage des patterns d’expression de gènes avec l’amygdale et l’hypothalamus. La
région intermédiaire de l’hippocampe, partageant les caractéristiques génétiques des deux
régions voisines, peut être considérée comme un lien entre l’HPCd et l’HPCv. La ségrégation
des gènes représentatifs d’un domaine moléculaire coïncide avec les limites anatomiques dans
le sens où l’HPCd apparait au-dessus de la fissure hippocampique et l’HPCv au-dessous de la
fissure rhinale.
Figure 6. Distinction des domaines dorsal et ventral de
l’hippocampe. Distribution de plusieurs marqueurs
génétiques le long de l’axe dorso-ventral dans le CA1 et le
CA3 en coupe frontale d’hippocampe de souris. Des gènes
représentatifs définissent clairement le CA1d (Wfs1, vert),
CA1v (Grp, rouge), CA3d (Iyd, bleu) et CA3v (Plagl1, rose
et Coch, jaune). Les gènes spécifiquement exprimés dans le
CA1d et le CA1v sont retrouvés dans des structures
corticales (Wfs1, vert) et l’amygdale (Grp, rouge),
respectivement. Abréviations : BLAp : BLA postérieur ;
BMAp : noyau basomédian postérieur ; CTX, cortex cérébral
; ENTl, aire entorhinale latérale ; PER, cortex périrhinal ;
PIR, cortex piriforme ; hf, fissure hippocampique ; rf, fissure
rhinale. (Adapté de Fanselow & Dong, 2010).
Enfin, de récentes études ont montré une dissociation de certaines propriétés des
neurones hippocampiques le long de l’axe dorso-ventral. D’une part, tandis qu’en conditions
standards il est possible d’induire une PLT dans l’HPCd, une PLT de faible amplitude ne peut
60
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
qu’être induite dans l’HPCv (Maggio & Segal, 2007b, 2007a). D’autre part, la taille du champ
des cellules de lieu augmente du pole dorsal au pole ventral (Kjelstrup et al., 2008).
d) Hippocampe et représentation élaborée de l’expérience
Les données anatomiques montrent que l’hippocampe est une zone de réception majeure
des signaux en provenance des aires corticales sensorielles. Elles révèlent aussi une
organisation intrinsèque se caractérisant par un haut degré d’interconnexion favorable à une
activité auto-soutenue et récurrente. Tout ceci suggère donc que cette structure pourrait
contribuer au traitement et à l’utilisation flexible de représentations complexes de stimuli.
Il est de nos jours admis que, chez l’Homme, l’hippocampe serait capital dans la
formation de la mémoire épisodique (Tulving, 1983). Cette forme de mémoire suppose une
représentation élaborée d’un événement passé, nécessitant des relations complexes entre des
informations de différentes natures (temporelles, contextuelles, émotionnelles) (cf. partie I).
Chez l’animal, la découverte de cellules de lieu permit de formuler l’hypothèse selon
laquelle l’hippocampe serait critique pour l’élaboration d’une représentation spatiale sous une
forme proche de celle d’une carte (O'Keefe & Nadel, 1978). Associées à la découverte de
cellules dites de « direction » (i.e. déchargeant spécifiquement pour certaines orientations de
la tête ou du déplacement de l’animal) (Taube et al., 1990b, 1990a), ces cellules semblent
contribuer au codage d’une carte spatiale de l’environnement dans lequel évolue l’animal. Par
ailleurs, des études lésionnelles montrent que des animaux porteurs de lésions
hippocampiques sont largement déficitaires dans des apprentissages spatiaux et des épreuves
d’explorations, alors qu’ils ne sont pas perturbés dans des épreuves dites non spatiales (Morris
et al., 1982; Sutherland et al., 1982; Gallagher & Holland, 1992; Jarrard, 1993).
Selon d’autres études, le fonctionnement des neurones hippocampiques ne serait pas
exclusivement dévolu à la constitution de cartes spatiales mais contribuerait plus
généralement à l’élaboration de représentations relationnelles. Dans ce cadre, Eichenbaum et
al. (Eichenbaum et al., 1988; Eichenbaum et al., 1989) ont observé chez le rat que la lésion
bilatérale du fornix lors d’une épreuve de discrimination d’odeurs perturbe les performances
des animaux lorsque que les odeurs sont présentées simultanément (présentation de paires
d’odeurs). En revanche cette lésion facilite la discrimination dans le cas où les odeurs sont
présentées successivement aux animaux. Depuis, des études menées au laboratoire sont
venues conforter les observations d’Eichenbaum dans une épreuve se déroulant dans un
labyrinthe radiaire (Marighetto et al., 1999). De manière conjointe, l’étude d’enregistrements
61
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
de l’activité unitaire de neurones hippocampiques (Eichenbaum et al., 1989; Wiener et al.,
1989) révèlent la présence de cellules qui ne déchargent pas uniquement en réponse à des
informations spatiales.
e) Rôle de l’hippocampe dans le conditionnement aversif
• Hippocampe et conditionnement contextuel
Dans la mesure où l’hippocampe serait requis dans la formation d’associations
polymodales, complexes, l’hippocampe pourrait participer à la formation de représentations
configurales d’un contexte (Sutherland & Rudy, 1989) tout autant qu’à celle de
représentations spatiales ou relationnelles. Les premières études et la majorité des études
suivantes visant à spécifier le rôle de l’hippocampe dans le conditionnement aversif ont abouti
à l’idée générale que l’hippocampe est requis pour le conditionnement au contexte (Holland
& Bouton, 1999). Deux célèbres études mirent en évidence que les lésions de l’hippocampe
perturbaient spécifiquement le conditionnement au contexte, mais pas le conditionnement au
son (Kim & Fanselow, 1992; Phillips & LeDoux, 1992). Bien que des lésions
hippocampiques avant l’apprentissage ne semblent pas toujours avoir d’effet en fonction du
type de lésion effectué (Maren et al., 1997; Frankland et al., 1998; Richmond et al., 1999;
Rudy et al., 2002), des lésions post-apprentissage perturbent fortement le conditionnement au
contexte (Kim & Fanselow, 1992; Maren et al., 1997; Frankland et al., 1998; Anagnostaras et
al., 1999).
Un ensemble d’études menées par l’équipe de Rudy a démontré le rôle critique de
l’hippocampe dans la construction d’une représentation « configurale » ou « unifiée » du
contexte (Rudy et al., 2004). Ces études utilisent un protocole nommé « context pre-exposure
facilitation effect » consistant à pré-exposer l’animal au contexte de conditionnement un jour
avant la phase d’« immediate shock deficit » (ISD) dans laquelle les chocs sont délivrés
immédiatement dans le contexte. Cette phase de pré-exposition rétablit un conditionnement
contextuel, d’où le nom du protocole et du phénomène (Fanselow, 1990). En effet, la préexposition a permis l’établissement d’une représentation du contexte, qui a pu ensuite être
associée au SI lors de la phase d’ISD. En revanche, la pré-exposition limitée à seulement
certains éléments du contexte de conditionnement ne permet pas un conditionnement
contextuel (Rudy & O'Reilly, 1999). De plus, une lésion ou une inactivation temporaire de
l’hippocampe pendant la phase de pré-exposition au contexte abolit l’effet facilitateur de la
pré-exposition sur le conditionnement au contexte (Rudy et al., 2002; Matus-Amat et al.,
62
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
2004). Cela conforte l’idée que l’hippocampe formerait une représentation unifiée du
contexte, nécessaire à un conditionnement contextuel ultérieur.
Cependant, d’autres études montrent, inversement, que des animaux hippocampiques
sont capables de traiter leur environnement contextuel et présentent même parfois de
meilleures performances que des animaux non lésés. Toutefois généralement dans ces
épreuves, le contexte soit inclut un indice simple particulièrement saillant (Hall et al., 1996),
soit est réduit à un environnement très pauvre (Winocur et al., 1987; McAlonan et al., 1995;
Gisquet-Verrier et al., 1999). L’absence de déficit, voire la facilitation du conditionnement au
contexte chez les animaux hippocampiques pourrait ainsi être en partie expliquée par
l’utilisation d’une stratégie « élémentaire », dans laquelle un élément saillant ou bien chaque
élément du contexte serait indépendamment associé au SI. Il a donc été proposé qu’en
l’absence d’hippocampe durant l’acquisition, un système extra-hippocampique comprenant
l’amygdale pouvait prendre en charge le conditionnement contextuel sur la base
d’associations simples entre un SC unimodal et le SI (Maren et al., 1997; Anagnostaras et al.,
2001; Rudy et al., 2004).
• Hippocampe et conditionnement au SC
Aucun modèle fonctionnel de conditionnement élémentaire n’inclut l’hippocampe
(Figures 3 et 4). L’amygdale semble majoritairement sous-tendre l’association entre le SC
simple et le SI (LeDoux, 2000; Pare et al., 2004). Pourtant, quelques résultats mettent en
évidence que l’hippocampe peut aussi entrer en jeu dans l’établissement d’un
conditionnement élémentaire à un son. En effet, bien que le conditionnement au son ne soit
généralement pas altéré par des lésions de l’hippocampe (Kim & Fanselow, 1992; Phillips &
LeDoux, 1992, 1994), quelques études ont observé une perturbation après lésion (Maren et
al., 1997; Maren, 1999; Richmond et al., 1999) ou inactivation (Bast et al., 2001).
Certains auteurs postulent que l’hippocampe ne serait pas requis à proprement parlé
dans le conditionnement élémentaire mais aurait plutôt un rôle modulateur de la fonction
amygdalienne. Il a été observé une perturbation du conditionnement au son par le blocage de
certains événements moléculaires dans l’hippocampe, tels que l’activation des récepteurs
NMDA (Zhang et al., 2001) et de ERK1/2 (Trifilieff et al., 2006). Cette perturbation serait
liée à une altération de la capacité de l’hippocampe à moduler la plasticité amygdalienne
(Maren & Fanselow, 1995). Il a été en effet montré que l’hippocampe, via le contrôle de
l’activation de ERK1/2 au sein de l’amygdale, contribue au contrôle de la sélection du
stimulus prédictif du SI (son vs. contexte) (Calandreau et al., 2006). En particulier, la
63
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
diminution de la transmission cholinergique au niveau de l’HPCd contribue à l’établissement
d’un conditionnement au son, tandis que l’augmentation de cette transmission promeut un
conditionnement au contexte.
En revanche, d’autres auteurs pensent que l’hippocampe contribue directement à
l’acquisition d’un conditionnement au son. Ces auteurs ont notamment noté que les études
lésionnelles concluant que l’hippocampe n’était pas requis dans le conditionnement au son ont
en fait effectué des lésions ciblant principalement la partie dorsale de l’hippocampe (Winocur
et al., 1987; Kim & Fanselow, 1992; Phillips & LeDoux, 1992, 1994; Anagnostaras et al.,
1999; Quinn et al., 2002). La plupart des autres études montrant un déficit de
conditionnement au son ont utilisé des lésions totales ou ciblant la partie ventrale de
l’hippocampe (Maren et al., 1997; Maren, 1999; Richmond et al., 1999). Ainsi, il apparait
indispensable de dissocier les effets sur le conditionnement aversif obtenus après intervention
sur l’HPCd de ceux obtenus après interventions sur l’HPCv.
• Dissociations fonctionnelles de l’hippocampe dorsal et ventral
Le rôle critique de l’hippocampe dans le conditionnement contextuel a été à l’origine
déterminé à partir de lésion ou d’inactivation de l’HPCd (Kim & Fanselow, 1992; Phillips &
LeDoux, 1992; Sacchetti et al., 1999; Rudy et al., 2002). L’HPCd étant clairement requis dans
ce type d’apprentissage, les études ont voulu par la suite éclaircir la contribution spécifique de
l’HPCv. Ces études ont montré que le conditionnement contextuel est abolit après une lésion
de l’HPCv en post-apprentissage (Maren, 1999; Maren & Holt, 2004). Au contraire, le
conditionnement est préservé après une lésion en pré-apprentissage (Maren & Holt, 2004;
Kjelstrup et al., 2008) ou par une inactivation lors du conditionnement (Maren & Holt, 2004).
De plus, une étude a montré que la lésion du CA1 ou du CA3 ventral avant l’apprentissage
réduit le rappel mais pas l’acquisition du conditionnement contextuel, qui est plutôt bloquée
par des lésions dans l’HPCd (Hunsaker & Kesner, 2008). Ces études suggèrent que l’HPCv,
contrairement à l’HPCd, serait peu impliqué dans l’encodage des informations relatives au
contexte. Cette suggestion est cohérente avec les données anatomiques. En effet, comme il a
été dit plus haut, l’HPCv reçoit peu d’informations visuo-spatiales, la majorité étant reçue par
l’HPCd (Amaral & Witter, 1995). De plus, les cellules de lieu de l’HPCv ont un champ plus
large comparé à celles de l’HPCd (Kjelstrup et al., 2008). L’HPCv semble donc être moins
capable que l’HPCd de traiter de façon détaillée les informations contextuelles. Par ailleurs,
seul l’HPCv est fortement et directement connecté avec l’amygdale (Pitkanen et al., 2000).
Ainsi, des auteurs considèrent l’HPCv comme étant une « voie de passage » d’informations
64
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
relatives au contexte de l’HPCd à l’amygdale (Maren & Fanselow, 1995; Anagnostaras et
al., 2001; Maren & Holt, 2004).
Cependant, des études montrent à l’inverse une abolition du conditionnement contextuel
par l’inactivation de l’HPCv pendant l’apprentissage (Bast et al., 2001; Rudy & Matus-Amat,
2005) ou l’infusion d’antagonistes des récepteurs NMDA (Zhang et al., 2001). Toutefois, basé
sur la délimitation précise de l’HPCv qui ne fut établie que récemment (Dong et al., 2009), il
semble que ces études ait plutôt ciblé la région intermédiaire de l’hippocampe comme le
suggère Fanselow & Dong (Fanselow & Dong, 2010). Globalement, compte tenu des effets
variés observés, l’implication de l’HPCv dans le conditionnement contextuel est encore
méconnue.
L’implication de l’HPCv dans le conditionnement au son semble être, au contraire, un
peu plus claire. En effet, la majorité des études ont observé un déficit de conditionnement au
son après une lésion (Maren et al., 1997; Maren, 1999; Richmond et al., 1999; Maren & Holt,
2004; Hunsaker & Kesner, 2008) ou une inactivation de l’HPCv (Bast et al., 2001; Maren &
Holt, 2004). A l’inverse, ces études observent qu’aucune de ces interventions sur l’HPCd
n’affecte le conditionnement au son (Maren & Holt, 2004; Esclassan et al., 2009). Ainsi, il est
maintenant de plus en plus accepté que l’HPCv est requis dans le conditionnement au son. Il
a été suggéré que cette implication solliciterait des processus similaires à ceux sous-tendant
une représentation du contexte par l’HPCd (Rudy & O'Reilly, 2001), tels que le codage des
caractéristiques du son (Sakurai, 2002) et la formation d’une représentation du son qui
pourrait être transmise à l’amygdale (Hunsaker & Kesner, 2008). Néanmoins, l’implication
précise de l’HPCv dans une forme d’apprentissage classiquement sous-tendue par l’amygdale
reste floue.
3. Modèle putatif du conditionnement aversif
L’ensemble des données énoncées ci-dessus révèle une sollicitation différentielle de
l’hippocampe et de l’amygdale dans le conditionnement aversif selon le type de
conditionnement préférentiellement réalisé (au son ou au contexte). En accord avec cette idée,
plusieurs études de l’équipe ont pu montrer une activité différentielle au sein du circuit
hippocampo-amygdalien en fonction du stimulus prédictif, notamment un recrutement
différentiel de voies moléculaires requises pour la consolidation mnésique. En particulier, la
consolidation d’un type de conditionnement (contextuel vs. élémentaire au SC) est associée à
65
INTRODUCTION - Le conditionnement aversif
des niveaux d’activation de ERK1/2 différentiels au sein du CA1 ventral et du complexe LABLA (Calandreau et al., 2006), à une cinétique d’activation de ERK1/2 et de CREB
différentielle (biphasique vs. monophasique) dans le CA1 dorsal (Trifilieff et al., 2006), ainsi
qu’à une cinétique d’activation de ERK1/2 différentielle dans le LA (Trifilieff et al., 2007).
De plus, l’activation de ERK1/2 dans le CA1 dorsal est corrélée avec celle du LA et du BLA
spécifiquement après une procédure de non-appariement (conditionnement contextuel
préféreintiel) (Trifilieff et al., 2007).
Sur la base de l’ensemble des données de la littérature, nous pouvons établir un modèle
putatif définissant deux modes de fonctionnement du circuit hippocampo-amygdalien dans
l’établissement d’un conditionnement préférentiel au son ou au contexte (Figure 7). Dans ce
modèle, un conditionnement au son ne serait pas seulement sous-tendu par les noyaux
amygdaliens LA, BLA et CE mais probablement aussi par l’HPCv. Le conditionnement au
contexte serait, lui, supporté par les noyaux amygdaliens et impliquerait de plus l’HPCd pour
l’élaboration d’une représentation du contexte, ainsi que hypothétiquement l’HPCv pour la
transmission de cette représentation à l’amygdale. Ainsi, ces différentes configurations du
circuit hippocampo-amygdalien sous-tendraient la sélection du stimulus le plus prédictif du
SI.
A
Conditionnement au son
Son
Contexte
HPCd
HPCv
LA CE
B
Conditionnement au contexte
Son
Choc
Contexte
HPCd
RCE au
son
HPCv
LA CE
Choc
RCE au
contexte
BLA
BLA
Figure 7. Modèle putatif du conditionnement aversif. Ce modèle rend compte de deux types de
fonctionnement possibles du circuit hippocampo-amygdalien dans l’établissement d’un
conditionnement préférentiel au son après une procédure d’appariement son-choc (A) et au contexte
après une procédure de non-appariement son-choc (B). Les couleurs rouge et bleue indiquent une
activité différentielle d’une structure en fonction du type de conditionnement. L’HPCv en bleu plus
clair comparé aux autres structures impliquées dans le conditionnement contextuel indique que cette
structure pourrait seulement jouer un rôle de transmission d’informations relatives au contexte de
l’HPCd à l’amygdale. Les parties grises indiquent le stimulus non prédictif selon la procédure
d’apprentissage (contexte ou son) ou une structure non requise pour l’apprentissage (l’HPCd dans le
conditionnement au son).
66
INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes
PARTIE III
Les glucocorticoïdes : un rôle clef dans la modulation de la mémoire
A. Le concept de stress
Tout organisme vivant doit conserver un équilibre dynamique, principe initialement
établi par Claude Bernard (1878) et nommé homéostasie par Walter Cannon (1929). Cet
équilibre peut être menacé par diverses contraintes venant de l’environnement ou du milieu
intérieur. L’organisme doit alors retrouver l’équilibre pour continuer à vivre en harmonie avec
son environnement. Les propriétés permettant à un organisme de supporter les contraintes de
l’environnement font référence au terme d’adaptation. Deux types d’adaptation ont été
différenciés : l’adaptation anticipatrice, caractérisant les modifications se manifestant de façon
périodique donc prévisible, et l’adaptation réparatrice, concernant les modifications
imprévisibles de l’environnement.
Tandis que Claude Bernard et Walter Cannon ont apporté des dimensions
physiologiques
au
concept
d’équilibre,
Hans
Selye
lui
donnera
un
contenu
physiopathologique en décrivant un syndrome résultant de l’atteinte de l’organisme par des
agents d’agression divers : le syndrome général d’adaptation ou syndrome de stress (Selye,
1973). Selon Selye, l’exposition à un agent agresseur entraine un stress ou une déviation de
l’équilibre du milieu intérieur. L’organisme tente de compenser cette agression interne en
initiant une contre-réaction composée d’un ensemble de symptômes évoluant selon trois
stades successifs. Dans un premier temps, l’organisme est soumis à une réaction d’alarme.
Elle mène selon Cannon à la mobilisation de l’organisme pour lutter ou fuir face à la
contrainte extérieure (fight or flight). Ensuite, une phase de résistance s’installe durant
laquelle l’organisme utilise les ressources énergétiques permettant une réaction adaptée. Si
enfin les agents stressants se prolongent, l’organisme atteint un stade d’épuisement qui
survient lorsque toute l’énergie d’adaptation de l’organisme à été consommée. C’est durant ce
stade qu’apparaissent des troubles somatiques à l’origine de pathologies. Selye considère la
réaction de stress comme « la réponse non spécifique de l’organisme à toute demande qui lui
est faite ». L’autre apport majeur de Selye a été de proposer que les hormones
corticosurrénaliennes soient les médiateurs de ce syndrome.
67
INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes
John Mason a ensuite réfuté l’idée selon laquelle le stress était une réponse aspécifique
(Mason, 1971). Il a conduit une expérience sur deux groupes de singes soumis à une
restriction alimentaire pendant une courte période. Dans le premier groupe, les singes étaient
seuls alors que dans le second, les singes pouvaient voir d’autres singes être nourris. Bien que
tous les animaux groupes subissaient le même stress physique dû à la faim, ceux qui avaient
pu voir des congénères se nourrir avait sécrété plus d’hormones de stress. Mason démontre
aussi que le stress psychologique était tout aussi puissant que le stress physique et qu’il
pouvait déclencher une réponse de stress.
Les recherches qui ont suivi ont permis de déterminer quatre caractéristiques d’une
situation qui sera capable d’induire une réponse de stress chez la majorité des individus :
imprévisibilité, incontrôlabilité, nouveauté et menace pour l’individu.
Le stress est aujourd’hui un mot utilisé aussi bien dans le domaine médical que dans le
langage quotidien. Le stress désignait à l’origine la force exercée sur un corps qui le contraint
ou le déforme et la réaction de ce corps qui résiste à cette force. Ainsi, le stress définit à la
fois la cause et la conséquence : l’action de l’environnement sur l’organisme et les réponses
de l’organisme pour s’adapter à son environnement.
Bien que le stress recouvre des notions multiples, les modèles de stress en laboratoire
sont principalement basés sur l’exposition d’un sujet à une situation aversive, constituant une
menace pour le sujet et qui est normalement fortement évitée (Piazza & Le Moal, 1997). Le
stress fait alors ici référence aux réponses induites par l’exposition d’un sujet à cette situation.
En revanche, les stimuli induisant ces réponses de stress devraient être nommés de façon
précise « stresseurs ». Cependant, il est courant d’utiliser le mot de stress pour désigner ces
stimuli.
Par ailleurs, l’exposition à divers agents agresseurs entraine une libération de
glucocorticoïdes via l’activation de l’axe corticotrope, à tel point que cette réponse hormonale
sert souvent de définition opérationnelle du stress (Dantzer, 1988). Les glucocorticoïdes ont
un rôle important dans la mise en place de mécanismes de défense face à ce stress. De plus,
les glucocorticoïdes restreignent les réponses de stress de l’organisme avant qu’elles ne soient
délétères pour l’individu (Munck et al., 1984). Cependant, au-delà d’un certain seuil, ces
hormones, si elles sont sécrétées de manière inadéquate (p. ex., en quantités et/ou en durée),
ont à l’inverse un impact négatif, favorisant l’apparition de troubles somatiques et
psychiatriques (Piazza & Le Moal, 1997; McEwen, 1998; de Kloet et al., 1999).
68
INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes
B. Physiologie de l’axe corticotrope
L’axe corticotrope, ou axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien, constitue un système
majeur neuroendocrinien composé de trois structures principales : l’hypothalamus,
l’hypophyse et les glandes surrénales. Comme la plupart des systèmes neuroendocriniens,
l’axe corticotrope est un système en cascade avec une boucle de rétroaction négative par
laquelle le produit final inhibe notamment la production ou la libération de la substance
initiatrice de cette cascade d’activation. Une grande diversité de stimuli (homéostasiques,
circadiens, externes) peut être à l’origine de l’activation de l’axe corticotrope. Celle-ci aboutit
à la synthèse et à la libération des glucocorticoïdes, responsables de la plupart des effets
physiologiques de l’activation de l’axe corticotrope (de Boeck, 2006).
1. Stimulation de la libération des glucocorticoïdes
Le point de départ de l’axe corticotrope est l’hypothalamus et notamment le noyau
paraventriculaire (PVN) (Figure 8). Il est le centre intégrateur des afférences provenant de
structures du système limbique telles que l’amygdale, l’hippocampe, le septum, le thalamus
mais aussi le cortex préfrontal. L’amygdale est notamment capable d’activer l’axe
corticotrope (Herman et al., 2003). En effet, lorsque l’amygdale détecte un stresseur, elle
orchestre les réponses au stress (cf. partie II) en envoyant notamment des signaux au PVN. En
réponse, le PVN produit et libère la corticolibérine ou CRH (corticotropin releasing
hormone). Cette neurohormone est transportée par le système porte hypthalamo-hypophysaire
jusqu’à son récepteur spécifique présent sur les cellules corticotropes de l’hypophyse
antérieure. La CRH stimule à son tour la sécrétion d’une hormone stockée dans l’hypophyse,
l’adrénocorticotropine ou ACTH, aussi appelée hormone corticotrope. Enfin, l’ACTH est
libérée dans la circulation sanguine générale et agit sur les cellules du cortex surrénalien, ou
glande corticosurrénale, pour activer la synthèse de glucocorticoïdes. Ces hormones étant
lipophiles et donc non stockées dans les cellules hormonales, elles sont immédiatement
libérées dans la circulation générale après synthèse.
69
INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes
2. Rétrocontrôle négatif
Les glucocorticoïdes sont capables de contrôler leur propre sécrétion en exerçant un
rétrocontrôle négatif sur la production de CRH et d’ACTH (Figure 8). Les glucocorticoïdes
agissent principalement sur l'hypothalamus en bloquant la synthèse et la sécrétion de la CRH.
Les glucocorticoïdes inhibent également de façon rapide la libération d'ACTH au niveau de
l'hypophyse. Le rétrocontrôle négatif est d’autant plus intense que les taux de glucocorticoïdes
sont élevés. Ce rétrocontrôle a pour but de limiter la durée d’exposition des tissus cibles aux
glucocorticoïdes, limitant ainsi leurs effets délétères, et met fin à la réponse hormonale au
stress.
En 1968, McEwen a observé que les glucocorticoïdes se fixent aussi sur des structures
cérébrales extérieures au tandem hypothalamus/hypophyse, notamment l’hippocampe
(McEwen et al., 1968). Par la suite, il a été montré que cette structure est aussi fortement
impliquée dans la régulation inhibitrice de l’axe corticotrope (Figure 8) (Jacobson &
Sapolsky, 1991). Lorsqu’ils reçoivent des glucocorticoïdes, les neurones hippocampiques
activent un réseau GABAergique qui inhibe les neurones du PVN (Herman et al., 2003;
Cullinan et al., 2008).
Figure 8. Organisation fonctionnelle de l’axe
corticotrope. L’activation de l’axe corticotrope est initiée
par la réception par l’hypothalamus d’informations
provenant notamment de l’amygdale. Le noyau
paraventriculaire de l’hypothalamus répond par une
production de corticolibérine (CRH) et de vasopressine
(AVP). Ces deux peptides stimulent la production et la
sécrétion
d’adrénocorticotropine
(ACTH)
dans
l’hypophyse antérieure. Cette hormone stimule à son tour
la synthèse et la libération des glucocorticoïdes au niveau
des glandes corticosurrénales. Des mécanismes de
rétrocontrôle négatif assurent la régulation de l’axe
corticotrope.
Ils
impliquent
des
actions
des
glucocorticoïdes au niveau de l’hypophyse antérieure, de
l’hypothalamus
et
de
l’hippocampe
(rouge).
L’hippocampe en retour inhibe l’activité de l’axe
corticotrope au niveau de l’hypothalamus (vert). (Adapté
de Sandi, 2004).
70
INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes
3. Rythmes biologiques
L’activité de l’axe corticotrope présente une rythmicité liée à l’alternance jour-nuit,
appelée cycle nycthéméral ou rythme circadien, dont la période est proche de 24 h. Les taux
d’hormones oscillent du taux le plus faible au taux le plus élevé, autour des limites
homéostasiques. Le pic circadien intervient peu de temps avant le début de la période active.
Chez l’Homme, ce pic est observé le matin. Chez le rongeur, animal nocturne, le cycle est
inversé et le pic a lieu le soir, peu de temps avant la phase nocturne en animalerie. Le pic
circadien permet une réaction d’adaptation anticipatrice au moment du réveil. En effet, le rôle
des glucocorticoïdes est de mobiliser les substrats énergétiques pour cette période d’activité.
Les taux d’hormones diminuent le long de la période d’activité jusqu’à atteindre un nadir en
période de sommeil, durant laquelle les besoins énergétiques de l’organisme deviennent plus
faibles.
L’axe corticotrope présente également une rythmicité ultradienne. Le CRH, l’ACTH
et les glucocorticoïdes présentent une sécrétion de type pulsative avec des épisodes sécrétoires
courts d’une fréquence d’un à trois pulses par heure. Ces pulses sont suivis d’une clairance
rapide de ces hormones circulantes d’environ 20 minutes. L’intérêt d’un tel rythme ultradien
est un état d’alerte et de veille permanent de l’organisme permettant de rapidement mettre en
place des processus d’adaptation si un événement imprévisible survenait (de Boeck, 2006).
C. Les glucocorticoïdes
1. Définition
Les glucocorticoïdes sont des hormones stéroïdiennes dérivées du cholestérol et
synthétisées par les glandes corticosurrénales. Le glucocorticoïde majoritaire est le cortisol
chez l’Homme et la corticostérone chez le rongeur (Figure 9).
71
INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes
Cortisol
Corticostérone
Figure 9. Structure chimique du cortisol et de la corticostérone. Ces deux glucocorticoïdes
diffèrent seulement en la présence d’un groupement hydroxyle sur le carbone 17 du cortisol.
Comme toutes hormones, les glucocorticoïdes une fois libérés diffusent dans l’ensemble
de l’organisme par la circulation sanguine générale pour agir à distance de leur site de
production par fixation sur des récepteurs spécifiques. Les glucocorticoïdes font partie de la
classe des hormones dérivées des lipides et sont donc lipophiles. Cette propriété leur confère
la capacité de traverser la bicouche lipidique des cellules, de ne pas être stockées au sein de la
cellule mais d’être immédiatement libérées après leur synthèse, ainsi que d’entrer facilement
dans le cerveau en passant la barrière hémato-encéphalique.
Il est à noter qu’il existe une autre classe d’hormones stéroïdiennes synthétisées par les
glandes corticosurrénales : les minéralocorticoïdes, dont le principal représentant est
l’aldostérone. Les minéralocorticoïdes sont 100 fois moins abondants que les glucocorticoïdes
(de Kloet et al., 1998). Le terme corticoïdes ou corticostéroïdes englobe les glucocorticoïdes
et les minéralocorticoïdes.
2. Biosynthèse et circulation des glucocorticoïdes
La biosynthèse des glucocorticoïdes a lieu dans les cellules de la zone fasciculée des
glandes corticosurrénales. Une succession de réactions enzymatiques permet de transformer le
cholestérol en cortisol/corticostérone (Figure 10). Cette voie de biosynthèse des
glucocorticoïdes est activée par l’ACTH en se fixant sur des récepteurs spécifiques
surrénaliens.
L’hormone active (cortisol ou corticostérone) est en équilibre avec son métabolite
inactif
(cortisone
ou
11-déhydrocorticostérone,
respectivement)
qui
a
subi
une
déshydrogénisation sur le carbone 11 de la molécule. Deux isoformes de l’enzyme 11β-
72
INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes
hydroxydéshydrogénase (11βHSD) catalyse les réactions d’interconversion entre ces formes
actives et inactives (Figure 10). L’isoenzyme 11βHSD de type 1 possède une activité
réductase prédominante, catalysant la conversion de la forme inactive en forme active. Elle est
présente dans de nombreux tissus cibles des glucocorticoïdes, tels que le foie, le tissu adipeux,
les muscles et le système nerveux central. Au contraire, l’isoenzyme 11βHSD de type 2
possède une activité déshydrogénase, conduisant à la forme inactive de l’hormone. Cette
enzyme est présente dans les tissus périphériques cibles de l’aldostérone (rein, côlon, glandes
salivaires et sudoripares) mais pas dans certaines structures cérébrales telles que
l’hippocampe. Le rôle de la 11βHSD2 est de protéger les récepteurs aux minéralocorticoïdes
(MR), ayant la même affinité pour les glucocorticoïdes que pour l’aldostérone, de la fixation
des glucocorticoïdes en les inactivant, créant ainsi une spécificité de ces récepteurs à
l’aldostérone dans les tissus cibles (Edwards et al., 1988).
Cholesté
Cholestérol
Pregné
Pregnénolone
Progesté
Progestérone
O
HO
O
HO
HO
O
O
HO
11βHSD2
O
HO
O
O
HO
11βHSD1
O
1111-déhydrocorticosté
hydrocorticostérone
O
O
Corticosté
Corticostérone
1111-déoxycorticosté
oxycorticostérone
Figure 10. Biosynthèse de la corticostérone. La corticostérone est synthétisée à partir du cholestérol
via une étape de dégradation de la chaine latérale et des réactions successives d’oxydo-réduction. La
corticostérone est en équilibre avec son métabolite inactif (11-déhydrocorticostérone) par l’action des
isoenzymes 11β-hydroxydéshydrogénase de types 1 et 2 (11βHSD). Il est à noté que la 11βHSD2 est
absente dans l’hippocampe, ce qui préserve la forme active de la corticostérone. (Adapté de de Boeck,
2008).
Les glucocorticoïdes sont véhiculés dans la circulation sanguine de différentes façons.
Etant lipophiles, la majorité des molécules (80 à 90 %) se lie à un transporteur spécifique, la
transcortine ou CBG (cortisteroid binding globulin). Une autre partie (environ 10 %) est liée
de façon non-spécifique à l’albumine. Certaines molécules circulent sous forme libre dans le
73
INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes
plasma (5 à 10 %). Seule la fraction libre est active, peut atteindre les tissus cibles et est
capable de traverser la barrière hémato-encéphalique.
Le taux plasmatique de corticostérone oscille chez la souris entre 10 à 20 ng/mL (début
de la phase de repos/jour) et 75 à 100 ng/mL (début de la phase d’activité/nuit). La demi-vie
plasmatique du cortisol est de 60 à 90 minutes chez l’Homme et celle de la corticostérone est
d’environ 50 minutes chez le rongeur. La demi-vie biologique de ces hormones,
correspondant au temps nécessaire pour perdre la moitié de ces effets biologiques, est, elle, de
l’ordre de 8 à 12 h (de Boeck, 2006).
3. Récepteurs aux corticostéroïdes
a) Récepteurs intracellulaires
• Différences entre les récepteurs de type GR et MR
Les glucocorticoïdes agissent sur leurs cellules cibles par l’intermédiaire de récepteurs
spécifiques. Deux types de récepteurs intracellulaires distincts ont été identifiés dans les tissus
cibles périphériques ainsi que dans le cerveau : le récepteur aux minéralocorticoïdes (MR, ou
récepteur de type I) et le récepteur aux glucocorticoïdes (GR, ou récepteur de type II) (Reul &
de Kloet, 1985; de Kloet et al., 1998).
Dans le cerveau, l’expression des MR est confinée au niveau du système limbique
notamment dans l’hippocampe, l’amygdale, le septum et l’hypothalamus. Par contre, la
distribution des GR est ubiquitaire avec une forte densité dans l’hippocampe et le PVN de
l’hypothalamus. Les deux types de récepteurs se retrouvent alors co-localisés dans des
neurones des structures du système limbique et surtout dans l’hippocampe. C’est notamment
le cas des neurones du CA1 et du GD (Joels, 2007). Il y a aussi une différence de répartition
des récepteurs le long de l’axe dorso-ventral de l’hippocampe : les MR sont deux fois plus
nombreux dans l’HPCv que dans l’HPCd, alors que les GR sont trois fois plus nombreux dans
l’HPCd que dans l’HPCv (Robertson et al., 2005).
Les MR possèdent une forte affinité pour l’aldostérone mais aussi pour la corticostérone
(constante de dissociation : Kd ≈ 0,5 nM). La corticostérone peut en effet se fixer aux MR
dans l’hippocampe grâce à l’absence de l’enzyme 11βHSD2, ce qui la préserve de sa
métabolisation en sa forme inactive. En revanche, les GR ont une affinité pour la
corticostérone 10 fois moins importante que celle des MR (Kd ≈ 5 nM) mais une forte affinité
74
INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes
pour les glucocorticoïdes de synthèse, telle que la dexaméthasone (Kd ≈ 0,5 nM). Les GR sont
spécifiques aux glucocorticoïdes car ils sont très peu affins pour l’aldostérone (Kd ≈ 20 nM).
Le fait que la corticostérone soit le ligand endogène préférentiel de deux types de
récepteurs mais avec une affinité différente a des conséquences sur le niveau d’occupation de
ceux-ci en fonction du taux de l’hormone. Les MR, ayant la plus forte affinité pour la
corticostérone, sont quasiment saturés à de faibles taux de l’hormone, c’est-à-dire lors du
niveau basal du rythme circadien. Dans cette condition, les GR sont peu occupés. En
revanche, les GR sont progressivement occupés lorsque le taux de corticostérone augmente,
notamment lors du pic circadien, d’un pulse ultradien ou après l’exposition à un stress (Reul
et al., 1987b, 1987a). L’augmentation du taux de corticostérone finit aussi de saturer le niveau
d’occupation des MR. Cette activation différentielle implique aussi un rythme différentiel
d’occupation des récepteurs, qui est tonique pour les MR mais phasique pour les GR. Ceci est
particulièrement important dans les cellules qui co-expriment les deux types de récepteurs,
tels que les neurones pyramidaux du CA1 et granulaires du GD. Ainsi, ce système binaire de
récepteurs permettrait une action différentielle des glucocorticoïdes selon le taux d’hormones
circulant.
• Structure des récepteurs GR et MR
Les deux types de récepteurs aux corticostéroïdes sont phylogénétiquement et
structurellement proches. Ils font partie de la superfamille des récepteurs nucléaires et de la
famille des récepteurs aux stéroïdes (Beato & Klug, 2000). Comme tous récepteurs
nucléaires, les MR et GR sont des protéines monomériques et sont caractérisés par six
domaines structurels et fonctionnels (Figure 11). Le domaine A/B, en N-terminal de la
protéine, a un rôle dans l'initiation et la régulation de la transcription des gènes cibles (AF-1
pour activation function 1). Le domaine C est la région de fixation à l’ADN (DBD pour
DNA-binding domain). Une configuration particulière de ce domaine (doigts de zinc) permet
la fixation à l’ADN. Ce domaine est considéré comme la signature de la superfamille des
récepteurs nucléaires. Le domaine D correspond à une région charnière reliant les domaines C
et E et peut être impliqué dans la fixation à l’ADN et dans l’adressage du récepteur dans le
noyau. Le domaine E est la région de liaison du ligand (LBD pour ligand-binding domain).
En plus de cette fonction, le domaine E contient une fonction activatrice de la transcription
(AF-2 pour activation function 2), une interface de dimérisation et une région d’interaction
pour les protéines Hsp (Heat shock protein). Enfin, le domaine F, en C-terminal, peut être
75
INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes
aussi une région de fixation du ligand. Les domaines impliqués dans la liaison à l’ADN ou à
l’hormone (C et E) présentent un fort degré de conservation structurelle au sein de la
superfamille des récepteurs nucléaires, tandis que les domaines A/B, D et F peuvent présenter
beaucoup de variations structurales.
A/B
C
D
E
N-term
F
C-term
AF-1
ADN
hormone
dimérisation
Hsp
AF-2
Figure 11. Structure primaire et relations structure-fonction des récepteurs nucléaires. Les
récepteurs nucléaires sont organisés en six domaines déterminés sur la base d’homologies de séquence
et de leurs fonctions respectives. (Adapté de Beato & Klug, 2000).
• Mécanisme d’action : génomique
Comme tous récepteurs membranaires, les GR et les MR sont des facteurs de
transcription. Ils régulent l’expression de nombreux gènes cibles, de la centaine au millier
selon le type cellulaire (Zhou & Cidlowski, 2005; Lu & Cidlowski, 2006).
A l’état libre, les récepteurs sont présents dans le cytoplasme et complexés à des
protéines chaperonnes Hsp (Hsp90, Hsp70 et Hsp56). Ces protéines restreignent la
conformation du récepteur, bloquant ainsi la fixation de celui-ci avec l’ADN. Les récepteurs
sont donc inactifs. En revanche, la liaison de l’hormone glucocorticoïde à son récepteur induit
une phosphorylation et un changement de la conformation du récepteur, provocant la
dissociation du récepteur avec ses protéines chaperonnes. Les récepteurs ainsi actifs peuvent
agir selon plusieurs voies (Figure 12).
Les récepteurs peuvent se complexer en homodimères (GR/GR ou MR/MR) ou en
hétérodimères (GR/MR). Le dimère de récepteurs, lesquels sont toujours liés à l’hormone, est
transloqué dans le noyau. Il peut alors se fixer directement sur l’ADN sur une séquence
spécifique qui reconnait les récepteurs activés : les HRE (hormone response elements),
comme par exemple les GRE (glucocorticoid response elements) et les MRE
(mineralocorticoid response elements). Ces HRE sont situés dans le promoteur des gènes
cibles. Dans le cas des GRE, deux types existent : les « GRE positifs » activent la
transcription des gènes cibles, alors que les « GRE négatifs » (nGRE) répriment la
transcription. En cas d’activation de la transcription du gène, celle-ci aboutit à la production
76
INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes
d’ARN messagers, qui sont traduits en protéines. Ainsi, selon le type de promoteur, l’action
des glucocorticoïdes a comme résultat final l’expression ou l’inhibition de l’expression de
protéines.
Certaines actions des glucocorticoïdes ne passeraient pas par une interaction directe
protéine/ADN mais par des interactions protéine-protéine. En effet, les récepteurs peuvent, en
restant à l’état de monomère, interagir avec d’autres facteurs de transcription, tels qu’AP-1
(activator protein-1), un hétérodimère c-Fos/Jun. L’intérêt de ces interactions est que les
récepteurs peuvent réguler l’expression de gènes ne contenant pas de HRE et régulés par un autre
facteur de transcription. Le complexe récepteur-facteur de transcription se lie à l’ADN au
niveau d’une séquence du promoteur reconnaissant le facteur de transcription. Le récepteur
interfère avec l’action du facteur de transcription en activant de façon synergique ou en
réprimant la transcription du gène cible.
Glucocorticoids
Cytoplasm
Hsp
MR
Hsp
MR
GR
Hsp
Nucleus
GR GR
GRE
Transcription
GR GR
nGRE
Transcription
GR TF
Transcription
GR GR
GR
Gene
Gene
GR MR
Gene
Figure 12. Mécanisme d’action des récepteurs aux corticostéroïdes : exemple du GR. Les
glucocorticoïdes rentrent dans le cytoplasme de la cellule et se fixent sur les récepteurs aux
corticostéroïdes qui y sont présents. Le GR activé se dissocie des protéines Hsp, peut se dimériser avec
un autre GR ou avec un MR, et est transloqué vers le noyau. Il peut se fixer directement sur l’ADN au
niveau d’une séquence GRE ou nGRE. Il peut aussi interagir avec un autre facteur de transcription
(TF) pour se lier à l’ADN. La fixation du GR à l’ADN active ou réprime la transcription du gène.
(Adapté de Zhou & Cidlowski, 2005; Lu & Cidlowski, 2006).
77
INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes
Par leur action génomique, les glucocorticoïdes induisent ou inhibent la synthèse de
nombreuses protéines qui sont impliquées dans de nombreuses fonctions, telles que
l’architecture cellulaire, le métabolisme cellulaire et la transmission synaptique. En
particulier, ces protéines sont des facteurs de transcription, des enzymes, des récepteurs, des
neurotransmetteurs, des facteurs de croissance et des molécules d’adhésion cellulaire. Les
glucocorticoïdes agissent sur l’activité cellulaire en régulant des protéines qui sont des
récepteurs couplés à la protéine G, des récepteurs ionotropiques et des canaux ioniques.
Les glucocorticoïdes peuvent aussi réguler l’activité de gènes précoces (immediate early
genes). Les produits de ces gènes sont communément utilisés comme marqueurs de
l’activation neuronale (Herrera & Robertson, 1996). Les récepteurs GR peuvent réguler la
transcription du gène c-fos (Luo & Jackson, 1998). Ils peuvent aussi interagir avec les
hétérodimères c-Fos/Jun, ce qui diminue l’activité d’AP-1 et augmente l’expression de c-Fos
(Teurich & Angel, 1995). Il a été en effet montré que la transcription de c-fos est sous un
rétrocontrôle négatif exercé par la protéine Fos elle-même (Sassone-Corsi et al., 1988).
b) Récepteurs membranaires
Il a été récemment découvert un autre type de récepteurs aux corticostéroïdes qui sont
eux localisés dans la membrane plasmique. Ce sont des récepteurs de type MR (Joels et al.,
2008). Contrairement au MR nucléaires, ces MR membranaires ont une faible affinité pour les
glucocorticoïdes, comparable à celle des GR (Karst et al., 2005). Ainsi, ils sont activés
lorsque le taux de corticostérone augmente, comme c’est le cas pour les GR. Ils sont
responsables des effets rapides non-génomiques des glucocorticoïdes. Les premières études
ont montré qu’ils augmentent la neurotransmission glutamatergique (Karst et al., 2005) et
régulent le trafic de surface des récepteurs glutamatergiques de type AMPA (Groc et al.,
2008; Chaouloff & Groc, 2010; Krugers et al., 2010), augmentant ainsi la transmission et la
plasticité synaptique dans l’hippocampe.
D. Actions des glucocorticoïdes sur le système nerveux central
Les glucocorticoïdes sont impliqués dans un grand nombre de fonctions de l’organisme.
Au niveau du système nerveux central, l’hippocampe, possédant une forte densité de GR, est
78
INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes
l’une des structures cérébrales les plus vulnérables aux effets du stress et des glucocorticoïdes
(McEwen et al., 1969). Le stress et les glucocorticoïdes influencent différents aspects de
l’activité neuronale et des processus mnésiques liés à l’hippocampe.
1. Actions sur la plasticité neuronale
Le stress et les glucocorticoïdes sont de puissants modulateurs de l’activité neuronale.
Les effets les mieux caractérisés sont ceux exercés sur la potentialisation à long terme (PLT)
dans l’hippocampe, en particulier dans le champ CA1. La PLT est considéré comme un
modèle cellulaire de la mémoire (Bliss & Lomo, 1973). De nombreuses données ont montré
qu’une élévation du taux de glucocorticoïdes, comme lors d’un stress, altère la PLT (Diamond
et al., 1992; Pavlides et al., 1993; Diamond & Rose, 1994). En revanche, un faible taux de
glucocorticoïdes, comme lors du niveau basal du cycle circadien, facilite ce type de plasticité
(Diamond et al., 1992; Pavlides et al., 1994).
Des études ont aussi analysé les effets du stress et des glucocorticoïdes sur la dépression
à long terme (DLT). La DLT, miroir de la PLT, correspond à la diminution de l’efficacité
synaptique (Bliss & Collingridge, 1993). Tandis que la DLT est généralement faible à l’état
basal, elle devient robuste lorsque le taux de glucocorticoïdes est élevé (Diamond et al., 1992;
Coussens et al., 1997).
Ainsi, les glucocorticoïdes ont un effet opposé sur la force synaptique dans
l’hippocampe en fonction de leur concentration. En condition basale, la force synaptique dans
l’hippocampe est augmentée, tandis qu’en situation de stress, cette force est diminuée. Une
telle opposition des effets des glucocorticoïdes est associée avec l’implication différentielle
des MR et des GR (Diamond et al., 1992; Kim & Yoon, 1998). En effet, ce système binaire de
récepteurs conduit à des effets opposés selon le taux de glucocorticoïdes. Tandis que les MR,
quasiment totalement occupés à l’état basal, sous-tendent les effets positifs, les GR, occupés
lorsque le taux de glucocorticoïdes augmente, sont responsables des effets délétères des
glucocorticoïdes sur la force synaptique.
La majorité de ces études ont effectué des analyses électrophysiologiques dans la partie
dorsale de l’hippocampe. Récemment, une série d’études dissociant les effets le long de l’axe
dorso-ventral de l’hippocampe a montré que l’activation des GR, aussi bien dans l’HPCd que
dans l’HPCv, réduit la PLT mais augmente la DLT et les courants synaptiques inhibiteurs
(Maggio & Segal, 2007b, 2009a, 2009b). L’ensemble de ces données indiquent que l’activation
79
INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes
des GR est responsable des effets délétères des glucocorticoïdes sur la force synaptique de
l’hippocampe.
Compte tenu des effets des glucocorticoïdes sur la plasticité synaptique de
l’hippocampe, il apparait concevable que des effets opposés des glucocorticoïdes soient aussi
observés sur des formes de mémoire dépendantes de l’hippocampe et que les GR soient aussi
responsables d’effets délétères sur la fonction mnésique relevant de cette structure cérébrale.
2. Actions sur la mémoire
Lorsqu’un animal apprend une tâche en situation de stress, la consolidation de cette
tâche est facilitée par la sécrétion de glucocorticoïdes lors de l’apprentissage de cette tâche
(de Kloet et al., 1998; de Kloet et al., 1999). Ce constat est notamment vrai pour des
apprentissages aversifs en général et pour ceux qui mettent en jeu l’hippocampe tels que
certains types de conditionnement classique aversif et des tâches de mémoire spatiale ou
relationnelle. En revanche, lorsque les glucocorticoïdes sont présents en excès, des
perturbations mnésiques peuvent être observées.
a) Actions des glucocorticoïdes sur le conditionnement aversif
Nous consacrerons cette partie aux effets des glucocorticoïdes sur la consolidation
mnésique du conditionnement aversif. La formation de la mémoire peut être facilement
influencée pendant cette période critique sensible aux manipulations. Cependant, toutes les
informations d’un événement ne se valent pas et ne sont donc pas consolidées de façon
équivalente. Les glucocorticoïdes peuvent constituer un « filtre » important en sélectionnant
les informations pertinentes à mémoriser au vue de l’expérience.
A notre connaissance, la première étude ayant déterminé un rôle des glucocorticoïdes
dans le conditionnement aversif est celle de Corodimas (Corodimas et al., 1994). Cette étude
a montré que la pose sous-cutanée d’une pastille de corticostérone après un conditionnement
élémentaire potentialise les RCE au son chez le rat. Cette étude assez rudimentaire, montrant
un effet des glucocorticoïdes sur une tâche considérée comme indépendante de l’hippocampe,
a été quelque peu oubliée par la communauté scientifique.
80
INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes
Les premières études phares sur les glucocorticoïdes et le conditionnement sont venues
de deux laboratoires à la fin des années 1990. Ces études se sont focalisées sur l’implication
des glucocorticoïdes dans le conditionnement contextuel, dans lequel l’implication de
l’hippocampe est critique. D’une part, les études du laboratoire de Rudy ont démontré
qu’après une surrénalectomie, l’injection systémique de corticostérone en post-apprentissage
potentialise les RCE au contexte (Pugh et al., 1997b). Cet effet facilitateur est dose-dépendant
dans le sens où les doses faibles ou intermédiaires utilisées sont efficaces, tandis que la dose
la plus forte ne l’est plus. Leurs études ont aussi montré que l’injection sous-cutanée
d’antagonistes aux GR (RU 38486) 1 h avant le conditionnement diminuait les RCE au
contexte (Pugh et al., 1997a). D’autre part, les études de Cordero & Sandi ont montré que le
taux de corticostérone plasmatique était positivement corrélé à l’intensité du choc électrique
et à l’amplitude de la RCE au contexte (Cordero et al., 1998). De plus, elles ont aussi montré
que les RCE au contexte sont diminuées par le blocage sélectif des GR cérébraux, mais non
des MR, tandis qu’elles sont potentialisées par l’administration systémique de corticostérone
en post-apprentissage (Cordero et al., 1998).
Par la suite, des études ont également déterminé un lien direct entre les glucocorticoïdes
et le conditionnement élémentaire. En effet, comme pour le conditionnement contextuel,
l’administration systémique de glucocorticoïdes en post-apprentissage facilite aussi le
conditionnement au son (Zorawski & Killcross, 2002; Hui et al., 2004; Roozendaal et al.,
2006; Marchand et al., 2007).
Toutes les études énoncées ci-dessus ont utilisé une approche pharmacologique
systémique, ne permettant donc pas de préciser le site d’action cérébral des glucocorticoïdes.
A ce jour, une seule étude, impliquant notre équipe, a utilisé une approche pharmacologique
locale ciblant l’hippocampe pour évaluer les effets des glucocorticoïdes sur les RCE chez la
souris (Revest et al., 2005). Cette étude montre notamment qu’une injection de corticostérone
dans l’hippocampe après une procédure de non-appariement potentialise les RCE au contexte.
Ceci démontre que les effets facilitateurs des glucocorticoïdes sur le conditionnement
contextuel impliquent directement l’hippocampe.
L’ensemble de ces études indique un effet facilitateur des glucocorticoïdes sur le
conditionnement au contexte ou sur le conditionnement au son. Ces études ont en effet utilisé
une intensité de choc électrique faible à modérée (p. ex., 0.3 mA chez la souris) afin de
pouvoir visualiser cet effet facilitateur. Cependant, les effets des glucocorticoïdes lors d’une
81
INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes
situation de stress intense, utilisant de fortes intensités de chocs, restent encore méconnus.
De plus, la contribution des GR dans les effets potentiellement délétères reste à déterminer.
Par ailleurs, la plupart de ces études évaluent les performances mnésiques d’un point de
vue essentiellement quantitatif, c’est-à-dire par l’amplitude d’une RCE à un stimulus (cf.
partie I). En revanche, elles ne tiennent généralement pas en compte de la valeur prédictive de
ce stimulus à l’égard du choc électrique. En d’autres termes, la potentialisation d’une RCE
observée n’a pas la même signification si le stimulus induisant la RCE était ou n’était pas le
plus prédictif du choc électrique. Tandis que l’augmentation d’une RCE au stimulus prédictif
est adaptée, l’augmentation d’une RCE à un stimulus non prédictif est inadaptée et peut
témoigner d’un processus incorrect de sélection de stimuli prédictifs par l’animal. Au
laboratoire, il a été notamment montré qu’en situation de stress modéré, la corticostérone
facilite le conditionnement à un son prédictif (procédure d’appariement), mais ne facilite pas
le conditionnement à un son non prédictif du choc (procédure de non-appariement)
(Marchand et al., 2007). Ainsi, au-delà des effets des glucocorticoïdes sur l’amplitude des
RCE, il apparait important d’évaluer ces effets sur la capacité de l’animal de sélectionner le
stimulus prédictif du choc.
Enfin, il a été déterminé que l’HPCd est impliqué dans les effets des glucocorticoïdes
sur les RCE (Revest et al., 2005). Bien que l’existence d’une dissociation fonctionnelle entre
les régions dorsale et ventrale de l’hippocampe soit établie chez le rongeur (Fanselow &
Dong, 2010), les effets des glucocorticoïdes sur les RCE en fonction du secteur
hippocampique ciblé restent à déterminer.
b) Actions des glucocorticoïdes sur la mémoire spatiale/relationnelle
Les effets du stress et des glucocorticoïdes sur une forme de mémoire dépendante de
l’hippocampe telle que la mémoire spatiale ont été très bien décrits chez le rongeur. Les
tâches d’apprentissage classiquement utilisées pour évaluer la mémoire spatiale sont la
piscine de Morris ou le labyrinthe en Y. Les premières études ont montré qu’un stress, comme
l’exposition à un environnement nouveau, à un prédateur ou à des chocs électriques, diminue
les performances mnésiques (Diamond et al., 1996; de Quervain et al., 1998; Wang et al.,
2000; Sandi et al., 2005). Cependant, un effet opposé des glucocorticoïdes sur les
performances mnésiques selon la dose d’hormones a aussi été relevé. L’injection systémique
d’une dose modérée de corticostérone facilite l’apprentissage et la rétention en piscine de
82
INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes
Morris (Akirav et al., 2004). Au contraire, l’injection d’une forte dose de corticostérone
diminue les performances mnésiques (Yau et al., 1995; de Quervain et al., 1998). En
particulier, le niveau de performances mnésiques suit une courbe en U inversé en fonction du
niveau d’occupation des GR (Oitzl et al., 1994; Conrad et al., 1999). Il apparait en effet qu’un
niveau d’occupation modéré des GR permet un apprentissage optimal, tandis que l’activation
supplémentaire de GR devient délétère pour l’apprentissage spatial.
Cependant, la majorité de ces études utilisent des administrations systémiques de
glucocorticoïdes. Il reste à déterminer dans quelle mesure ces effets impliqueraient une
action directe et sélective des glucocorticoïdes dans l’hippocampe. De plus, comme expliqué
en début d’introduction (cf. partie I), plus que la mémoire spatiale per se, la mémoire
relationnelle modéliserait plus près la mémoire déclarative humaine chez le rongeur. Nous
envisageons donc d’évaluer les effets d’injections de glucocorticoïdes ciblées dans
l’hippocampe sur les performances en mémoire relationnelle.
83
84
Objectifs généraux des travaux de thèse
Bien que le tableau clinique des troubles mnésiques de l’ESPT soit bien décrit, un profil
mnésique associant hypermnésie pour un élément saillant et amnésie pour les éléments
contextuels, ainsi qu’un déficit spécifique de la mémoire déclarative, restent à être modéliser
chez l’animal. Les études cliniques ont révélé une fréquente atrophie de l’hippocampe et une
hyperactivité de l’amygdale chez les sujets atteints d’ESPT (cf. partie I). De plus, des études
ont précisé un rôle de l’hippocampe dans le traitement d’informations contextuelles et dans la
mémoire déclarative, tandis que l’amygdale serait, elle, responsable de l’hypermnésie de type
implicite pour l’élément saillant (cf. parties I et II). Enfin, il a été montré chez l’animal qu’un
niveau élevé de glucocorticoïdes peut altérer des fonctions mnésiques dépendantes de
l’hippocampe, cible cérébrale majeure de ces hormones (cf. partie III). L’ensemble de ces
données conduisent à l’hypothèse selon laquelle une libération excessive de glucocorticoïdes
lors d’un événement traumatique serait, via une action dans l’hippocampe, l’une des causes
possibles du développement des troubles mnésiques de type ESPT.
L’objectif général de cette thèse est de déterminer les conditions dans lesquelles la
corticostérone intra-hippocampique peut altérer la mémoire émotionnelle et la mémoire
relationnelle, conduisant ainsi à des troubles mnésiques de type ESPT chez la souris.
Il est connu qu’une injection intra-hippocampique de corticostérone facilite des
réponses de peur conditionnées en situation de faible intensité émotionnelle (Revest et al.,
2005). De plus, il semble qu’un secteur spécifique de l’hippocampe, le secteur postérieur
(dorsal chez le rongeur), soit préférentiellement altéré dans l’ESPT (Bonne et al., 2008).
Ainsi, nous avons dans un premier temps déterminé si une injection de corticostérone dans
l’hippocampe dorsal peut, en fonction de l’intensité émotionnelle, faciliter la consolidation
mnésique ou bien induire un profil mnésique de type ESPT chez la souris.
A cette fin nous avons utilisé, comme modèle comportemental, le conditionnement
classique aversif dans lequel nous pouvons moduler la relation de contingence SC-SI (cf.
partie II). Ce modèle nous permet de tester l’hypothèse selon laquelle l’injection intrahippocampique de corticostérone, après un apprentissage dans lequel le contexte est
normalement prédicteur du choc (non-appariement SC-SI), conduirait à une sélection
85
incorrecte du stimulus discret et saillant comme prédicteur du choc. Cette sélection
incorrecte est attestée par une forte RCE au son associée à un déficit de RCE au contexte.
Nous avons aussi évalué, par une analyse immunohistochimique de la protéine c-Fos, si un tel
profil mnésique était associé à une diminution d’activité neuronale dans l’hippocampe et à
une augmentation de cette activité dans l’amygdale (Chapitre 1).
Bien que l’existence d’une dissociation fonctionnelle entre les régions dorsale et
ventrale de l’hippocampe soit établie chez le rongeur (Fanselow & Dong, 2010; Segal et al.,
2010), les effets des glucocorticoïdes sur les performances mnésiques en fonction du secteur
hippocampique ciblé sont méconnus. Ainsi, nous avons dans un second temps déterminé si les
effets délétères de la corticostérone sur les réponses de peur conditionnées sont dépendants
du secteur hippocampique ciblé. Nous avons aussi évalué l’implication des récepteurs de
type GR au sein de chaque secteur hippocampique dans les effets de la corticostérone sur les
RCE (Chapitre 2).
Enfin, nous avons voulu observer un effet délétère des glucocorticoïdes intrahippocampiques sur la mémoire relationnelle, lequel serait éventuellement dépendant d’un
stress préalable. En effet, des épisodes de stress dans l’histoire personnelle d’un sujet
constitue un facteur de risque au développement de l’ESPT (Yehuda, 2004). Nous avons donc
évalué, dans une étude préliminaire, si une pré-exposition à une situation de stress peut
contribuer à l’émergence d’un déficit spécifique de la mémoire relationnelle après
injections de corticostérone dans l’hippocampe dorsal. Nous avons testé l’hypothèse selon
laquelle l’injection de corticostérone dans l’hippocampe dorsal altèrerait spécifiquement la
mémoire relationnelle chez les seuls animaux ayant au préalable vécu un épisode de stress
(exposition à des chocs électriques). Pour tester cette hypothèse, nous avons utilisé un modèle
comportemental de la mémoire déclarative chez l’animal en labyrinthe radiaire (Chapitre 3).
Chacun des chapitres énoncés ci-dessus sera constitué d’une brève introduction, d’un
résumé des principaux résultats, de la conclusion principale et du manuscrit associé. Les
résultats de ces différentes études seront ensuite discutés plus amplement dans la discussion
générale de la thèse.
86
CHAPITRE 1
Implication des glucocorticoïdes intrahippocampiques dans l’induction d’altérations de la
mémoire émotionnelle de type ESPT
Article 1 : Glucocorticoids can induce PTSD-like memory impairment in mice.
87
88
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
CHAPITRE 1
Implication des glucocorticoïdes intra-hippocampiques dans l’induction
d’altérations de la mémoire émotionnelle de type ESPT
(Article 1)
1. Introduction
Les événements émotionnellement connotés sont habituellement mieux mémorisés que
les événements relativement neutres (McGaugh & Roozendaal, 2002). Cette facilitation de la
mémoire se base sur la sélection de stimuli prédictifs d’un événement important pour la survie
de l’individu. En revanche, une situation de stress extrême peut conduire chez l’Homme à de
sévères altérations de la mémoire émotionnelle, lesquelles constituent une part importante des
symptômes de l’état de stress post-traumatique (ESPT). L’un des principaux traits de ce
trouble psychiatrique est un profil mnésique paradoxal dans lequel coexistent une
hypermnésie pour un stimulus discret et saillant et une amnésie de certains éléments
contextuels de l’événement traumatique (APA, 2000; Elzinga & Bremner, 2002; Layton &
Krikorian, 2002). Cependant, le profil pathologique hypermnésie/amnésie pour différents
éléments d’un même événement traumatique reste encore à être modélisé chez l’animal.
L’action des glucocorticoïdes dans l’hippocampe pourrait jouer un rôle essentiel dans le
développement du profil mnésique de l’ESPT. En effet, l’hippocampe est l’une des cibles
cérébrales majeures des glucocorticoïdes et se trouve fortement altéré chez les patients
souffrant d’ESPT, surtout dans sa partie postérieure (dorsale chez le rongeur) (Gilbertson et
al., 2002; Bonne et al., 2008). De plus, une libération excessive de glucocorticoïdes peut
induire des altérations de la consolidation mnésique dépendante de l’hippocampe (McEwen,
2000), pouvant altérer la sélection correcte des stimuli pertinents.
Sur ces bases, l’objectif de ce travail a été de déterminer si une injection de
corticostérone dans l’hippocampe dorsal, pouvait, en fonction de l’intensité émotionnelle,
faciliter la consolidation mnésique ou bien induire un profil mnésique de type ESPT chez
la souris.
Afin d’étudier chez le rongeur les caractéristiques mnésiques de l’ESPT, nous avons
utilisé comme paradigme comportemental deux procédures de conditionnement aversif en
89
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
jouant sur la relation de contingence entre un son (SC) et un choc électrique (SI) (Desmedt et
al., 1998; Calandreau et al., 2006). La procédure d’appariement SC-SI, dans laquelle le son
est systématiquement suivi du choc, permet la sélection du son comme prédicteur majeur du
SI (groupe « son-prédictif »). Au contraire, la procédure de non-appariement SC-SI, dans
laquelle le son n’est jamais suivi du choc, permet la sélection du contexte comme prédicteur
majeur du SI (groupe « contexte-prédictif »). La sélection du stimulus est attestée 24 h après
la phase de conditionnement par la mesure des RCE au son et au contexte.
2. Résumé des principaux résultats
Expérience 1
Dans un premier temps, nous avons recherché la gamme d’intensités de chocs
électriques (entre 0.3 et 0.8 mA) permettant d’induire la sélection correcte des stimuli
prédictifs du choc (son ou contexte).
Les résultats montrent que des intensités de chocs entre 0.5 et 0.8 mA permettent la
sélection du prédicteur majeur du choc (son ou contexte) en fonction de la procédure
d’apprentissage. En effet, les animaux de chaque groupe d’apprentissage expriment une forte
réponse de peur au stimulus le plus prédictif du SI associée à une faible réponse à l’autre
stimulus testé. En revanche, la plus faible intensité utilisée (0.3 mA) n’induit pas de
conditionnement significatif ni au son ni au contexte.
Expérience 2
Nous avons ensuite évalué si une injection de corticostérone (10 ng par côté) dans
l’hippocampe dorsal (HPCd) immédiatement après le conditionnement modulerait
différemment les RCE selon l’intensité des chocs électriques. Sur la base des résultats de
l’expérience 1, nous avons sélectionné trois intensités : 0.3 mA, une faible intensité qui ne
permet pas de conditionnement significatif ; 0.5 et 0.8 mA, la plus faible et une plus forte
intensité qui induisent un conditionnement au bon prédicteur du choc.
Chez les animaux du groupe « son-prédictif », l’injection de corticostérone ne modifie
globalement pas les réponses de peur quelque soit l’intensité des chocs. En revanche chez le
groupe « contexte-prédictif », l’injection de corticostérone a des effets opposés sur les
réponses de peur en fonction de l’intensité des chocs électriques. En particulier, après un
conditionnement à faible intensité de chocs (0.3 mA), la corticostérone potentialise les RCE
au contexte. Cependant, lorsque la corticostérone est injectée après une situation de forte
90
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
intensité de chocs (0.8 mA), les animaux présentent un déficit de conditionnement au
contexte, le prédicteur majeur du choc, tandis qu’ils expriment une RCE au son, non prédictif
du choc. Ainsi, la corticostérone dans l’HPCd conduit à la sélection d’un élément discret et
saillant de l’expérience au lieu des éléments contextuels qui étaient pourtant les plus
pertinents pour prédire l’événement aversif. Ce type de profil est similaire au profil mnésique
retrouvé dans l’ESPT.
Expérience 3
Enfin, nous avons évalué si le profil mnésique de type ESPT observé chez les souris est
associé à des déficits d’activité neuronale au sein du circuit hippocampo-amygdalien, qui est
requis différemment selon la sélection du meilleure prédicteur du choc (Calandreau et al.,
2005; Calandreau et al., 2006).
L’analyse des niveaux d’expression de la protéine c-Fos montre que, chez le groupe
« contexte-prédictif », l’injection de corticostérone diminue l’expression de c-Fos dans le
CA1 dorsal et dans le GD ventral. Au contraire, l’expression de c-Fos dans l’amygdale (LA,
BLA, CEA) est augmentée et devient similaire à celle des animaux qui sélectionnent
normalement le son comme prédicteur majeur (groupe « son-prédictif »). De façon
intéressante, ce pattern d’activité est similaire à celui retrouvé dans les études cliniques de
l’ESPT, observant des altérations hippocampiques associées à une hyperactivité
amygdalienne (Bremner et al., 1995; Liberzon et al., 1999).
3. Conclusion
En conclusion, nos résultats montrent que, lors de l’augmentation du niveau de stress,
les glucocorticoïdes basculent d’un rôle facilitateur à un rôle délétère sur la consolidation
mnésique, conduisant à une sélection incorrecte de stimuli non prédictifs. De façon
intéressante, certains aspects des altérations mnésiques et neurobiologiques spécifiques de
l’ESPT peuvent ainsi être modélisés chez la souris. L’action des glucocorticoïdes dans
l’hippocampe dorsal après une situation émotionnelle intense serait alors un mécanisme
physiopathologique potentiel du développement de mémoires de type ESPT.
91
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
Expériences préalables
Des expériences ont été au préalable effectuées afin d’évaluer un effet dose-réponse
d’une injection de corticostérone dans l’HPCd sur l’expression de RCE, dans les trois
conditions d’intensité de choc électrique (0.3, 0.5 et 0.8 mA). Nous avons initialement testé
une gamme de doses de corticostérone de 1 à 100 ng par côté. Les résultats sont présentés sur
la figure suivante (Figure 13).
Il est à préciser que les RCE au son sont, cette fois-ci, présentées sous la forme d’un
ratio normalisé, dont la formule est la suivante : [% freezing pendant le son – (% freezing en
pré-son + % freezing en post-son)/2]/[% freezing pendant le son + (% freezing en pré-son + %
freezing en post-son)/2]. Ce ratio permet de considérer le niveau de freezing exprimé pendant
le son en comparaison du niveau de freezing basal, i.e. exprimé dans le contexte neutre avant
et après la présentation du son. Un ratio tendant vers 1 indique un fort conditionnement au
son, tandis qu’un ratio tendant vers 0, voire vers les valeurs négatives, indique une absence de
conditionnement au son. L’utilisation, ici, de ce ratio s’explique par le fait que la
multiplication des groupes expérimentaux (ici, 12 groupes) augmente la probabilité d’obtenir
une plus grande variabilité de niveau de freezing basal, pouvant conduire à une interprétation
difficile des résultats exprimées sous la simple forme de pourcentage de freezing pendant le
son.
Nos résultats montrent qu’après un conditionnement utilisant une faible intensité de
chocs (0.3 mA), l’injection de corticostérone potentialise les RCE au contexte dès 10 ng, et ce
indépendamment de la procédure d’apprentissage à partir de la dose de 20 ng. En revanche, la
dose de 100 ng ne potentialise plus ces RCE au contexte. En situation d’intensité modérée de
chocs (0.5 mA), la corticostérone préserve l’expression de RCE au stimulus prédictif du choc
(son ou contexte). En revanche, à partir de 50 ng, les RCE au contexte sont altérées dans le
sens où il y a une absence de sélection appropriée du stimulus prédictif. Enfin, en situation de
forte intensité de chocs (0.8 mA), la corticostérone chez le groupe « contexte-prédictif » abolit
le conditionnement au contexte dès la dose de 1 ng et promeut, à la dose de 10 ng, la sélection
du stimulus saillant non prédictif (son) comme prédicteur du choc.
Ces expériences ont conduit à sélectionner une dose de corticostérone (10 ng par côté)
qui présente trois effets différents sur les RCE en fonction de l’intensité émotionnelle de
l’apprentissage : potentialisation des RCE au contexte à 0.3 mA, préservation des RCE à 0.5
mA, et abolition des RCE au contexte en faveur de RCE au son à 0.8 mA. De plus, nos
résultats indiquent que l’augmentation de l’intensité émotionnelle est associée à une
92
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
diminution de la dose de corticostérone nécessaire permettant de passer d’un effet facilitateur
à un effet délétère sur les RCE. Ceci conforte aussi l’idée qu’en situation de fort stress, un
excès de corticostérone dans l’hippocampe dorsal constitue un facteur critique dans le
développement d’une mémoire émotionnelle pathologique de type ESPT.
Test au contexte
Contexte-prédictif
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
40
#
30
% freezing
Ratio de conditionnement
Son-prédictif
Test au son
0.3 mA
# # # #
20
10
aCSF
1
10
20
50
0
100
aCSF
1
Dose corticosterone (ng)
10
20
50
100
Dose corticosterone (ng)
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
*
*
*
*
*
40
*
#
30
% freezing
Ratio de conditionnement
0.5 mA
*
*
*
*
20
#
10
0
aCSF
1
10
20
50
100
aCSF
1
Dose corticosterone (ng)
10
20
50
100
Dose corticosterone (ng)
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
40
#
*
30
% freezing
Ratio de conditionnement
0.8 mA
*
20
#
#
10
0
aCSF
1
10
aCSF
Dose corticosterone (ng)
1
10
Dose corticosterone (ng)
Figure 13. Effet dose de la corticostérone sur les RCE en fonction de l’intensité des chocs. Les *
indiquent un effet de la procédure d’apprentissage (groupe son-prédictif vs. contexte-prédictif), P <
0.05. Les # indiquent un effet pharmacologique (une dose de corticostérone vs. aCSF), P < 0.05.
93
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
94
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
Title: Glucocorticoids can induce PTSD-like memory impairment in mice.
Authors: Nadia Kaouane1,2*, Yves Porte1,2, Ludovic Calandreau3, Nicole
Mons1,2, Aline Marighetto1,2, Pier-Vincenzo Piazza4,2*, Aline Desmedt1,2*#
1 CNRS UMR 5228, Centre de Neurosciences Intégratives et Cognitives, Talence, France.
2 Université de Bordeaux, Bordeaux, France
3 INRA Centre de Tours Nouzilly, Physiologie de la Reproduction et des Comportements,
CNRS UMR 6175, INRA UMR 85, Université de Tours - Haras Nationaux, Nouzilly, France
4 INSERM U862, Neurocentre Magendie, Bordeaux, France
* Equally contributing authors
#
Correspondence and reprint request should be addressed to Aline Desmedt
Centre de Neurosciences Intégratives et Cognitives (UMR 5228)
Avenue des Facultés, Talence, F-33405, France
[email protected]
Running head: PTSD-like memories in mice
Text pages: 6 (2516 words)
Figures: 3
95
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
Post-traumatic stress disorder (PTSD) is characterized by a hypermnesia of the trauma and by
a memory impairment which degrades the ability of the subject to restrict fear to the
appropriate context. Infusion of glucocorticoids in the hippocampus after fear conditioning
altered the pattern of neural activation in the hippocampal-amygdalar circuit and induced
PTSD-like memory impairment. Animals become unable to identify the threat context as the
right predictor of the threat and show a fear response for a discrete cue normally identified as
safe. These data demonstrate PTSD-like memory impairment in rodents and identify a
potential pathophysiological mechanism of this condition.
96
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
Situations surrounding emotional events and in particular threatening ones are better
remembered than the ones accompanying neutral events. This hypermnesia for environments
and cues predicting threatening events is found practically in all the species able of learning,
probably because it increases the probability of survival in uncontrolled environments. In
humans the exposure to threatening situations can also result in memory impairments
culminating in severe pathological states such as posttraumatic stress disorder (PTSD) (1). In
this case, a hypermnesia for a salient proximal trauma-related cue is associated with a
memory deficit for peritraumatic contextual cues (2-3), which leads to amnesia for important
aspects of the traumatic event (1). In other words, the memory for the core traumatic event is
enhanced but the capacity of the subject to place it in the right place and/or in response to the
right cues is impaired. This diminished ability of the subject to identify the right predictors
and restrict the fear response to the appropriate situation contributes to the intrusive
recollection, i.e. re-experiencing the fear response in actually safe situations, which
characterizes PTSD.
Despite this well accepted clinical syndrome, animal models of traumatic memories
and PTSD almost exclusively focus on the quantitative aspect of fear memories, i.e. an
increased and persistent fear response (4). In contrast, the critical landmark of PTSD, the
inability of the subject to restrict fear responses to the appropriate predicting cues or contexts,
is largely neglected. As a consequence not only it is unclear whether PTSD-like memory
impairment exists in other species than humans but the biological mechanisms determining
the shift from adaptive fear memories to pathological PTSD-like memories remain largely
unknown.
In order to address this issue we analyzed if, in situations in which the impact of stress
is increased, PTDS-like memory impairment can be observed in mice. At this purpose we
injected the stress hormone corticosterone, the main glucocorticoid in rodents, in the
hippocampus of mice submitted to a fearful situation. An increase in glucocorticoids secretion
is one of the major biological responses to stress and this hormone is known to increase the
impact of stress related memories (5-8). In addition, a deregulation of glucocorticoids
secretion has been involved in the pathophysiology of PTSD (9). The hippocampus was
chosen because it plays an important role in memory, is the major brain target of
glucocorticoids (5, 8) and has been repeatedly found impaired in PTSD (10-11).
To study the effects of glucocorticoids we developed a behavioral model that allows
evaluating both the intensity of fear memories and the ability of the individual to restrict them
to the appropriate predictor of the threatening stimulus. This model consists in a conditioning
97
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
procedure during which mice are submitted to a threatening situation, the delivery of an
electric footshock, when concomitantly exposed to a specific context (conditioning cage) and
to a discrete cue (a tone). By applying two different schedules of association between the
presentation of the tone and the delivery of the shock it is possible to bring animals to identify
either the context or the tone as the right predictors of the threat. When the presentation of the
tone is always followed by the delivery of the shock (cue-shock pairing schedule) the animals
identify the tone and not the conditioning context as the main predictor of the threat
(predicting-cue group). In contrast, when the tone presentation is never followed by shock
delivery (cue-shock unpairing schedule) the animals identify the conditioning context and not
the cue as the right predictor of the threat (predicting-context group). The advantage of this
procedure is that animals in the two groups are submitted to exactly the same nature and
quantities of environmental stimuli but are able to identify different predictors of the threat
(12-13).
In our experimental conditions, 24 hours after this conditioning procedure animals
were re-exposed first to the cue alone in a familiar and safe environment and then without the
cue to the conditioning context alone. Animals in the predicting-cue group show conditioned
fear when re-exposed to the cue alone but not to the context. In contrast, animals in the
predicting-context group show conditioned fear when re-exposed to the context alone but not
to the cue. The magnitude of these fear responses depends on the intensity of the threat since
in both conditioning schedule it progressively increases as a function of the shock intensity
(from 0.3 mA to 0.8 mA) (Fig. 1).
We then studied the effects of corticosterone (10 ng per side) infused in the dorsal
hippocampus immediately after the conditioning training. In this case three footshock
intensities, low (0.3 mA), intermediate (0.5 mA) and high (0.8 mA), were used during
conditioning in independent groups.
In animals for which the cue is the right predictor, corticosterone did not significantly
modify the fear response (Fig. 2). This lack of significant effect is not surprising. Indeed, the
hippocampus is known to be necessary for the establishment of contextual conditioning but it
appears to be dispensable for cue conditioning (14-15). In contrast, in the group for which the
context was the right predictor, corticosterone modified fear memory as a function of the
threat intensity. As previously described (6-7), when corticosterone was infused after
conditioning with the lowest shock intensity (0.3 mA) an increase in the magnitude of
conditioned fear was observed when animals were exposed to the context alone (Fig. 2B).
However, when corticosterone was infused after conditioning with the highest shock intensity
98
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
(0.8 mA) a PTSD-like memory impairment was observed. Indeed, these animals did not show
fear in response to the context (Fig. 2B), the right predictor of the threat in this group, but
showed a fear response to the tone (Fig. 2A), normally not a relevant predictor of the threat
for them. Remarkably in this condition, animals in the predicting-context group started
behaving as animals in the predicting-cue group.
In a third experiment, we analyzed if the PTSD-like memory impairment observed in
the predicting-context group were also associated with an altered neural activity within the
hippocampus and the amygdala. The hippocampus and the amygdala were both studied in this
case because during acquisition of fear conditioning, the selection of the best predictor of the
shock (tone vs. context) differentially requires the activation of the hippocampal-amygdalar
circuit (12, 16). Neural activation was evaluated by comparing the expression of the
immediate early gene c-fos (number of c-Fos positive cells per mm2) ninety minutes after the
infusion in the hippocampus of corticosterone (10 ng per side) or of a control solution (an
artificial cerebrospinal fluid, aCSF) that followed the conditioning procedure. Since in the
previous experiment animals in the predicting-context group infused with corticosterone
behaved as control animals in the predicting-cue group, we also studied c-Fos in the latest
group of animals. Controls (aCSF infusions) in the predicting-context and predicting-cue
groups showed very different patterns of c-Fos activation. The correct identification of the
context as predictor of the shock (predicting-context group) was associated with high levels of
c-Fos expression in the DG of the hippocampus and low levels of c-Fos expression in the
amygdala. In contrast, the identification of the cue as the correct predictor (predicting-cue
group) was associated with low levels of c-Fos activation in the dentate gyrus (DG) and high
levels of c-Fos expression in the amygdala (Fig. 3). No significant differences between the
two groups were observed in the CA1 and the CA3 (fig. S1). Surprisingly in the amygdala,
the response was completely lateralized and present only in the right hemisphere, whilst no
changes were observed in the left amygdala (fig. S2). Corticosterone infusions in the
predicting-context group induced a decrease in c-Fos expression in the dorsal CA1 and the
ventral DG, whilst increased c-Fos expression in the amygdala. Thus, the pattern of c-Fos
expression in the predicting-context group infused with corticosterone becomes similar to the
one observed in control animals for which the right predictor was the cue.
In conclusion, the results of these experiments show that during conditioning with an
intense threat an increase in glucocorticoid level in the hippocampus can generate PTSD-like
memory impairments in mice. Indeed, animals in the predicting-context group infused with
corticosterone after conditioning with the highest shock intensity did not show conditioned
99
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
fear in response to the conditioning context, the right predictor of the threat, whilst
conditioned fear appeared in response to a salient discrete cue, the tone, which, although part
of the stressful experience, was never paired with the shock. This impairment is very similar
to what observed in PTSD patients in which contextual peritraumatic cues are often forgotten,
whilst salient but irrelevant ones are strongly remembered and become able to induce a strong
fear response in contexts different from the traumatic one (1-2).
The induction of PTSD-like memory impairments by corticosterone infusion in the
hippocampus is associated with a switch in neural activation within the hippocampalamygdalar circuit. Indeed, in control conditions, the identification of the context as the right
predictor of the threat is associated with low amygdalar activation and high activation in the
DG, whilst the opposite pattern is observed in animals identifying the cue as the right
predictor. After corticosterone infusions, when the animals in the predicting-context group
identify the cue instead of the context as the predictor of the threat, the activation of the
amygdala increases whilst a decreased activation is observed in the ventral DG and the dorsal
CA1 regions of the hippocampus. This hippocampal sub-regions selectivity is consistent with
both the critical role of the dorsal CA1 in the processing of contextual information and with
the high sensitivity of the ventral DG to stress effects (17-18). Strikingly, theses alterations of
neural activation are also very similar to those observed in PTSD patients, showing an
impaired hippocampal function, sometimes associated with a decreased hippocampal volume,
whilst an amygdalar hyperactivation is observed in response to trauma-related cues (10, 19).
In conclusion, these results provide solid evidences for the existence of PTSD-like
memory impairments in rodents and identify one of the potential pathophysiological
mechanisms of this condition. The understanding of the molecular mechanisms through which
high levels of glucocorticoids in the hippocampus can modify neural activation in the
hippocampal-amygdalar circuit could open new avenues for the development of innovative
treatments of PTSD.
100
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
References and notes
1.
APA, Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders IV - Text Revision.
(American Psychiatric Press, Washington D.C., 2000).
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19.
I. Liberzon et al., Biol Psychiatry 45, 817 (1999).
20.
We thank F. Naneix for corrections of the manuscript and helpful discussions and L.
Brayda-Bruno, A. Faugere, F. Rougé-Pont and C. Dupuy for their technical help. NK
and AD conceived and designed the experiments. NK, NM, YP, and AD performed
the experiments. NK and AD analyzed the data. NK, AM, PVP and AD wrote the
manuscript. YP, LC and NM revised the manuscript. This work was supported by the
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) and the Fédération pour la
Recherche sur le Cerveau (FRC) to AD. The authors have declared that no competing
interests exist.
101
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
Figure 1
% Freezing
50
**
40
30
B
Re-exposure to the
cue alone
oo
oo
*
oo
Re-exposure to the
context alone
oo
30
*
o
% Freezing
A
**
20
20
o
*
*
10
10
0
0.3 0.4 0.5 0.6 0.8
Shock intensity (mA)
Predicting-cue group
0
0.3 0.4 0.5 0.6 0.8
Shock intensity (mA)
Predicting-context group
Fig. 1. Increasing shock intensity produced fear responses to the right predictor and
increased their magnitude. (A) When re-exposed to the cue alone, the predicting-cue group
displayed more conditioned fear than the predicting-context group from 0.4 mA to 0.8 mA
[all F > 6.78, P < 0.05], but not with 0.3 mA [F(1,16) = 0.08; P = 0.78]. (B) When the same
animals were re-exposed to the conditioning context alone, the predicting-context group
expressed more conditioned freezing than the predicting-cue group with 0.5 and 0.8 mA [all F
> 6.09, P < 0.05] but not with lower shock intensities [all F < 1.88, P > 0.1]. The two groups
also increased the magnitude of their fear responses to the right predictor as a function of the
shock intensity [all F < 4.67, P < 0.01]. Intensities ranging from 0.5 to 0.8 mA produced
higher levels of freezing compared to lower intensities [Fisher’s PLSD, all P < 0.05]. *P <
0.05, **P < 0.01, Predicting-cue vs. Predicting-context groups; oP < 0.05,
intensity vs. 0.3 mA.
102
oo
P < 0.01, one
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
Figure 2
% Freezing
A
Re-exposure to the cue alone
50
#
40
30
20
10
0
% Freezing
B
30
0.3
0.5
0.8
Shock intensity (mA)
0.3
0.5
0.8
Shock intensity (mA)
Re-exposure to the context alone
#
20
#
10
0
0.3
0.5
0.8
Shock intensity (mA)
0.5
0.8
0.3
Shock intensity (mA)
Predicting-cue group
Predicting-context group
aCSF
CORT
aCSF
CORT
Fig. 2. Corticosterone infusions can induce PTSD-like memory impairment with
increasing shock intensity. (A) When animals were exposed to the cue alone, corticosterone
(CORT) increased fear response to the irrelevant tone cue in the predicting-context group
when the intensity of the threat was high (0.8 mA) [F(1,17) = 6.62, P < 0.05], whilst same
infusion had no significant effect in any of the other conditions studied [all F < 2.75, P >
0.11]. (B) When animals in the predicting-context group were exposed to the context alone,
corticosterone increased the appropriate fear response for a threat of low intensity (0.3 mA)
[F(1,14) = 7.05, P < 0.05]. However, when the intensity of the threat was high (0.8 mA)
corticosterone impaired the ability of the subject to identify the context as the right predictor
[F(1,17) = 4.76, P < 0.05]. Corticosterone had no effect in the predicting-cue group in any of
the condition studied [all F < 2.67, P > 0.12]. #P < 0.05, aCSF vs. CORT.
103
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
Figure 3
c-Fos positive cells
(number/mm²)
Hippocampus
Dorsal CA1
200
300
Predicting-context aCSF
150
Predicting-cue aCSF
200
100
Predicting-context CORT
# 100
50
0
0
800
c-Fos positive cells
(number/mm²)
Naive
Ventral CA1
600
Dorsal DG
400
300
*
400
200
200
100
0
0
Ventral DG
*
#
Amygdala
c-Fos positive cells
(number/mm²)
1500
Right LA
800
##
Right BLA
2000
Right CEA
###
##
600
1500
400
1000
1000
500
200
0
*
*
500
0
0
**
Fig. 3. PTSD-like memories were associated with an impairment of neural activity
within the hippocampal-amygdalar circuit. Control animals in the predicting-context group
were characterized by high levels of c-Fos expression in the dentate gyrus (DG) of the
hippocampus and low levels of c-Fos expression in the right amygdala (lateral (LA),
basolateral (BLA) and central (CEA) nuclei). The opposite pattern was observed in the
predicting-cue group [all P < 0.05]. No significant differences between the two groups were
observed in the CA1. Corticosterone infusions in the predicting-context group induced a
decrease in c-Fos expression in the dorsal CA1 and the ventral DG [both P < 0.05], whilst
increased c-Fos expression in the amygdala [all P < 0.01]. *P < 0.05, **P < 0.01, Predictingcue vs. Predicting-context groups; #P < 0.05, ##P < 0.01, ###P < 0.001, aCSF vs. CORT.
104
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
Supplemental figure 1
Dorsal CA3
c-Fos positive cells
(number/mm²)
800
600
Ventral CA3
500
400
Naive
300
Predicting-context aCSF
200
Predicting-cue aCSF
100
Predicting-context CORT
400
200
0
0
Fig. S1. Levels of c-Fos expression in the CA3 were not changed in the experimental
groups. In all experimental groups (predicting-context and predicting-cue groups infused
with aCSF; predicting-context infused with corticosterone, CORT), levels of c-Fos expression
in the dorsal and ventral CA3 were higher than baseline level (naive animals) [all P < 0.01].
No effect of treatment nor of procedure was observed [all P > 0.21].
105
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
Supplemental figure 2
Left BLA
Left LA
c-Fos positive cells
(number/mm²)
1500
Left CEA
800
2000
600
1500
400
1000
200
500
0
0
1000
Predicting-context aCSF
Predicting-cue aCSF
500
0
Naive
Predicting-context CORT
Fig. S2. Fear responses were associated with a low activation of the left amygdala. In all
experimental groups (predicting-context and predicting-cue groups infused with aCSF;
predicting-context infused with corticosterone, CORT), levels of c-Fos expression in the left
amygdala (lateral (LA), basolateral (BLA) and central (CEA) nuclei) were higher than
baseline level (naive animals) [all P < 0.05] and lower than those observed in the right
hemisphere [all P < 0.05]. No effect of treatment nor of procedure was observed [all P >
0.09].
106
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
Supporting online material
Materials and methods
Subjects
For all the experiments, 3-month-old naive male mice (C57Bl/6 JI Co; Charles River
Laboratories, Arbresle, France) were individually housed in standard Macrolon cages in a
temperature- and humidity-controlled room under a 12-h light/dark cycle (lights on at 07:00)
and had ad libitum access to food and water. All experiments took place during the light
phase. All animal care and behavioral tests were conducted in compliance with the European
Communities Council Directive (86/609/EEC). The final group sizes were as follows:
- Shock intensity study: predicting-cue group 0.3 mA (n = 9), 0.4 mA (n = 9), 0.5 mA (n = 9),
0.6 mA (n = 9) and 0.8 mA (n = 6); predicting-context group 0.3 mA (n = 9), 0.4 mA (n = 8),
0.5 mA (n = 8), 0.6 mA (n = 6) and 0.8 mA (n = 6).
- Corticosterone infusions study: predicting-cue group 0.3 mA aCSF (n = 12), 0.3 mA CORT
(n = 8), 0.5 mA aCSF (n = 9), 0.5 mA CORT (n = 9), 0.8 mA aCSF (n = 12), 0.8 mA CORT
(n = 10); predicting-context group 0.3 mA aCSF (n = 9), 0.3 mA CORT (n = 7), 0.5 mA
aCSF (n = 10), 0.5 mA CORT (n = 8), 0.8 mA aCSF (n = 10), 0.8 mA CORT (n = 9).
- Immunohistochemistry study: naive animals (n = 7); predicting-cue group 0.8 mA aCSF (n
= 4); predicting-context group 0.8 mA aCSF (n = 6), CORT (n = 5).
Surgical procedure
Mice were anesthetized with ketamine (80 mg/kg body weight, i.p.) and xylazine (16
mg/kg body weight, i.p.) (Bayer, Wuppertal, Germany) and secured in a David Kopf
Instruments (Tujunga, CA) stereotaxic apparatus. Stainless-steel guide cannulae (26 gauge, 8mm length) were implanted bilaterally 1 mm above the dorsal hippocampus (A/P, -2 mm;
M/L, ±1.3 mm; D/V, 1 mm; relative to dura and bregma) (S1), then fixed in place with dental
cement and two jewel screws attached to the skull. Mice were then allowed to recover in their
home cage for at least 8 days before behavioral experiment. Mice were submitted to a fear
conditioning procedure as previously described.
107
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
Behavioral studies
Fear conditioning procedures
Two days before the beginning of fear conditioning, all mice were individually placed
daily for 4 min into an opaque PVC chamber (30 x 24 x 22 cm) with an opaque PVC floor, in
a brightness of 100 lux. The box was cleaned with 4% acetic acid before each trial. This preexposure allowed the mice to acclimate and become familiar with the chamber used for the
cue alone test. Acquisition of fear conditioning was performed in a different context, a
Plexiglas conditioning chamber (30 x 24 x 22 cm), in a brightness of 60 lux, given access to
the different visual-spatial cues in the experimental room. The floor of the chamber consisted
of 60 stainless-steel rods (2 mm diameter), spaced 5 mm apart and connected to a shock
generator (Imetronic, Pessac, France). The box was cleaned with 70% ethanol before each
trial. Animals were trained with either the cue-shock pairing or unpairing procedure. These
training procedures have been fully described in previous studies (S2-5). Briefly, each animal
was placed in the conditioning chamber for 4 min during which it received two tone cues (63
dB, 1 kHz, 15 s) and two footshocks (ranging from 0.3 to 0.8 mA, 50 Hz, 3 s). When the
presentation of the tone is always followed by the delivery of the shock (cue-shock pairing
procedure) the animals identify the tone cue and not the conditioning context as the main
predictor of the shock (predicting-cue group). In contrast, when the tone presentation is
never followed by shock delivery (cue-shock unpairing procedure) the animals identify the
conditioning context and not the cue as the right predictor of the shock (predicting-context
group). Twenty-four hours later, all mice were submitted to two memory retention tests.
First, mice were exposed to the cue alone during 2 min in the safe and familiar chamber. Two
hours later, mice were exposed to the conditioning context alone during 2 min without the
cue. During these two tests, freezing behavior of animals, defined as a lack of all movement
except for respiratory-related movements, was used as an index of conditioned fear response
(S6). Animals were continuously recorded on videotape for off-line second-by-second scoring
of freezing by an observer blind of experimental groups. Freezing response was calculated as
the percentage of the total time spent freezing during the 2-min period of test.
Intracerebral infusions
Immediately after the acquisition of fear conditioning, animals were replaced in their
home cage and received intrahippocampal bilateral infusions (0.3 µl per side) of
corticosterone (2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin complex; Sigma-Aldrich; 10 ng per side;
CORT) or artificial cerebrospinal fluid (aCSF) . For infusions, the stylets normally obtruding
108
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
the guide cannulae were removed. Stainless-steel cannulae (32 gauge, 9 mm) attached to 1-µl
Hamilton syringes (PolyLabo, Strasbourg, France) with polyethylene catheter tubing were
inserted through the guide cannulae. The syringes were fixed in a constant rate infusion pump
(0.1 µl/min). The cannulae were left in place for an additional 1 min before removal to allow
diffusion of the drug away from the cannulae tips. The doses of corticosterone have been
selected on the basis of previous studies reporting that intrahippocampal corticosterone
infusion of 10 ng after conditioning with low footshock intensity (0.3 mA) increased
contextual fear memories in mice (S7, 8).
Histology
After behavioral testing, animals were given an overdose of pentobarbital and
transcardially perfused with physiological saline, followed by 10% buffered formalin. Brains
were postfixed in formalin-saccharose 30% solution for 1 week, frozen, cut coronally on a
sliding microtome into 60 µm sections that were mounted on gelatin-coated glass slides, and
stained with thionine to evaluate the cannula placements.
Immunohistochemistry
A separate cohort of mice was prepared, conditioned as described before (cue-shock
pairing or unpairing schedule) with the highest shock intensity (0.8 mA) and underwent
intrahippocampal infusions of aCSF or corticosterone (10 ng per side). A group of naive mice,
handled similarly and stayed in their home cages, was used as control. Mice were then killed
90 min after infusions for examination of c-Fos expression.
Mice were deeply anesthetized with pentobarbital (120 mg/Kg) and perfused
intracardiacally with 100 ml of 4% paraformaldehyde (PFA) in 0.1 M Na2HPO4/NaH2PO4
buffer (pH 7.5) at 4°C. Brains were quickly removed, post-fixed one night in the same
fixative solution as described above then in the phosphate buffer (PB)/sucrose 30% solution,
and then coronally sectioned using a sliding microtome. Free-floating sections (50-μm thin)
were rinsed in PB and pretreated with 0.6% H2O2 in PB to reduce endogenous peroxidase
activity. After four rinses in phosphate buffer saline (PBS) (15 min each), sections were
incubated in a blocking solution (4% normal goat serum/0.2% Triton X-100) for 1 h at room
temperature. Then, they were incubated in primary polyclonal rabbit anti-c-Fos antibody
(Oncogene Research Products; 1/10000 dilution) diluted in the blocking solution overnight at
room temperature. Subsequently, sections were washed four times with PBS and incubated
for 2 h at room temperature with biotinylated goat anti-rabbit IgG (Jackson Immunoresearch;
109
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
1/2000 dilution in PBS) followed by 2 h incubation at room temperature in the avidin-biotin
peroxidase complex (Vectastain Elite kit; Vector Laboratories). Sections were rinsed in PBS
and then 0.05 M Tris (pH 7.6). The peroxidase reaction end-product was visualized by
incubating sections in Tris containing 3,3’-diaminobenzidine tetrahydrochloride (SigmaAldrich, 0.1%) as chromogen and hydrogen peroxide (0.02%) for 15 min. Finally,
immunolabeled sections were washed in PB, mounted on gelatin-coated slides, dehydrated,
and coverslipped. A videocamera (SONY DXC-950P) attached to a microscope (OLYMPUS
BX 50) and connected to an analysis software (Biocom; Visiolab 2000, V4.50) was used for
labeled cell quantification. Quantifications were carried out at ×10 magnification. Sections
from the dorsal hippocampus were quantified between bregma -2 mm and bregma -2.4 mm
and from the ventral hippocampus were between -2.9 bregma and bregma -3.3 mm (Franklin
& Paxinos, 1997). Dentate gyrus (DG) granular cell layer, CA1 and CA3 pyramidal layers
were targeted. Sections from the lateral (LA), basolateral (BLA) and central (CEA) nuclei of
the amygdala were quantified between bregma -1.2 mm and bregma -1.6 mm. For all brain
regions, 6 measurements (three per hemisphere) were made from 3 different sections per
animal and averaged. Measurements were also averaged between hemispheres for
hippocampal subfields but not for amygdalar nuclei, since we have observed lateralization of
c-Fos expression. The computer automatically counted all positive targets in the regions of
interest excluding noncellular irregularities in the background staining. The experimenter was
blind to the experimental grouping. Results were expressed as number of c-Fosimmunopositive cells per mm2 for each region.
Data analysis
All data are presented as mean + SEM. Statistical analyses were performed with
Statview (SAS Institute, Cary, NC). For the behavioral data, statistical tests were performed
using analysis of variance (ANOVA), with shock intensity (from 0.3 to 0.8 mA), procedure
(predicting-cue vs. predicting-context groups) and treatment (aCSF vs. CORT) as betweengroups factors. ANOVAs were followed by post hoc analyses (Fisher’s PLSD) when
appropriate. For the immunohistochemestry data, groups were compared two by two using
Student’s t-test. Values of P < 0.05 were considered as significant.
110
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
Supporting references
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K. B. J. Franklin, G. Paxinos, The mouse brain in stereotaxic coordinates (Academic
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111
CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT
112
CHAPITRE 2
Effets opposés des glucocorticoïdes dans
l'hippocampe dorsal vs. ventral sur les réponses de
peur conditionnées
Article 2 : Opposite effects of glucocorticoids on fear memories in dorsal vs.
ventral hippocampus.
113
114
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
CHAPITRE 2
Effets opposés des glucocorticoïdes dans l'hippocampe dorsal vs. ventral sur
les réponses de peur conditionnées
(Article 2)
1. Introduction
Une libération importante de glucocorticoïdes lors d’une situation de stress intense
affecte la consolidation mnésique de cet événement dépendante de l’hippocampe (McEwen,
2000; Roozendaal et al., 2003). Ceci pourrait expliquer l’apparition d’un profil mnésique
pathologique comme la mémorisation de stimuli saillants mais peu pertinents au regard de
l’événement traumatique, ainsi que leur décontextualisation (Layton & Krikorian, 2002).
Dans ce cadre, nous venons de voir dans le chapitre 1 qu’une injection de glucocorticoïdes
dans l’hippocampe dorsal après un conditionnement aversif intense (chocs à 0.8 mA) altère le
conditionnement contextuel et conduit les animaux à sélectionner un stimulus discret et
saillant (le son) qui n’était pas prédictif du choc électrique.
De façon intéressante, de nombreuses données conduisent à établir une dissociation
fonctionnelle le long de l’axe dorso-ventral de l’hippocampe chez le rongeur (Moser &
Moser, 1998; Fanselow & Dong, 2010; Segal et al., 2010). Dans le cadre du conditionnement
aversif, l’hippocampe dorsal (HPCd) est clairement requis dans le conditionnement contextuel
et n’est pas nécessaire pour le conditionnement élémentaire à un stimulus discret (comme un
son). Au contraire, l’hippocampe ventral (HPCv) apparait requis dans le conditionnement
élémentaire, tandis que sa contribution dans le conditionnement contextuel semble être
mineure (Maren & Holt, 2004; Hunsaker & Kesner, 2008). De plus, il existe un gradient
d’expression des récepteurs aux corticostéroïdes au sein de l’hippocampe. En effet, l’HPCv
présente globalement un niveau d’expression de récepteurs plus important que l’HPCd
(Robertson et al., 2005). L’ensemble de ces dissociations entre les régions dorsale et ventrale
de l’hippocampe suggère fortement que les glucocorticoïdes pourraient avoir des effets
différents sur les réponses conditionnées de peur en fonction du secteur hippocampique ciblé.
Par ailleurs, les effets mnésiques des glucocorticoïdes dépendent de l’activation des
récepteurs aux glucocorticoïdes (GR) dans l’hippocampe (Oitzl et al., 2001). Bien que
l’activation des GR soit cruciale pour la consolidation d’un conditionnement aversif en
situation émotionnellement modérée (Revest et al., 2005), il a également été montré que
115
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
l’activation des GR est responsable des effets délétères des glucocorticoïdes sur la plasticité
synaptique hippocampique (Segal et al., 2010) ainsi que sur la mémoire spatiale (Conrad et
al., 1999). Toutefois, l’implication des récepteurs de type GR au sein de chaque secteur
hippocampique dans les effets des glucocorticoïdes sur les réponses de peur conditionnées
lors d’une forte situation émotionnelle reste à déterminer.
Ainsi, nous avons déterminé si les effets délétères de la corticostérone sur les réponses
de peur sont dépendants du secteur hippocampique ciblé. Nous avons aussi déterminé dans
quelle mesure les GR des secteurs dorsal et ventral de l’hippocampe pourraient être
responsables des effets de la corticostérone sur les réponses de peur.
2. Résumé des principaux résultats
Expérience 1
Dans un premier temps, nous avons évalué les effets d’une injection de corticostérone
ou de dexaméthasone, un agoniste spécifique des GR, dans l’HPCd sur les réponses de peur
en fonction de la procédure de conditionnement aversif (appariement ou non-appariement
son-choc) en situation émotionnelle intense (0.8mA). Comme observé dans l’étude du
chapitre 1, les résultats montrent que l’injection de corticostérone dans l’HPCd altère le
conditionnement contextuel et induit une RCE au son chez des animaux qui devaient
normalement sélectionner le contexte comme prédicteur du choc (groupe « contexteprédictif »). De plus, l’injection de dexaméthasone reproduit ce même type de profil
mnésique. Ces données indiquent que le profil mnésique induit par l’action des
glucocorticoïdes dans l’HPCd implique l’activation des GR.
Expérience 2
Nous avons ensuite testé si une injection de corticostérone ou une injection de
dexaméthasone dans l’HPCv avaient des effets opposés sur les réponses de peur des injections
ciblées dans l’HPCd. De façon intéressante, l’injection de corticostérone dans l’HPCv induit
un profil de RCE complètement opposé à celui induit par la corticostérone dans l’HPCd. En
effet, les animaux qui devaient normalement sélectionner le son comme prédicteur du choc
(groupe « son-predictif ») présentent maintenant un déficit de conditionnement au son et
expriment au contraire une forte RCE au contexte. De plus, l’injection de dexaméthasone
dans l’HPCv mime les effets délétères de la corticostérone sur le profil de RCE.
116
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
3. Conclusion
Nos résultats montrent que les glucocorticoïdes après une expérience de fort stress
importante ont des effets délétères sur les réponses conditionnées de peur mais opposés en
fonction du secteur hippocampique ciblé. Ces effets sont médiés au sein de l’HPCd et de
l’HPCv par le même type de récepteurs, les GR. Par ailleurs, il a été montré que ces
récepteurs sont responsables d’altérations de l’excitabilité et de la plasticité neuronale à la fois
dans l’HPCd et dans l’HPCv (Maggio & Segal, 2007b, 2009a, 2009b). Par conséquent, les
glucocorticoïdes pourraient altérer la fonction préférentielle du secteur hippocampique ciblé
dans le conditionnement aversif (traitement du contexte dans l’HPCd et traitement du son
dans l’HPCv) et conduire à la sélection incorrecte d’un stimulus (son ou contexte,
respectivement) qui n’était pas prédictif de l’événement aversif.
117
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
118
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
Title: Opposite effects of glucocorticoids on fear memories in dorsal vs.
ventral hippocampus
Authors: Nadia Kaouane1,2, Aline Marighetto1,2, Menahem Segal3, Aline
Desmedt1,2*
1 CNRS UMR 5228, Centre de Neurosciences Intégratives et Cognitives, Talence, France.
2 Université de Bordeaux, Bordeaux, France
3 Department of Neurobiology, The Weizmann Institute, Rehovot, Israel
* Correspondence and reprint request should be addressed to Aline Desmedt
Centre de Neurosciences Intégratives et Cognitives, CNRS UMR 5228,
Avenue des Facultés, Talence, F-33405, France
[email protected]
Running head: Glucocorticoids in hippocampus
Text pages: 18
Figures: 3
Abstract: 243; Introduction: 439; Discussion: 1374 words
Keywords: glucocorticoids receptor, dorsal and ventral hippocampus, fear conditioning, stress
Aknowledgments: This work was supported by the Centre National de la Recherche
Scientifique (CNRS) and the Fédération pour la Recherche sur le Cerveau (FRC) to AD. The
authors have declared that no competing interests exist. We thank F. Naneix for corrections of
the manuscript and helpful discussions and C. Dupuy for animals care. NK designed and
performed the experiments. NK and AD analyzed the data. NK, AM, MS and AD wrote and
revised the manuscript.
119
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
Abstract
High glucocorticoids release under extreme stressful situation can impair memory
consolidation. The hippocampus is a major brain target of glucocorticoids and could be
implicated in theses negative effects on memory. However, recent findings suggest a
functional dissociation along the septo-temporal (dorso-ventral) axis of the hippocampus. In
order to assess the effect of glucocorticoids on memory consolidation, corticosterone was
infused locally in the dorsal or ventral hippocampus (DH and VH, respectively) after
acquisition of fear conditioning. Two procedures of fear conditioning, which differed in the
contingency between an auditory cue and a high-intensity footshock, allow an investigation of
the selection of the cue or the context as the predictor of the shock.
Infusions of corticosterone into the DH impaired contextual fear conditioning and
promoted fear response to the cue in the group for which the context is predictive of the
shock. In contrast, corticosterone infusion into the VH had opposite effects on fear memories.
Animals for which the cue is predictive of the shock did not express fear response to the cue
but did show contextual conditioning. Moreover, infusions of the glucocorticoid receptor
(GR) agonist dexamethasone into DH or VH mimicked the effects of corticosterone on fear
responses, indicating that corticosterone effect may be mediated by activation of GR within
both the DH and VH sectors of the hippocampus.
These findings demonstrate that glucocorticoids, acting on GR, can induce opposite
forms of emotional memory impairment depending on the hippocampal sector where they are
activated.
120
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
Introduction
Exposure to an extreme stress can produce highly fearful memories, which contribute to
the development and symptoms of anxiety disorders (de Quervain et al., 2009). In such
stressful situation, it is well known that excess glucocorticoids specifically impair the
hippocampal-dependent memory consolidation of this event (McEwen, 2000; Roozendaal,
2003), which may explain pathological fear memories (Layton and Krikorian, 2002).
Therefore, investigating the glucocorticoids actions within the hippocampus may have
important implications for understanding the neurobiological mechanisms of anxiety
disorders. In this context, we have recently demonstrated in mice that, under a high stressful
situation, post-training infusion of glucocorticoids into the dorsal hippocampus (DH) impairs
contextual fear memories whilst fear responses for a discrete tone cue never paired with the
footshock now emerge (Kaouane et al., 2010).
Contrary to common belief on the unity of hippocampal operation, a functional
dissociation has been shown recently to exist along the dorsal-ventral axis of the hippocampus
(Fanselow and Dong, 2010). In particular, while contextual learning is assigned to the DH, the
ventral hippocampus (VH) may rather contribute to emotion-related processes (Moser and
Moser, 1998; Bannerman et al., 2004) and particularly to tone fear conditioning (Maren,
1999; Richmond et al., 1999; Bast et al., 2001; Maren and Holt, 2004). However, the
involvement of the VH in contextual fear conditioning remains controversial (Maren and
Holt, 2004; Rudy and Matus-Amat, 2005). Furthermore, whereas the DH is able to express a
high-magnitude long-term potentiation (LTP), the VH has a lower ability to express LTP
(Maggio and Segal, 2007b, a). Nonetheless, the hippocampal sector-dependent effects of high
glucocorticoids levels on fear memories are still elusive.
The effects of glucocorticoids on memory depend on the activation of glucocorticoid
receptors (GR) within the hippocampus (Oitzl et al., 2001). In fear conditioning, GR
activation within the hippocampus is crucial for the consolidation of contextual fear memories
(Donley et al., 2005; Revest et al., 2005; Revest et al., 2010). In contrast, full GR activation
results in impaired spatial memory (Conrad et al., 1999; Brinks et al., 2007). Specific
activation of GR also abolishes in vitro synaptic excitability in both DH and VH (Segal et al.,
2010). Thus, we hypothesized that GR activation within these hippocampal sectors may be
responsible for the glucocorticoids-induced effects on fear memories.
121
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
The aim of the present study was to compare the effects of post-training local infusions
of corticosterone, the major glucocorticoid in the rodent, into either the DH or the VH on the
consolidation of tone and contextual fear memories. Additionally, infusion of the GR agonist
dexamethasone is aimed to assess the extent to which the effect of corticosterone on fear
memories is mediated by GR activation.
Materials and methods
Subjects
For all the experiments, 3-month-old naive male mice (C57Bl/6 JI Co; Charles River
Laboratories, Lyon, France) were individually housed in standard Macrolon cages in a
temperature- and humidity-controlled room under a 12-h light/dark cycle (lights on at 07:00)
and had ad libitum access to food and water. All experiments took place during the light
phase. All animal care and behavioral tests were conducted in compliance with the European
Communities Council Directive (86/609/EEC).
Surgical procedure
Mice were anesthetized with ketamine (80 mg/kg body weight, i.p.) and xylazine (16
mg/kg body weight, i.p.) (Bayer, Wuppertal, Germany) and secured in a David Kopf
Instruments (Tujunga, CA) stereotaxic apparatus. Stainless-steel guide cannulae (26 gauge, 8mm length) were implanted bilaterally 1 mm above either the dorsal hippocampus (A/P, -2
mm; M/L, ±1.3 mm; D/V, 1 mm) or the ventral hippocampus (A/P, -3.6 mm; M/L, ±3 mm;
D/V, 3.3 mm; relative to dura and bregma) (Franklin and Paxinos, 1997), then fixed in place
with dental cement and two jeweler screws attached to the skull. Mice were then allowed to
recover in their home cage for at least 8 days before behavioral experiments.
Fear conditioning procedures
Two days before the beginning of fear conditioning, all mice were individually placed
daily for 4 min in an opaque PVC chamber (30 x 24 x 22 cm) with an opaque PVC floor, in a
brightness of 100 lux. The box was cleaned with 4% acetic acid before each trial. This preexposition allowed the mice to acclimate and become familiar with the chamber used for the
cue alone test. Acquisition of fear conditioning was performed in a different context, a
Plexiglas conditioning chamber (30 x 24 x 22 cm), in a brightness of 60 lux, given access to
122
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
the different visual-spatial cues in the experimental room. The floor of the chamber consisted
of 60 stainless-steel rods (2 mm diameter), spaced 5 mm apart and connected to a shock
generator (Imetronic, Pessac, France). The box was cleaned with 70% ethanol before each
trial. Animals were trained with either the cue-shock pairing or unpairing procedure. These
training procedures have been fully described in previous studies (Calandreau et al., 2005;
Calandreau et al., 2006; Calandreau et al., 2007). Briefly, each animal was placed in the
conditioning chamber for 4 min during which it received two tone cues (63 dB, 1 kHz, 15 s)
and two footshocks (0.8 mA, 50 Hz, 3 s). When the presentation of the tone was always
followed by the delivery of the shock (cue-shock pairing procedure) the animals identified the
tone and not the conditioning context as the main threat predictor (predicting-cue group). In
contrast, when the tone presentation was never followed by shock delivery (cue-shock
unpairing procedure) the animals identified the conditioning context and not the cue as the
right predictor of the threat (predicting-context group) (Fig. 1). The footshock intensity of
0.8 mA has been selected on the basis of a previous study demonstrating that this intensity
induced a high conditioning to the tone in the predicting-cue group or to the context in the
predicting-context group (Kaouane et al., 2010). Twenty-four hours later, all mice were
submitted to two memory retention tests. First, mice were exposed to the cue alone during 2
min in the safe and familiar chamber. Two hours later, mice were exposed to the conditioning
context alone during 2 min without the cue. During these two tests, freezing behavior of
animals, defined as a lack of all movement except for respiratory-related movements, was
used as an index of conditioned fear response (Fanselow, 1980). Animals were continuously
recorded on videotape for off-line second-by-second scoring of freezing by an observer blind
of experimental groups. Freezing response was calculated as the percentage of the total time
spent freezing during the 2-min period of test.
Intracerebral infusions
Immediately after the acquisition of fear conditioning, animals were placed back in their
home cage and received intra-DH or intra-VH bilateral infusions (0.3 or 0.1 µl per side,
respectively) of artificial cerebrospinal fluid (aCSF), corticosterone (2-hydroxypropyl-βcyclodextrin complex; Sigma-Aldrich; 10 ng per side; CORT) or the specific GR agonist
dexamethasone (DEX, 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin complex; Sigma-Aldrich; 1 ng per
side). The dose of corticosterone was selected on the basis of previous study reporting that
post-training intra-DH infusions of 10 ng disturbed the selection of the right predictor of the
shock under a 0.8-mA footshock intensity in mice (Kaouane et al., 2010). The dose of
123
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
dexamethasone (1 ng in 0.1 µl) was selected on the basis of previous studies using intra-DH
infusions of 10 ng in 1 µl in rats (Mizoguchi et al., 2007) and reporting that dose 10-fold
lower than for corticosterone is efficient to mimic in vitro corticosterone effects (Maggio and
Segal, 2007a; Chaouloff et al., 2008). For infusions, the stylets normally obtruding the guide
cannulae were removed. Stainless-steel cannulae (32 gauge, 9 mm) attached to 1-µl Hamilton
syringes (PolyLabo, Strasbourg, France) with polyethylene catheter tubing were inserted
through the guide cannulae. The syringes were fixed in a constant rate infusion pump (0.1
µl/min). The cannulae were left in place for an additional 1 min before removal to allow
diffusion of the drug away from the cannulae tips.
Histology
After behavioral testing, animals were given an overdose of pentobarbital and
transcardially perfused with physiological saline, followed by 10% buffered formalin. Brains
were postfixed in formalin-sucrose 30% solution for 1 week, frozen, cut coronally on a sliding
microtome into 60 µm sections that were mounted on gelatin-coated glass slides, and stained
with thionine to evaluate the cannula placements.
Data analysis
Conditioned fear responses to the tone and to the context were expressed as the mean of
the percentage of freezing during the 2-min tone presentation or during the 2-min period of
the context test. Data are presented as the mean + SEM. Statistical analyses were performed
using analysis of variance (ANOVA) followed by Fisher’s PLSD post hoc test when
appropriate (Statview; SAS Institute, Cary, NC).
Results
Experiment 1: Intra-DH CORT or DEX switched the selection from the context to the
cue as predictor of the shock.
On the basis of a previous study (Kaouane et al., 2010) showing that intra-DH CORT
infusions can disturb the identification of the right predictor of the shock occurrence, we have
investigated whether specific GR activation within the DH could be responsible for such
CORT effects. For this, we assessed whether the corticosterone effects can be mimicked by
the specific GR agonist dexamethasone.
124
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
The final group sizes were as follows: predicting-cue control group aCSF (n = 7),
predicting-cue group CORT (n = 7), predicting-cue group DEX (n = 9), predicting-context
control group aCSF (n = 8), predicting-context group CORT (n = 7), predicting-context DEX
(n = 6).
Cue alone test
Freezing during the cue presentation is shown in Fig. 2A. As expected in controls
(aCSF-infused mice), the predicting-cue group displayed a higher fear response to the cue
than the predicting-context group. Infusions of glucocorticoids abolished this procedure
effect. Indeed, intra-DH corticosterone induced fear response to the cue in the predictingcontext group but had no effect in the predicting-cue group. Interestingly, DEX infused into
the DH mimicked the effects of CORT by inducing fear responses to the tone in the
predicting-context group.
A two-way ANOVA, with procedure and treatment as between-groups factors,
confirmed this description and showed a significant effect of procedure [F(1,38) = 9.01, P <
0.01] and a significant procedure x treatment interaction [F(2,38) = 6.13, P < 0.01]. Indeed,
cue conditioning was dependent on the procedure only in the aCSF-infused control mice,
attested by a higher percentage of freezing to the tone in the predicting-cue than in the
predicting-context group. A one-way ANOVA confirmed that the effect of the procedure was
observed in the aCSF-infused control groups [F(1,13) = 20.18, P < 0.001]. However CORT
and DEX infusions abolished the difference in freezing response between the predicting-cue
and predicting-context groups [F(1,12) = 0.12, ns and F(1,13) = 1.65, ns respectively]. In
particular, the effect of glucocorticoids was observed in the predicting-context groups
[F(2,18) = 10.26, P < 0.01] but not in the predicting-cue groups [F(2,20) = 0.87, ns].
Specifically, in predicting-context group, CORT- and DEX-infused mice differed from aCSFinfused mice [Fisher’s PLSD test P < 0.001 and P < 0.01 respectively], but did not differ from
each other [Fisher’s PLSD test P > 0.05]. This demonstrates that the action of CORT on GR
within the DH is involved in glucocorticoids-induced cue conditioning.
These results cannot be attributable to differences in pre-tone freezing [predicting-cue
control group 15.0 ± 4.5, predicting-context control group 9.9 ± 1.0, predicting-cue group
CORT 12.8 ± 3.5, predicting-context group CORT 13.2 ± 2.8, predicting-cue DEX group 12.8
± 2.1, predicting-context group DEX 13.5 ± 2.6]. Indeed, an ANOVA conducted on pre-tone
freezing values revealed no significant effect of treatment [F(2,38) = 0.04, ns], procedure
[F(1,38) = 0.34, ns] or treatment x procedure interaction [F(2,38) = 0.68, ns].
125
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
Context alone test
We next examined if, on the same CORT and DEX-infused animals, the induction of
cue conditioning was associated with an impairment of fear response to the conditioning
context (Fig. 2B). As expected, in controls (aCSF-infused mice), the predicting-context group
displayed a higher fear response to the conditioning context than the predicting-cue group.
Infusions of CORT or DEX both abolished this procedure effect by decreasing the level of
fear response to the context.
A two-way ANOVA, with procedure and treatment as between-groups factors,
confirmed this description and showed a significant effect of procedure [F(1,38) = 5.45, P <
0.05], treatment [F(1,38) = 6.20, P < 0.01] and a significant procedure x treatment interaction
[F(2,38) = 7.04, P < 0.01]. Indeed, context conditioning was dependent on the procedure only
in the aCSF-infused control mice, attested by a higher percentage of freezing to the context in
the predicting-context than in the predicting-cue group. A one-way ANOVA confirmed that
the effect of the procedure was observed in the aCSF-infused control groups [F(1,13) = 12.72,
P < 0.01]. However CORT and DEX infusions abolished the difference in freezing response
between predicting-cue and predicting-context groups [F(1,12) = 0.15, ns and F(1,13) = 0.31,
ns respectively]. In particular, the effect of the treatment was observed in the predictingcontext groups [F(2,18) = 8.42, P < 0.01] but not in the predicting-cue groups [F(2,20) = 0.87,
ns]. Specifically, in predicting-context group, CORT- and DEX-infused mice differed from
aCSF-infused mice [Fisher’s PLSD test both P < 0.01], but did not differ from each another
[Fisher’s PLSD test P > 0.05].
Both infusions of CORT and DEX in the dorsal part of the hippocampus impaired
contextual fear responses and promoted cue fear responses. Thus, CORT, via this action on
the GR in the dorsal hippocampus, switched the selection from the context to the cue as the
right predictor of the occurrence of the shock.
Experiment 2: Intra-VH CORT or DEX switched the selection from the cue to the
context as predictor of the shock.
While the processing of contextual information is assigned to dorsal part of the
hippocampus, the ventral part is associated with tone cue conditioning (Maren and Holt,
2004). Interestingly, GR activation produces a same in vitro impairment of neuronal plasticity
in DH and VH. Thus, we hypothesized that infusions of CORT or DEX in VH should produce
an opposite effect on fear memories as compared to DH infusions.
126
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
The final group sizes were as follows: predicting-cue control group aCSF (n = 8),
predicting-cue group CORT (n = 8), predicting-cue group DEX (n = 8), predicting-context
control group aCSF (n = 8), predicting-context group CORT (n = 7), predicting-context DEX
(n = 7).
Cue alone test
While intra-DH infusions of CORT induced conditioned fear response to the cue
(Experiment 1), infusions of CORT in the VH decreased the high level of fear responses to
the cue observed in the control predicting-cue group, but had no effect on fear response in the
predicting-context group (Fig. 3A). As CORT infusions, intra-VH infusions of DEX also
abolished cue fear responses in the predicting-cue group, suggesting that, like in the DH,
CORT effect on fear response was mediated by GR.
The two-way ANOVA with procedure and treatment as factor confirmed this
description of data and showed a significant effect of procedure [F(1,40) = 13.43, P < 0.001]
and a significant procedure x treatment interaction [F(2,40) = 9.82, P < 0.001]. Separate
analysis shown that significant effect of procedure were only observed in aCSF-infused
control group [F(1,14) = 25.95, P < 0.001]. In contrast, CORT- and DEX-infusions abolished
the difference in freezing response between predicting-cue and predicting-context groups
[F(1,13) = 1.46, ns and F(1,13) = 0.15, ns respectively]. Interestingly, and contrary to intraDH infusions (Experiment 1), the effect of glucocorticoids infusions was observed in the
predicting-cue group but not in the predicting-context group [F(2,21) = 9.56, P < 0.01 and
F(2,19) = 1.81, ns respectively]. Moreover, in the predicting-cue group, CORT- and DEXinfused mice differed from control mice [Fisher’s PLSD test P < 0.01 and P < 0.001
respectively], and did not differ from each other [Fisher’s PLSD test P > 0.05], demonstrating
that the action of CORT on GR within the VH is involved in the glucocorticoids-dependent
impairment of cue conditioning.
Although intra-VH CORT and DEX induced an increase of freezing levels before the
cue presentation compared to aCSF-infused mice [predicting-cue control group 12.8 ± 2.7,
predicting-context control group 11.2 ± 3.4, predicting-cue group CORT 19.1 ± 2.6,
predicting-context group CORT 19.2 ± 1.8, predicting-cue DEX group 18.1 ± 1.1, predictingcontext group DEX 17.9 ± 3.2; treatment effect F(2,40) = 4.39, P < 0.05], all CORT- and
DEX-infused animals exhibited significant decrease in freezing levels during tone
presentation. This attested a deficit in cue-conditioning. Indeed, in the control mice, freezing
levels were increased in the predicting-cue group and decreased in the predicting-context
127
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
group. A repeated measures ANOVA, with block (tone versus pre-tone) as within-groups and
procedure as between-groups factors, showed a significant effect of procedure [F(1,14) = 4.6,
P = 0.05] and a significant procedure x block interaction in the control group [F(1,14) =
16.87, P < 0.01]. Separate analysis for each procedure confirmed that, compared to the pretone, freezing during the tone significantly increased in control predicting-cue group [F(1,7) =
13.67, P < 0.01] while it decreased in control predicting-context group [F(1,7) = 7.46, P <
0.05]. In contrast, CORT- and DEX-infused mice exhibited a significant decrease of freezing
during the tone [effect of block, F(1,13) = 47.10, P < 0.001 and F(1,13) = 47.53, P < 0.001,
respectively] whatever the procedure [interaction procedure x block, both F < 0.66, ns].
Context test
We thus examined in the same animals whether contextual fear response was affected
by intra-VH infusions of CORT or the GR agonist DEX (Fig. 3B). Infusions of CORT into
the VH had the opposite effect on contextual fear conditionning than observed after DH
infusions. Indeed, even though CORT in DH abolished contextual fear responses in the
predicting-context group, the same drug in the VH abolished the difference between the
predicting-cue and predicting-context groups by inducing high contextual fear responses in
the predicting-cue groups. DEX had the same behavioral effects, indicating that GR mediates
CORT effects on fear memories.
A two-way ANOVA confirmed this description and showed a significant procedure x
treatment interaction [F(2,40) = 8.61, P < 0.001]. Separate analysis for each drug infusions
showed that context conditioning was dependent on the procedure only in the aCSF-infused
control mice. This is attested by a higher percentage of freezing to the context in the
predicting-context than in the predicting-cue groups [F(1,14) = 8.88, P < 0.05]. However
difference in contextual freezing between the predicting-cue and predicting-context groups
was not observed with CORT or DEX infusions [F(1,13) = 0.57, ns and F(1,13) = 5.51, ns
respectively]. In particular, separate analysis for each procedure showed that glucocorticoids
had an effect restricted to the predicting-cue groups [F(2,21) = 14.55, P < 0.001 and F(2,19) =
1.54, ns for predicting-context groups]. Moreover, in the predicting-cue group, CORT- and
DEX-infused mice differed from aCSF-infused mice [Fisher’s PLSD test P < 0.001 both], but
did not differ from each other [Fisher’s PLSD test P > 0.05].
Both infusions of CORT and DEX in the ventral part of the hippocampus impaired cue
fear responses and increased contextual fear responses. Thus, GR-mediated glucorticoids
effect in the VH switched the identification from the context to the cue as the shock predictor.
128
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
In summary, infusions of CORT into the VH induced a pattern of conditioned fear
responses which was the exact opposite of that one induced by the same treatment into the
DH. Intra-VH infusions of DEX mimicked the CORT effects. Thus, as within the DH, GR
activation within the VH mediates the CORT-induced alterations of fear memories.
Discussion
The present study shows that infusion of CORT alters differentially fear memories
depending on the hippocampal sector targeted. In accordance with previous data, intra-DH
CORT infusion impairs contextual fear conditioning and induces fear responses to a non
predicting discrete cue, a tone never paired with the shock (Kaouane et al., 2010). Strikingly,
intra-VH infusion produces the exact opposite pattern, i.e. impairment of cue fear
conditioning and induction of fear response to the conditioning context which was not a
predictor of the shock. Moreover, the same corticosteroid receptors subtype (GR) is recruited
to produce opposite actions on fear memories in the two sectors of the hippocampus.
Our first experiment shows that CORT infusion into the DH specifically reduced
conditioned freezing levels to the context in the predicting-context group for which the
context is the right predictor of the shock (cue-shock unpairing procedure). There is evidence
that the dorsal part of the hippocampus is crucial for contextual fear conditioning (Kim and
Fanselow, 1992; Phillips and LeDoux, 1992; Anagnostaras et al., 2001). Indeed, the DH
receives the major input of visuo-spatial information from the sensory cortices (Amaral and
Witter, 1995) and supports the establishment of a unified representation of the context (Rudy
et al., 2002; Matus-Amat et al., 2004). The impairment of contextual fear conditioning is also
consistent with previous studies showing that CORT has differential effect on contextual
memories. Under low stress situation, low to moderate doses of CORT increases the
magnitude of contextual fear memories (Pugh et al., 1997; Cordero and Sandi, 1998; Revest
et al., 2005; Abrari et al., 2009; Revest et al., 2010). However, administration of high levels of
CORT can disrupt hippocampal-dependent memory such as spatial memory (de Quervain et
al., 1998; Conrad et al., 1999). Nevertheless, our studies are, to our knowledge, the first
showing that CORT can reduce contextual fear memories under high stressful situation
(Kaouane et al., 2010).
129
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
CORT infusions into the DH also resulted in the selection of the discrete tone cue
instead of contextual cues as predictor of the shock. Similar switch from contextual to cue
fear conditioning was already observed after pharmacological manipulations that reduced
dorsal hippocampal activity (Calandreau et al., 2006). This indicates that, when the
consolidation of predicting contextual information is disrupted in the DH, the consolidation
processes would be engaged for a cue-shock association, which does not require the DH, and
despite the absence of any explicit cue-shock pairing during training. Interestingly, it is not
surprising that CORT infusion had no effect in the predicting-cue group, since the DH is
apparently not involved in tone cue fear conditioning (Kim and Fanselow, 1992; Phillips and
LeDoux, 1992).
Our second experiment demonstrates that post-training intra-VH infusion of CORT
impaired tone cue conditioning. Conditioned fear to a discrete tone involves a brain circuit
restricted to the amygdala and the thalamus (LeDoux, 2000). However, numerous studies
have reported that tone cue conditioning can be impaired by electrolytic (Maren and Holt,
2004), neurotoxic lesions (Maren, 1999; Richmond et al., 1999; Bast et al., 2001; Zhang et al.,
2001) or inactivation of the VH (Maren and Holt, 2004; Esclassan et al., 2009). Because the
VH is monosynaptically connected with the amygdala (Maren and Fanselow, 1995; Pitkanen
et al., 2000), it could contribute to amygdala-based cue-shock fear learning. Its contribution
can be similar to the one of the DH for contextual information (Rudy and O'Reilly, 2001), i.e.
by coding characteristics of the tone (Sakurai, 2002) and supporting a tone representation
(Hunsaker and Kesner, 2008). Moreover, further studies have reported an implication of
glucocorticoids on fear response to a discrete cue. In particular tone fear conditioning is
increased by systemic administrations of CORT under low aversive situation (Hui et al.,
2004; Marchand et al., 2007). However, to our knowledge, our study is the first to show that
tone cue conditioning is reduced by selective CORT infusion into the VH after high stressful
situation. Thus, CORT can be deleterious for cue-shock fear learning by acting in the VH
after a high stressful situation.
Intra-VH CORT infusion also increased conditioned freezing to the context in animals
for which the tone is the best predictor of the shock. The role of the VH in contextual fear
conditioning is unclear since various results have been reported after lesion or inactivation of
the VH (Bast et al., 2001; Zhang et al., 2001; Kjelstrup et al., 2002; Maren and Holt, 2004;
Rudy and Matus-Amat, 2005; Hunsaker and Kesner, 2008; Esclassan et al., 2009).
Nonetheless, the VH receives little visuo-spatial information from the sensory cortices
130
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
(Amaral and Witter, 1995; Pitkanen et al., 2000). So, the VH appears to be less essential than
the DH for processing contextual information.
Alternatively, the VH appears to be also involved in unconditioned aspects of fear and
anxiety (Richmond et al., 1999; Bannerman et al., 2004). Indeed, studies have shown that
lesion or inactivation of the VH reduce unconditioned freezing (Kjelstrup et al., 2002;
Esclassan et al., 2009). Moreover, an acute treatment of high-dose of CORT is known to
induce anxiety-related behavior in rodents (Mitra and Sapolsky, 2008). In accordance with
theses studies, our results showed that intra-VH infusion of CORT increased freezing levels to
a familiar and safe context. Therefore, it could be possible that CORT, acting directly in the
VH, can have anxiogenic effects besides the impairment of the cue-shock learning.
Interestingly, our results indicate that the same subtype of corticosteroid receptors
within both the DH and VH mediates the opposite alterations of fear memories induced by
CORT. Indeed, infusion of the specific GR agonist DEX into either the DH or the VH
mimicked the CORT-induced alterations of fear memories. CORT can act on two subtypes of
nuclear receptors: the high-affinity mineralocorticoid receptor (MR) and the low-affinity
glucocorticoid receptor (GR) (de Kloet et al., 1998). Interestingly, MR and GR were found in
the hippocampus and were often co-localized on the same neurons (Joels, 2007). At the basal
level, only the MR are occupied. During mild stress, the increase of CORT levels results in
full MR and moderate GR occupancy. In this case, further studies have shown that CORT
enhances synaptic plasticity in the hippocampus (Diamond et al., 1992). This effect could
mediate the facilitating effects of glucocorticoids on hippocampal-dependent memory
function (Conrad et al., 1999; Brinks et al., 2007).
On the other hand, it is known that full GR occupancy, which occurred during high
stress, impairs synaptic excitability and hippocampal-dependent memory functions (Conrad et
al., 1999; Brinks et al., 2007). Specifically, GR activation in the DH was shown to disrupt
excitability and synaptic plasticity (Diamond et al., 1992; Kim and Yoon, 1998; Garcia, 2001;
Maggio and Segal, 2007a), which is crucial for contextual fear conditioning (Sacchetti et al.,
2001). Similarly, recent studies have demonstrated that specific GR activation results in low
excitability and synaptic plasticity in the VH (Maggio and Segal, 2007b, a, 2009b, a), which
could explain the disruption of the cue conditioning.
As mentioned before, DH and VH contribute differentially to fear conditioning. Then,
GR activation seems to affect the main function of the targeted hippocampal sector (context
or tone processing, respectively) by impairing excitability and synaptic plasticity.
131
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
In conclusion, our study shows that glucocorticoids alter fear memories in an opposite
way as a function of the hippocampal sector, providing evidence for a functional dissociation
between the DH and the VH in the action of glucocorticoids on fear memories. These findings
indicate that glucocorticoids, under high stressful situation, first produce the incorrect
selection of a stimulus that was not the best predictor of an aversive event, and second have
opposite memory effects depending on the hippocampal sector considered. This dissociation
could be related to the development of emotional disorders. For example, specific alterations
in the posterior (dorsal in animals) hippocampus are linked with posttraumatic stress disorder
in which hypermnesia for a salient trauma-related cue is associated with amnesia for
peritraumatic contextual cues (APA, 2000; Elzinga and Bremner, 2002; Bonne et al., 2008).
In contrast, the anterior (ventral in animals) hippocampus may be more involved in anxietyrelated behaviors in which contextual fear is increased (Degroot and Treit, 2004). Thus, our
study contributes to the understanding of various memory effects of high glucocorticoids
levels in high stressful events. This may explain the constellation of memory alterations
observed after high stressful events.
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137
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
Figure 1
FEAR CONDITIONING
Cue-shock pairing
cue
Cue-shock unpairing
or
context
context
Predicting
context
cue
Predicting
cue
shock
shock
INTRA-HIPPOCAMPAL INFUSIONS
aCSF
or
CORT 10 ng
or
DEX 1 ng
Intra-DH: 0.3 µL per side or Intra-VH: 0.1 µL per side
MEMORY TESTS (24 h later)
Context alone test
Cue alone test
2h
Figure 1. Experimental design of behavioral procedure. Mice were either submitted to a
cue-shock pairing procedure (predicting-cue group) or to a cue-shock unpairing procedure
(predicting-context group). Immediately after conditioning, animals received intrahippocampal infusions of artificial cerebrospinal fluid (aCSF), corticosterone (CORT) or
dexamethasone (DEX). Twenty four hours later, mice were first re-exposed to the cue alone
in a safe and familiar chamber, then (2 h later) they were re-exposed to the conditioning
context alone. During theses tests, the freezing responses were measured during a 2-min
period.
138
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
Figure 2
A
Cue alone
B
30
###
20
10
0
Context alone
30
% Freezing
% Freezing
40
##
20
**
10
##
##
***
aCSF
CORT
0
DEX
Predicting-cue
aCSF
CORT
DEX
Predicting-context
Figure 2. Intra-DH CORT or DEX switched the selection from the context to the cue as
predictor of the shock. Percentage of freezing (mean + SEM) during re-exposition to the cue
alone (A) and during re-exposition to the context alone (B) for the predicting-cue and
predicting-context groups received intra-DH infusions of aCSF, CORT or DEX. * indicates
the procedure effect (predicting cue vs. predicting context group; ** P < 0.01 and *** P <
0.001); # indicates the treatment effect (aCSF vs. CORT or aCSF vs. DEX; ## P < 0.01 and
### P < 0.001).
139
CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral
Figure 3
A
Cue alone
B
Context alone
30
30
20
***
##
###
10
0
aCSF
% Freezing
% Freezing
###
CORT
###
20
10
0
DEX
Predicting-cue
*
*
aCSF
CORT
DEX
Predicting-context
Figure 3. Intra-VH CORT or DEX switched the selection from the cue to the context as
predictor of the shock. Percentage of freezing (mean + SEM) during re-exposition to the cue
alone (A) and during re-exposition to the context alone (B) for the predicting-cue and
predicting-context groups received intra-VH infusions of aCSF, CORT or DEX. * indicates
the procedure effect (predicting cue vs. predicting context group; ** P < 0.01 and *** P <
0.001); # indicates the treatment effect (aCSF vs. CORT or aCSF vs. DEX; ## P < 0.01 and
### P < 0.001).
140
CHAPITRE 3
Altération de la mémoire relationnelle par les
glucocorticoïdes intra-hippocampiques :
vulnérabilité par un stress antérieur
Article 3 : Glucocorticoids impair relational/declarative memory in mice
previously exposed to stress.
141
142
CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle
CHAPITRE 3
Altération de la mémoire relationnelle par les glucocorticoïdes intrahippocampiques : vulnérabilité par un stress antérieur
(Article 3)
1. Introduction
Le déficit de la mémoire déclarative peut être considéré comme au cœur des altérations
mnésiques de l’ESPT. En effet, les sujets sont incapables de construire une mémoire
épisodique de l’événement traumatique, ce qui pourrait expliquer la reviviscence de
l’événement sous un format implicite (APA, 2000; Elzinga & Bremner, 2002). Afin de
comprendre les mécanismes sous-jacents de cette altération, une première étape serait
d’observer chez l’animal l’induction par un stress de déficits spécifiques de la mémoire
relationnelle, analogue de la mémoire déclarative chez le rongeur, sans altération d'une forme
de mémoire implicite pour les mêmes informations.
L’action des glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal pourrait jouer un rôle essentiel
dans le développement de déficits de mémoire relationnelle liés au stress. En effet, une forte
dose de glucocorticoïdes peut induire des altérations de la mémoire déclarative chez l’Homme
(Lupien et al., 1998; de Quervain et al., 2000) et de la mémoire spatiale chez l’animal (Oitzl et
al., 1994; de Quervain et al., 1998; Conrad et al., 1999). De plus, l’hippocampe est crucial
pour la mémoire déclarative humaine (Zola-Morgan & Squire, 1990) et plus particulièrement
le secteur dorsal pour la mémoire relationnelle chez le rongeur (Bannerman et al., 2004;
Mingaud et al., 2007). Enfin, nous avons montré que l’injection de glucocorticoïdes
spécifiquement dans l’hippocampe dorsal altère le traitement du contexte dans une tâche de
conditionnement aversif (Chapitres 1 et 2). Toutefois, les effets d’injections de
glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal sur la mémoire relationnelle chez le rongeur sont
méconnus.
Par ailleurs, un facteur de risque majeur pour le développement de l’ESPT est la préexposition à des épisodes traumatiques au cours de la vie du sujet, ce qui contribuerait à
fragiliser l’hippocampe, augmentant sa vulnérabilité à un stress ultérieur (Gilbertson et al.,
2002; Yehuda, 2004). Cependant, l’influence de ce facteur de risque a jusqu’ici été très peu
observé sur le développement de déficits spécifiques de mémoire relationnelle chez le rongeur
143
CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle
Nous avons donc évalué si des injections de glucocorticoïdes dans l’hippocampe
dorsal pouvaient contribuer à l’émergence d’un déficit spécifique de la mémoire
relationnelle chez la souris et si ce déficit pouvait dépendre d’un préalable épisode de
stress.
Dans cette étude préliminaire, afin d’évaluer la mémoire relationnelle chez un modèle
murin, nous avons utilisé un modèle comportemental d’apprentissage spatial en labyrinthe
radiaire qui permet de dissocier une mémoire procédurale (implicite) lors de la phase
d’acquisition, d’une mémoire relationnelle nécessitant la mise en relation des mêmes
informations lors d’une phase ultérieure de test (Marighetto et al., 1999). Au cours de la phase
d’acquisition, les animaux doivent d’abord discriminer des bras selon leur valence (appâtés ou
non appâtés), présentés de façon séparée et successive (go/no-go). Cette phase, dépendante du
striatum, implique également l’activité de l’hippocampe sans que celui-ci soit nécessaire pour
l’apprentissage per se (Mingaud et al., 2008). La phase de test consiste à présenter les mêmes
bras mais de façon simultanée (par paire). Les animaux sont ainsi confrontés à un choix entre
deux bras de valence opposée, les obligeant à comparer, contraster et mettre en relation les
informations acquises séparément en vue de résoudre ce problème nouveau. Cette
présentation des bras par paires est une situation nouvelle permettant ainsi d’évaluer la
flexibilité de la mémoire et est dépendante de la fonctionnalité hippocampique lors de la
phase d’acquisition (Mingaud et al., 2007).
2. Résumé des principaux résultats
Nos résultats préliminaires montrent que des injections de corticostérone dans
l’hippocampe dorsal lors de l’acquisition de la tâche peuvent altérer les performances en
mémoire relationnelle tout en préservant l’acquisition et la rétention de ces informations en
mémoire procédurale (go/no-go). De façon intéressante, ce déficit de mémoire relationnelle
est observé que chez des animaux ayant au préalable vécu un épisode de stress (exposition à
des chocs électriques). Ainsi, cette étude, qui devra être complétée, indique qu’une préexposition à une situation se stress est un facteur de prédisposition important dans l’apparition
de déficits spécifiques de mémoire relationnelle induits par l’action des glucocorticoïdes dans
l’hippocampe dorsal.
144
CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle
3. Conclusion
Nos résultats montrent que des injections de glucocorticoïdes, associées à un stress
préalable, préservent l’expression d’une forme de mémoire implicite mais perturbent
l’expression d’une mémoire relationnelle pour les mêmes informations. Cette étude suggère
qu’un épisode de stress initial peut constituer un important facteur de risque à l’émergence de
perturbations de la mémoire déclarative lors d’un stress ultérieur. Il a été montré chez l’animal
qu’un épisode de stress rend l’hippocampe plus vulnérable aux effets délétères d’un stress
ultérieur (Conrad, 2008). Nos données, en accord avec celle de la littérature, renforcent donc
l’hypothèse selon laquelle des altérations préalables de l’hippocampe, pouvant être induites
par un épisode traumatique antérieur, prédisposeraient des individus au développement de
troubles anxieux de type ESPT (Yehuda et al., 2007). Dans cette pathologie, le déficit de
mémoire déclarative et associé à une préservation de la mémoire implicite liée aux mêmes
informations relatives à l’événement traumatique.
145
CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle
146
CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle
Title: Glucocorticoids impair relational/declarative memory in mice
previously exposed to stress
Authors: Nadia Kaouane1,2, Aline Marighetto1,2, Aline Desmedt1,2*
1 CNRS UMR 5228, Centre de Neurosciences Intégratives et Cognitives, Talence, France.
2 Université de Bordeaux, Bordeaux, France
* Correspondence and reprint request should be addressed to Aline Desmedt
Centre de Neurosciences Intégratives et Cognitives (UMR 5228)
Avenue des Facultés, Talence, F-33405, France
[email protected]
Running head: Glucocorticoids and relational memory
Text pages: 13
Figures: 2
Abstract: 207; Introduction: 494; Discussion: 1050
Keywords: glucocorticoids, hippocampus, radial maze, relational memory, stress
Aknowledgments:
This work was supported by the Centre National de la Recherche
Scientifique (CNRS) and the Fédération pour la Recherche sur le Cerveau (FRC) to AD. The
authors have declared that no competing interests exist. We thank F. Naneix and L. BraydaBruno for corrections of the manuscript and helpful discussions, M. Mondesir for
experimental help and D. Panzeri, N. Argenta and J. Huard for animals care. NK designed,
and performed the experiments. NK and AD analyzed the data. NK, AM and AD wrote and
revised the manuscript.
147
CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle
Abstract
Deficits in declarative memory are present in numerous psychiatric disorders including
posttraumatic stress disorder. In this disorder, declarative amnesia for trauma-related
information is associated with preservation of implicit recall for the same information. We
have developed a behavioral model, a two-stage radial maze paradigm, which is precisely
devoted to the assessment in mice of declarative-like (relational) and implicit (procedural)
memory for the same acquired information. In stage 1 (“go/no-go”), mice learnt to
discriminate baited arms from the other arms, while they are separately presented. In stage 2
(“two-choice” test), mice are challenged with novel presentation of the arms by pairs.
Previous experiments have demonstrated that the “two-choice” situation is a critical test for
relational/declarative memory (R/DM). We hypothesized that action of glucocorticoids stress
hormones in the hippocampus and previous stress exposure are potential causes of emergence
of R/DM deficits. The results showed that intrahippocampal infusions of glucocorticoids
during the initial “go/no-go” learning stage of the radial maze task produced, subsequently,
selective deficits in R/DM only in animals which were previously exposed to stress.
Furthermore, glucocorticoids infusions, previous stress exposure or their combination
preserved implicit memory performances. This study indicates that a pre-exposure to stress is
an important vulnerability factor to the emergence of glucocorticoid-induced declarative
memory deficits.
148
CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle
Introduction
Declarative memory (DM) is defined as the memory of events and required the integrity
of the hippocampus (Cohen and Squire, 1980). Impairment of DM is an important symptom
of posttraumatic stress disorder (PTSD), a psychopathology induced in 20 to 60% of subjects
submitted to traumatic events (APA, 2000). In contrast, implicit memory (non-DM), which is
not dependent on the hippocampus, appears to be preserved in PTSD (McNally, 1997).
Further studies have shown that, in animals, stress selectively impairs hippocampal-dependent
spatial memory (McEwen, 2000; Roozendaal, 2003). However, relational theories suggest
that flexibility, the ability to compare and contrast separately acquired information to guide
inferential decision in novel situations, is a fundamental property of DM that can be assessed
in animals (Cohen, 1984). Less is known about stress effects on relational/declarative memory
(R/DM). Identifying the neurobiological mechanisms of selective R/DM deficits is crucial for
a better understanding of the development of PTSD-related memory alterations. A first step
would be to show in animals a specific stress-induced deficit in R/DM associated with
preservation of non-R/DM for the same information.
Glucocorticoids secreted in response to stress preferentially act on the hippocampus,
their main brain target (de Kloet et al., 1998). Moreover, high levels of these hormones are
well-known to impair DM in human (Lupien et al., 1997) and mediate stress-induced deficits
in spatial memory (Oitzl et al., 1994; Conrad et al., 1999) and hippocampal plasticity
alterations (Diamond et al., 1992; Avital et al., 2006) in animals. In particular, we have
recently demonstrated that infusion of corticosterone into the dorsal hippocampus after high
stress in mice impairs contextual fear conditioning (Kaouane et al., 2010). Thus, high levels
of intrahippocampal glucocorticoids may also be in part responsible for deficits in R/DM
while preserving non-R/DM.
Nonetheless, one episode of stress or the associated increased glucocorticoids levels
may be insufficient to alter R/DM. Indeed, psychiatric studies indicate that stressful individual
history may predispose to the development of PTSD (Gilbertson et al., 2002; Yehuda, 2004).
It was also found in animal models that previous exposure of stress exacerbates the behavioral
consequences of subsequent exposure of stress (Avital et al., 2006; Tsoory et al., 2007).
However, it remains to determine whether a previous stressful episode can be a risk factor for
the development of stress-induced R/DM deficits in animals.
149
CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle
Collectively, these studies highly suggest that high glucocorticoids levels in the
hippocampus may selectively disrupt R/DM and that the emergence or the severity of
memory deficits may depend on the stress history. The aim of this study is to assess the
effects of intrahippocampal infusions of high-dose corticosterone, combined or not with a
previous stress exposure, on R/DM and non-R/DM performance. Toward this end, we used a
two-stage radial maze paradigm that can dissociate between expression of R/DM and nonR/DM related to the same acquired information. This behavioral paradigm was previously
shown to capture the selective R/DM deficits of mice with hippocampal alterations
(Marighetto et al., 1999; Etchamendy et al., 2003; Mingaud et al., 2007).
Materials and methods
Animals
36 male naïve mice (C57Bl/6 JI Co; Charles River Laboratories, Lyon, France) were
obtained at the age of 2 months. Upon arrival they were caged in groups, housed in a
temperature- and humidity-controlled room under a 12-h light/dark cycle (lights on at 07:00)
and had ad libitum access to food and water. After 3-4 weeks and 1 week before the surgery,
the animals were housed singly in standard Macrolon cages. All experimental manipulations
took place during the light phase. All animal care and behavioral tests were conducted in
compliance with the European Communities Council Directive (86/609/EEC).
Surgical procedure
Mice were anesthetized with ketamine (80 mg/kg body weight, i.p.) and xylazine (16
mg/kg body weight, i.p.) (Bayer, Wuppertal, Germany) and secured in a David Kopf
Instruments (Tujunga, CA) stereotaxic apparatus. Stainless-steel guide cannulae (26 gauge, 8mm length) were implanted bilaterally 1 mm above the dorsal hippocampus: A/P, -2 mm;
M/L, ±1.3 mm; D/V, 1 mm; relative to dura and bregma (Franklin and Paxinos, 1997), then
fixed in place with dental cement and two jewel screws attached to the skull. Mice were then
allowed to recover in their home cage for at least 8 days before behavioral experiment.
Stress exposure
Mice were randomly divided in two groups: mice were exposed to a stress procedure
between 08:00 and 13:00 (Stress group) or exposed only to the experimental chamber as no
150
CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle
stressed controls (No Stress group). Stress exposure took place in four experimental identical
chambers (25 x 18 x 20 cm; Imetronic, Pessac, France). Each chamber had one opaque PVC
panel on the right or left side and three transparent Plexiglas panels in the other sides. The
floor of each chamber consisted of 40 stainless-steel rods (2 mm diameter), spaced 3 mm
apart and connected to a shock generator. Stressed mice received 27 electric footshocks (0.8
mA, 6 s, interval 22-40 s) during 20 min. Animals were then remained in the animal room for
three weeks before radial maze testing.
Radial maze testing
Apparatus
The apparatus was a fully automated eight-arm radial maze (Imetronic, Pessac, France).
The maze was constructed of grey Plexiglas and was located in a quiet testing room enriched
with distal visuals cues to allow spatial orientation. The diameter of the central platform was
30 cm and the arms were 55 cm long by 10 cm large. Each arm is equipped with a door at its
entrance and a food-pellet delivering system at its end. A software installed in a personal
computer next to the maze room controlled the movement of each door, the pellet availability
in each arm and continuously tracked the position of the mouse within the maze.
Radial maze task
A two-stage discrimination learning paradigm was used as previously described
(Mingaud et al., 2008). Each mouse was separately assigned six adjacent arms of which three
served as positive (baited) arms and the remaining three served as negative (unbaited) arms.
The reward contingency of the arms remained unchanged during the entire experiment, but
the manner of presenting the arms (i.e., one-by-one or by pair) was modified between the two
stages of the experiment (see in Fig. 1). In Stage 1, the mice learned the constant locations of
food reward through successive and separate exposures to individual arms using a “go/no-go”
discrimination task. In Stage 2, the same arms were now presented by pairs of arms of
opposite valence (simultaneous “two-choice” discrimination). The mice had to compare
separately acquired information in stage 1 to guide inferential choice in this novel situation.
This assessed the memory flexibility, a cardinal property of R/DM (Cohen, 1984). The two
stages of the learning paradigm taxed different forms of memory: while the stage 1 (“go/nogo” task) assessed the procedural non-R/DM, the stage 2 tested the R/DM for the same
information.
151
CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle
Mice were submitted to partial food deprivation four days before the beginning of the
radial maze training and maintained around 90% of their free feeding weight throughout the
duration of training. They were also previously habituated to the apparatus over two sessions
(one session per day) by allowing them free exploration until all the food pellets in the eight
arms were collected.
In Stage 1, all the mice were trained in the successive “go/no-go” discrimination task
until reaching the acquisition criterion. Each daily session consisted of 24 trials (inter-trial
interval: 20 s spent in the central platform) with four presentations of each arm in a pseudorandomized sequence, and limited to 40 min. On each trial, one arm was opened and we
recorded the latency taken by the mouse to enter into the arm. Acquisition criterion was
reached when median latency for negative arms was at least 30% higher than the one for
positive arms over two consecutive sessions. Discriminative performance was measured by a
discrimination ratio of median latencies for negative arms relative to positive ones [(negativepositive)/(negative+positive)].
In Stage 2 (R/DM test), the six arms used in stage 1 were featured into three pairs of
adjacent arms (one positive, one negative). Once the mouse had entered one of the two arms,
the door of the non-chosen arm was closed. Each daily session (during two days) comprised a
minimum of twelve trials (20-s inter-trial interval) with four presentations of each pair in a
pseudo-randomized sequence, limited to 20 min duration. On each trial, the chosen arm and
the entry latency were recorded. Discriminative performance was measured by the percentage
of correct choices (of positive arms) over the two sessions of the test.
Intrahippocampal infusions
Twenty minutes before a “go/no-go” session of the radial maze task, animals received
in their home cage intrahippocampal bilateral infusions (0.3 µl per side) of artificial
cerebrospinal fluid (aCSF) or corticosterone (CORT; 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin
complex; Sigma-Aldrich; 100 ng per side). The dose of corticosterone has been selected on
the basis of our previous pilot study reporting that only the highest dose used (100 ng)
impaired contextual fear conditioning under low footshock intensities in mice. Infusions were
restricted to the first three “go/no-go” sessions in order to disturb the hippocampal activity
when this activity is required to compare and use separately acquired information for the
subsequent flexibility test (Mingaud et al., 2008; Brayda-Bruno, 2010). For infusions, the
stylets normally obtruding the guide cannulae were removed. Stainless-steel cannulae (32
gauge, 9 mm) attached to 1-µl Hamilton syringes (PolyLabo, Strasbourg, France) with
152
CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle
polyethylene catheter tubing were inserted through the guide cannulae. The syringes were
fixed in a constant rate infusion pump (0.1 µl/min). The cannulae were left in place for an
additional 1 min before removal to allow diffusion of the drug away from the cannulae tips.
The final group sizes were as follows: aCSF No Stress (n = 11), aCSF Stress (n = 8), CORT
No Stress (n = 12), CORT Stress (n = 5).
Data analysis
Data are presented as the mean ± SEM. Statistical analyses were performed using
analysis of variance (ANOVA), followed by t-test for comparison with a hypothesized mean
and post hoc analyses (Fisher’s PLSD) for between-groups comparison when appropriate
(Statview; SAS Institute, Cary, NC).
Results
During Stage 1 (“go/no-go” discrimination), the six arms were presented one by one
successively, the half baited (positive) and the other half unbaited (negative). Discrimination
between positive and negative arms is presented in Fig. 2A by the difference in the entry
latency between the two sets or arms. This result showed that all groups of mice acquired the
task at the same rate, and displayed similar responses across the first and last four sessions
Specifically, a mixed ANOVA with treatment and stress as between-subject factors and
session as within-subject factors showed a significant improvement of performance across the
first four sessions [F(3,96) = 6.55, P < 0.001] with no effect of treatment, stress, nor
nteraction with sessions [both F < 2.1, ns]. The same analysis conducted across the last four
sessions revealed that all groups further improved their performance across the sessions
[F(3,96) = 58.11, P < 0.001] with no effect of treatment, stress, nor interaction with session
[both F < 1.7, ns]. Moreover, there are no significant difference in the mean number of
sessions needed to reach the learning criterion [aCSF No Stress, 5.36 ± 0.28; aCSF Stress,
5.50 ± 0.33; CORT No Stress, 6.00 ± 0.52; CORT Stress, 4.80 ± 0.37; two-way ANOVA, all
F < 1.4, ns]. In the final session (n), all groups had learned to distinguish arms and entered
faster into the positive than the negative ones. Indeed, the discriminative ratio of the entry
latency was significantly above chance [t-test, P < 0.05 for each group]. A two-way ANOVA
on these data also confirmed no significant effect of treatment, stress or treatment x stress
interaction [all F < 1.3, ns].
153
CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle
These findings support the conclusion that the four groups of mice similarly learned the
initial “go/no-go” discrimination task. Neither the previous stress protocol nor the
intrahippocampal infusions performed during training affected discriminative performance in
this stage.
In Stage 2 (R/DM test), the animals were challenged with a choice between two
familiars arms of opposite valence. In contrast to the “go/no-go” discrimination stage 1, the
previous stress exposure impaired the discriminative performances in the two-choice test,
measured as the percentage of correct choices over the two sessions of the test (Fig. 2B).
Mice which were exposed or not to stress pre-exposure and infused with vehicle (aCSF)
displayed high percentage of correct choices between the two arms presented. Interestingly,
infusions of corticosterone during acquisition of the radial maze task impaired the ability of
mice to make correct choices during the two-choice test only in mice which had a previous
stress exposure. A two-way ANOVA with treatment and stress as between-subject factors
confirmed a significant effect of stress [F(1,32) = 10.32, P < 0.01] but not of treatment
[F(1,32) = 0.83, ns]. Interestingly, separate analysis for each aCSF and CORT-infused mice
showed a significant effect of stress pre-exposure only with the infusions of corticosterone
[F(1,15) = 5.61, P < 0.05] but not in aCSF control groups [F(1,17) = 4.34, ns]. Moreover, only
the CORT-infused mice submitted to the stress protocol had performance levels close to the
chance level [t-test, P = 0.12], whereas the three other groups were performing significantly
above the chance [t-test, P < 0.001 for each group].
In conclusion, this experiment demonstrates that intrahippocampal infusions of
corticosterone during the initial “go/no-go” learning stage resulted in selective deficits in
R/DM only in animals which were previously exposed to a stressful experience. Either
exposure to footshocks or corticosterone infusions alone failed to affect performance on
R/DM.
Discussion
Using a two-stage radial maze paradigm, the findings described in this study show that
the combination of previous stress experience and intrahippocampal infusions of high-dose
corticosterone during acquisition of the radial maze task selectively impairs R/DM, while
non-R/DM for the same information is preserved. These results suggest that a previous stress
154
CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle
history sensitized the hippocampus to the deleterious effect of high-levels intrahippocampal
corticosterone on memory.
Stress exposure and intrahippocampal infusions of corticosterone did not produce any
significant change in the “go/no-go” discriminative performance, which is dependent on the
procedural memory system. There is extensive evidence that procedural memory depends
critically on the dorsal striatum (Cohen and Squire, 1980). The implication of the dorsal
striatum was also revealed using a neuroimaging approach in R/DM radial maze task
(Mingaud et al., 2007; Mingaud et al., 2008; Brayda-Bruno, 2010). Furthermore, previous
studies using hippocampal lesions (Etchamendy et al., 2003) or inactivation during the
“go/no-go” learning stage (Mingaud et al., 2007) indicate that the functional integrity of the
hippocampus is not required for the acquisition, storage and use of information acquired
separately. Then, the current finding that intrahippocampal infusions of corticosterone did not
modulate procedural memory is consistent with the evidence that infusions of various drugs
into the hippocampus selectively modulate hippocampal-dependent, but not striatumdependent memories (Packard and Knowlton, 2002).
Moreover, the absence of effect of stress pre-exposure is consistent with recent studies
which have shown that stress exposure, shortly before training or retention testing, does not
impair procedural memory (Packard, 2009; Schwabe et al., 2010). This absence of stress
effect could be explained by the low level of corticosteroid receptor in the striatum (McEwen
et al., 1986).
However, when challenged with a choice between two familiar arms in stage 2, deficit
of relational memory is observed only in animals that were both previously stressed and
infused with corticosterone. Indeed, the “two-choice” discrimination test would call for
comparison among separately acquired information and thus assess a fundamental property of
R/DM, its flexibility (Cohen, 1984). It was proposed as a mouse model for selective R/DM
loss (Marighetto et al., 1999). The deficits observed are similar to than seen in mice with
hippocampal dysfunctions (aged mice), lesions or inactivation (Marighetto et al., 1999;
Etchamendy et al., 2003; Mingaud et al., 2007). In particular, it has been demonstrated that,
although not critical for the acquisition of the task, the hippocampus is engaged in encoding
information during the “go/no-go” training for subsequent R/DM expression (Mingaud et al.,
2007). The hippocampus is the main brain target of glucocorticoids and expresses high level
of corticosteroid receptors (McEwen et al., 1969). It is well-known that stress exposure or
glucocorticoids can act differentially on hippocampal-dependent memories. Low to moderate
doses of corticosterone enhance performance on spatial memory (Akirav et al., 2004). On the
155
CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle
opposite, high levels of corticosterone impair synaptic plasticity (Diamond et al., 1992) and
hippocampal-dependent memory (de Quervain et al., 1998; Conrad et al., 1999). Thus, in
mice previously exposed to stress, intrahippocampal infusions of high dose of corticosterone
during training would alter the encoding processes required for subsequent memory flexibility
during the choice test.
Interestingly, a previous stress exposure seems to be necessary for the emergence of
R/DM deficits by later intrahippocampal corticosterone infusions. Further studies have shown
that a first exposure to stress enhances the consequences of a subsequent stress exposure.
Indeed, some characteristics of stress-related disorders, as abnormal low basal plasma levels
of corticosterone and anxiety or depressive-like symptoms, emerge after several exposures to
stressful events (Avital and Richter-Levin, 2005; Bazak et al., 2009). Stressful situations
produce elevated levels of glucocorticoids that render the hippocampal neurons more
sensitive to further insult (Conrad, 2008). Hence, subsequent direct administration of
glucocorticoids into the hippocampus may produce more severe effects on hippocampal
neurons, which can be observable by the emergence of deficits in hippocampal-dependent
R/DM. To our knowledge, we first demonstrate that a previous stress experience selectively
increases the vulnerability to glucocorticoids-induced deficits in hippocampal-dependent
memory, such as R/DM. Nonetheless, numerous studies using stress pre-exposure have
assessed effects of early-life (juvenile) stress on adult responses to stress or memory
performance. Although childhood emotional trauma significantly contributes to later
emergence of stress-related psychopathologies, particularly PTSD (Briere and Elliott, 1994),
stress history during adulthood could also have a great importance. Further studies in animals
are needed to explore this idea.
Our study contributes to a better understanding of the development of PTSD-related
memory symptoms. First, our results show a stress-induced specific deficit in R/DM without
impairment of procedural non-R/DM for the same information. This indicates that when the
hippocampus is not functionally engaged in encoding processes, information can still be
encoded and recalled in an implicit memory format. Interestingly, such memory profile is a
main feature of PTSD (APA, 2000). Indeed, whereas PTSD patients cannot explicitly recall
important aspects of their traumatic experience and have deficits in R/DM, their implicit
memory for the same information remain intact (McNally, 1997). Most of the current animal
models of stress-induced hippocampal alterations have demonstrated general deficits in
156
CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle
spatial memory after stress or glucocorticoids administration (McEwen, 2000; Roozendaal,
2003). However, a specific deficit in the hippocampal-dependent R/DM associated with the
preservation of implicit memory in same subjects and for the same information had not yet
been observed.
Second, our study supports the hypothesis that high levels of intrahippocampal
glucocorticoids contribute to the development of memory alterations specific to PTSD.
Indeed, we have previously shown that intrahippocampal infusion of corticosterone impairs
contextual processing while producing traumatic-like memories for a discrete cue, which is
reminiscent to PTSD symptoms (Kaouane et al., 2010). Thus, excessive levels of
glucocorticoids in the hippocampus seem to be a key mechanism for the development of
PTSD. Furthermore, the selective deficit of R/DM observed only in previously stressed
animals is in line with evidences that previous stress-induced hippocampal alterations could
be an important factor of vulnerability to the development of PTSD (Yehuda et al., 2007). It
remains to determinate to what extent a previous stress episode is a risk factor for the
emergence of full memory alterations related to PTSD.
In summary, our study demonstrates that high levels of glucocorticoids into the
hippocampus associated with a stressful history selectively impair R/DM while sparing
procedural memory. Future studies will have to specify the neurobiological mechanism
responsible for such deleterious effect of glucocorticoids on relational memory.
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CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle
Figure 1
Stress exposure
Stress group
No Stress group
Experimental chambers
Experimental chambers
or
shocks
Intra-hippocampal infusions
aCSF
CORT 100 ng
Infusions were performed during the first 3 sessions of
Stage 1: Acquisition
Successive “go/no-go” discrimination
…
-
+
…
…
-
…
-
…
+...
+
Until reaching criterion, then
Stage 2: R/DM test
Simultaneous “two-choice” discrimination
...
+
...
-
+ ...
-
-+
Figure 1. Schematic representation of the stress pre-exposure and relational/declarative
memory radial maze task. Briefly, mice were exposed or not to high-intensity footshocks
(0.8 mA) in experimental chambers (Stress or No Stress group, respectively). In a second
step, same animals learned the radial maze task. In stage 1, the six arms were presented one
by one, successively, until reaching the criterion (see Materials and Methods). During the first
three sessions, mice received infusions of aCSF or corticosterone into the dorsal
hippocampus. In stage 2, the same arms were combined into three pairs, composed of one
positive and one negative arm. Correct choices (of positive arms) assessed memory flexibility
and indicated good R/DM performance.
161
CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle
Figure 2
Stage 1
“go/no-go” discrimination
aCSF, No Stress
aCSF, Stress
CORT, No Stress
CORT, Stress
0.5
Discrimination ratio
B
0.4
0.3
*
0.2
0.1
chance
0
Stage 2
R/DM test
No Stress
Stress
100
-0.1
% correct choices
A
#
90
80
70
***
***
***
60
50
chance
40
-0.2
1
2
3
4 n-3 n-2 n-1
Daily session number
n
aCSF
CORT
Intrahippocampal infusions
Figure 2. Performance in the radial maze paradigm in function of stress pre-exposure
(No Stress, Stress) and intrahippocampal infusion (aCSF, CORT). (A) Progression of the
“go/no-go” discriminative performance evaluated by the discrimination ratio (mean ± SEM)
over the first four (1-4) sessions (i.e., the presently observed minimum number of sessions
required to attain the criterion) and the last four (n-3 to n) session of training before reaching
criterion in stage 1. (B) Percentage of correct choices (mean + SEM) over the two sessions of
the “two-choice” relational memory test of stage 2. * indicates difference from chance (*P <
0.05, ***P < 0.001), # P < 0.05 indicates between-groups difference.
162
DISCUSSION GENERALE
163
164
DISCUSSION GENERALE
Discussion générale
L’objectif général de cette thèse était de déterminer les conditions dans lesquelles les
glucocorticoïdes dans l’hippocampe pouvaient altérer la mémoire émotionnelle et la mémoire
relationnelle, conduisant à des troubles mnésiques de type ESPT chez la souris.
Une importante partie de ce travail (Chapitre 1) visait à modéliser chez la souris le
profil mnésique paradoxal de type ESPT, associant une hypermnésie pour un élément saillant
non nécessairement prédictif du choc à une amnésie pour les éléments contextuels d’un même
événement traumatique. Nous avons pu montrer que l’injection de corticostérone dans
l’hippocampe dorsal après un conditionnement aversif en situation de stress intense (chocs à
0.8 mA), via l’implication des récepteurs aux glucocorticoïdes (GR), permet effectivement
d’observer un profil mnésique similaire chez la souris. En particulier, à la suite d’une
procédure de conditionnement dans laquelle le contexte est le meilleur prédicteur du choc
(non-appariement son-choc), les animaux présentent un déficit de RCE au contexte et
expriment une forte RCE au son, seul stimulus discret et saillant de l’apprentissage mais non
prédictif du choc. Ces données suggèrent que, sous l’action de la corticostérone dans
l’hippocampe dorsal, les animaux ont sélectionné de manière inadaptée un élément saillant (le
son), au lieu du contexte, afin de prédire la source du danger (le choc électrique). Ce profil
mnésique est associé à une diminution de l’activité de régions hippocampiques (expression de
c-Fos), pouvant expliquer le déficit de traitement du contexte, associée à un accroissement de
l’activité de l’amygdale, pouvant sous-tendre l’hypermnésie pour un élément discret.
De façon intéressante, via l’implication du même type de récepteurs (GR), l’injection de
corticostérone dans l’hippocampe ventral conduit également à des effets délétères mais
opposés sur les RCE (Chapitre 2). En effet, les animaux, pour qui le son est dans ce cas
prédictif du choc (appariement son-choc), n’expriment pas de RCE au son mais expriment
une forte RCE au contexte. Ce profil mnésique atteste d’une sélection inappropriée des
éléments contextuels afin de prédire la source du danger, au lieu de l’élément sonore discret
prédictif de l’événement aversif.
Enfin, nous montrons que des injections de glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal
lors de l’acquisition d’une tâche en labyrinthe radiaire conduisent à un déficit spécifique de
mémoire relationnelle uniquement chez les animaux ayant au préalable été exposé à un stress
(chocs électriques) (Chapitre 3). Ces données suggèrent que des épisodes de stress dans
165
DISCUSSION GENERALE
l’histoire d’un sujet peuvent constituer un important facteur de risque à l’émergence de
perturbations de la mémoire déclarative lors d’une exposition ultérieure à un événement
traumatique.
L’ensemble de nos données indique que certaines conditions favoriseraient l’apparition
d’altérations mnésiques de type ESPT : une libération excessive de glucocorticoïdes en
situation de stress intense, une action de ces hormones sur l’hippocampe préférentiellement au
niveau de sa partie dorsale et sur les GR, ainsi que l’existence d’épisodes de stress dans
l’histoire personnelle du sujet. Tous ces facteurs contribueraient aux dysfonctionnements du
circuit hippocampo-amygdalien, ce qui entraînerait des déficits de mémoires dépendantes de
l’hippocampe, et une hyper-activation de l’amygdale pouvant promouvoir une consolidation
implicite de l’événement. L’altération des processus de sélection de stimuli prédictifs d’un
événement aversif serait à l’origine au développement de ce profil mnésique pathologique.
A. Conditions favorisant l’apparition d’altérations mnésiques de type ESPT
1. Forte intensité émotionnelle
Un ensemble d’études suggèrent que les glucocorticoïdes basculent d’un rôle
facilitateur à délétère sur les performances mnésiques en fonction de l’intensité émotionnelle
de la situation. En effet, des études chez le rongeur ont montré que l’injection systémique de
corticostérone facilite les performances mnésiques en mémoire spatiale dans une piscine de
Morris à eau tempérée (Sandi et al., 1997; Akirav et al., 2004) mais au contraire altère les
performances mnésique en conditions d’eau froide (Roozendaal et al., 1997; de Quervain et
al., 1998). Les effets facilitateurs de la corticostérone ont par la suite été observé dans une
procédure d’évitement passif (Roozendaal et al., 1997) ou de conditionnement contextuel (Pugh
et al., 1997b; Cordero & Sandi, 1998; Revest et al., 2005) en situation de faible intensité de
choc électrique. En revanche, l’effet des glucocorticoïdes lors d’un conditionnement plus intense
sur le plan émotionnel n’avait pas encore été testé. Dans ce cadre, notre étude a permis de
montrer que les effets des glucocorticoïdes sur la consolidation mnésique d’un
conditionnement aversif sont en fonction de l’intensité émotionnelle (Chapitre 1). En
particulier, les glucocorticoïdes injectés dans l’hippocampe dorsal potentialisent les réponses
conditionnées de peur au contexte dans une situation de faible intensité émotionnelle (faible
166
DISCUSSION GENERALE
intensité de chocs, 0.3 mA). En revanche lorsque l’intensité émotionnelle augmente, les
glucocorticoïdes n’ont pas d’effet (chocs à 0.5 mA) ou bien réduisent (chocs à 0.8 mA) les
réponses de peur au contexte.
La libération de glucocorticoïdes endogènes par les glandes surrénales pourrait être
impliquée dans les effets différentiels de ces hormones en fonction de l’intensité
émotionnelle. En effet, il a été montré une corrélation positive entre l’intensité du choc
électrique utilisée dans une procédure de conditionnement aversif et le taux plasmatique de
corticostérone à la suite de l’apprentissage (Cordero et al., 1998). De plus, une administration
de glucocorticoïdes après un apprentissage faiblement aversif élève le niveau des
performances mnésiques à un niveau comparable à celui observé après un apprentissage plus
aversif (Cordero & Sandi, 1998; Revest et al., 2005). Nous observons aussi cet effet :
l’injection de glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal en situation à 0.3 mA augmente les
RCE au contexte à un niveau similaire à celui induit par une situation d’apprentissage à 0.8
mA. En revanche, lorsque l’intensité émotionnelle est importante, une assez forte libération
de glucocorticoïdes qui est lui associée faciliterait d’emblée l’apprentissage. Par conséquent,
l’apport supplémentaire de glucocorticoïdes dans l’hippocampe constituera un excès. Les
glucocorticoïdes n’auront plus alors une action facilitatrice mais une action délétère sur les
processus de consolidation mnésique.
L’amygdale pourrait également jouer un rôle crucial dans les effets différentiels des
glucocorticoïdes sur la consolidation mnésique en fonction de l’intensité émotionnelle.
L’amygdale participe au contrôle de l’axe corticotrope (Herman et al., 2003) et son
recrutement pourrait sous-tendre la libération de glucocorticoïdes associée à une situation de
stress. De plus, de nombreuses études chez l’animal ont montré que l’amygdale module la
consolidation mnésique relevant de l’hippocampe (McGaugh & Roozendaal, 2002). En
particulier, la lésion du complexe basolatéral bloque les effets facilitateurs d’agonistes, ou les
effets délétères d’antagonistes, aux récepteurs GR injectés dans l’hippocampe dorsal sur la
consolidation mnésique d’un tâche d’évitement passif ou de mémoire spatiale, respectivement
(Roozendaal & McGaugh, 1997). Ainsi dans notre étude, les effets facilitateurs et délétères de
l’injection de glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal sur la consolidation mnésique d’un
conditionnement aversif pourrait aussi dépendre de l’activité de l’amygdale. Par ailleurs, nous
faisions l’hypothèse d’un accroissement de l’activité de l’amygdale avec l’augmentation de
l’intensité émotionnelle. Une étude chez le rongeur a notamment montré une augmentation
dans l’amygdale de l’expression de molécules d’adhésion cellulaires neuronales, nécessaires
aux phénomènes de plasticité, avec l’intensité du choc électrique (Markram et al., 2008).
167
DISCUSSION GENERALE
Cependant dans notre étude, l’augmentation de l’intensité du choc électrique de 0.3 à 0.8 mA
n’est pas associée à un accroissement du niveau d’expression de c-Fos dans l’amygdale (voir
Annexe 1). Certaines études suggèrent que l’expression de c-Fos dans l’amygdale pourrait
aussi être due à l’exposition à des stimuli nouveaux (Radulovic et al., 1998; Stanciu et al.,
2001). Ceci pourrait expliquer le fort niveau d’expression de c-Fos observé après un
conditionnement à 0.3 mA.
L’ensemble de ces données suggère ainsi que l’augmentation de l’intensité émotionnelle
d’un événement conduirait à une augmentation de la libération de glucocorticoïdes qui,
associé à l’activité de l’amygdale, pourrait faire basculer l’influence des glucocorticoïdes de
bénéfique à délétère sur la consolidation mnésique.
2. Activation excessive des GR de l’hippocampe
Notre étude a également pu déterminer que l’activation des GR de l’hippocampe était
responsable des effets délétères des glucocorticoïdes sur la consolidation mnésique d’un
conditionnement aversif (Chapitre 2). En effet, nos résultats montrent que les effets délétères
d’une injection de corticostérone dans l’hippocampe dorsal ou ventral sur les RCE, après une
situation de stress intense (chocs à 0.8 mA), pouvaient être mimés par une injection de
dexaméthasone, agoniste spécifique des GR. Les récepteurs de type GR sont présents en forte
quantité dans le cerveau et notamment au sein de l’hippocampe (McEwen et al., 1969; Reul &
de Kloet, 1985). Sur le plan cellulaire, l’activation des GR est connue pour réduire
l’excitabilité neuronale des neurones hippocampiques (Diamond et al., 1992; Kim & Yoon,
1998; Chaouloff et al., 2007) aussi bien dans la partie dorsale que ventrale (Maggio & Segal,
2007b, 2009a, 2009b). Nos résultats sont cohérents avec les données de la littérature montrant
qu’en condition de stress intense, les GR sont occupés par les glucocorticoïdes et altèrent les
fonctions hippocampiques (Conrad et al., 1997; Roozendaal et al., 2003).
Par ailleurs, notre groupe a contribué, en collaboration avec J.-M. Revest et P.V. Piazza,
à l’identification in vitro d’une voie de signalisation intracellulaire impliquée dans les effets
de l’activation des GR sur les cellules hippocampiques. Cette voie débute avec la fixation des
glucocorticoïdes sur les GR et conduit à la phosphorylation de ERK1/2 et à l’activation de la
synthèse du facteur de transcription Egr-1 (Revest et al., 2005). Par la suite, au cours de mes
travaux de thèse, nous avons étudié les effets transcriptionels de l’expression d’Egr-1 (Revest
et al., 2010; voir Annexe 2). Il a ainsi pu être montré que l’activation des GR avait finalement
pour effet de stimuler la synthèse (via Egr-1) et la phosphorylation (via ERK1/2) de la
168
DISCUSSION GENERALE
synapsine. La phosphorylation de la synapsine est connue pour induire un transport des
vésicules synaptiques vers la synapse, conduisant ainsi à la libération de neurotransmetteurs,
principalement du glutamate. Ainsi, cette étude indique que les glucocorticoïdes, via les GR,
modulent la mémoire en induisant une libération de glutamate, pouvant moduler par la suite la
plasticité synaptique au sein de l’hippocampe. Nous avons également pu montrer dans ces
deux études (Revest et al., 2005; Revest et al., 2010) que cette voie GR/ERK/Egr-1/Synapsine
était responsable des effets facilitateurs in vivo de l’injection de corticostérone dans
l’hippocampe dorsal sur les RCE au contexte dans une situation de faible stress (0.3 mA).
L’implication de cette voie moléculaire dans les effets délétères de la corticostérone sur les
fonctions hippocampiques reste néanmoins à déterminer.
Outre les effets intracellulaires induits par l’activation des GR, un des paramètres
importants modulant les effets des glucocorticoïdes dans l’hippocampe est le niveau
d’occupation des récepteurs. Il a notamment été montré qu’une situation de stress intense
similaire à notre situation à 0.8 mA induit une forte libération de corticostérone (Cordero et
al., 1998), pouvant ainsi conduire à une occupation importante, mais partielle, des GR dans
l’hippocampe. Des études ont montré qu’un niveau d’occupation modéré des GR est crucial
pour la consolidation mnésique, tandis qu’un niveau d’occupation total devient délétère pour
la mémoire (Conrad et al., 1999; Brinks et al., 2007). Dans notre étude, un apprentissage à 0.8
mA permet bien une expression de RCE par le stimulus prédictif du choc, attestant d’une
consolidation mnésique optimale, ce qui suggère que le niveau d’occupation des GR ne serait
que partiel. En revanche, l’injection de corticostérone ou d’agoniste aux GR dans cette
situation d’apprentissage conduirait à l’occupation totale des GR de l’hippocampe. Cette
occupation totale des récepteurs aurait alors des effets délétères sur les processus de
consolidation mnésique au sein de l’hippocampe.
Afin de clarifier les effets opposés des glucocorticoïdes sur la consolidation mnésique
(facilitateur ou délétère) par une action sur les mêmes récepteurs, Conrad et al. ont établit un
modèle de fonctionnement des GR selon leur niveau d’occupation et leur possibilité
d’interaction avec les récepteurs aux minéralocorticoïdes (MR) intracellulaires (Conrad et al.,
1999) (Figure 14). En effet, les neurones de l’hippocampe co-expriment les GR et les MR.
Ces derniers ont une affinité pour la corticostérone dix fois plus élevée que les GR et sont
quasiment totalement occupés à l’état basal. Dans le modèle de Conrad, les GR sont
modérément occupés en condition de stress et peuvent former des hétérodimères avec les MR.
Au contraire des GR, les MR auraient plutôt un rôle dans les processus attentionnels et la
sélection de réponses comportementales au vue de la situation (Oitzl & de Kloet, 1992;
169
DISCUSSION GENERALE
Conrad et al., 1997; Brinks et al., 2007). Par conséquent, l’action des glucocorticoïdes en
synergie sur les MR et les GR permettrait de sélectionner et de consolider une stratégie
comportementale adaptée à l’exposition à un stress. En revanche, lorsque le stress de la
situation augmente, le modèle postule que l’occupation totale des GR ne leur permet plus
d’interagir avec les MR. L’action des GR seuls serait alors responsable des effets délétères
des glucocorticoïdes sur la mémoire. Ce modèle est en accord avec des études montrant que le
complexe GR/MR induit des changements génomiques différents de ceux des GR seuls ou
complexés en homodimères (Trapp et al., 1994).
En conclusion, nos résultats, en accord avec la littérature, suggèrent que la libération
excessive de glucocorticoïdes en situation de stress intense entraîne une activation excessive
des GR de l’hippocampe, qui conduirait à des déficits de plasticité hippocampique et de
consolidation mnésique. Ceci pourrait expliquer les déficits de mémoires dépendantes de
l’hippocampe observés.
Figure 14. Modèle putatif de l’influence bimodale des GR sur les performances mnésiques. Ce
modèle rend compte de l’évolution bidirectionnelle des performances mnésiques en fonction du taux
de glucocorticoïdes circulant, donc du niveau d’occupation des récepteurs MR et GR. Il émerge de ce
modèle qu’un niveau d’occupation modéré des GR, via une synergie avec les MR, permet des
performances mnésiques optimales. En revanche, l’occupation excessive des GR réduit les
performances mnésiques. Type I : MR, Type II : GR. (Adapté de Conrad et al., 1999).
3. Effets opposés des glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal vs. ventral
Lors d’un stress intense (chocs à 0.8 mA), les glucocorticoïdes présentent des effets
délétères mais opposés sur les RCE en fonction du secteur hippocampique ciblé (Chapitre 2).
En particulier, l’injection de glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal abolit les RCE au
contexte et promeut une RCE au son à la suite d’une procédure d’apprentissage dans laquelle
170
DISCUSSION GENERALE
le contexte était le prédicteur majeur du choc (non-appariement son-choc). En revanche,
l’injection de glucocorticoïdes dans l’hippocampe ventral induit un profil de RCE exactement
opposé. Il est ainsi observé une abolition des RCE au son et une induction d’une RCE au
contexte à la suite d’une procédure d’apprentissage dans laquelle le son était le prédicteur
majeur du choc (appariement son-choc).
Les régions dorsale et ventrale de l’hippocampe apparaissent différemment impliquées
dans le conditionnement aversif. Les nombreuses données de la littérature indiquent que
l’hippocampe dorsal est clairement requis dans le conditionnement contextuel et n’est pas
nécessaire pour un conditionnement élémentaire au son (Kim & Fanselow, 1992; Phillips &
LeDoux, 1992, 1994; Anagnostaras et al., 2001; Maren & Holt, 2004). Au contraire,
l’hippocampe ventral apparait requis dans le conditionnement au son, tandis que sa
contribution dans le conditionnement contextuel semble être mineure (Maren, 1999;
Richmond et al., 1999; Bast et al., 2001; Zhang et al., 2001; Maren & Holt, 2004; Hunsaker &
Kesner, 2008; Esclassan et al., 2009). En accord avec cette dissociation dorso-ventrale dans
les
processus
de
conditionnement
aversif,
nous
montrons
qu’une
injection
de
glucocorticoïdes, via une action sur les GR, altère la fonction du secteur hippocampique ciblé.
De façon intéressante, l’injection de glucocorticoïdes dans l’hippocampe n’induit pas
seulement une altération du type de conditionnement impliquant le secteur hippocampique
ciblé, mais promeut également un conditionnement pour le stimulus non prédictif du choc. En
d’autres termes, l’injection intra-hippocampique de glucocorticoïdes conduit à une sélection
incorrecte d’un stimulus qui n’était pas prédictif de l’événement aversif. L’induction d’un
conditionnement au son après une procédure de non-appariement n’est généralement pas
observée dans des études lésionnelles ou d’inactivation de l’hippocampe dorsal (Selden et al.,
1991; Anagnostaras et al., 1999). Inversement, une étude a montré que la lésion de
l’hippocampe ventral après une procédure d’appariement son-choc abolit le conditionnement
au son mais n’induit pas de RCE au contexte (Maren & Holt, 2004). Les effets des
glucocorticoïdes sont donc différents des effets observés après lésions ou inactivation qui, en
abolissant l’activité du secteur hippocampique ciblé, altèrent seulement le type de
conditionnement principalement sous-tendu par cette région. Les glucocorticoïdes semblent
plutôt altérer l’activité de l’ensemble du circuit hippocampo-amygdalien, conduisant à la
mauvaise sélection et à la rétention d’un stimulus non prédictif d’un événement aversif.
L’action des glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal va notamment permettre
d’observer un profil mnésique paradoxal comparable à celui observé dans l’ESPT, i.e. une
171
DISCUSSION GENERALE
hypermnésie vis-à-vis d’un stimulus discret et saillant associée à une amnésie pour les
éléments contextuels. En accort avec ces données, une étude révèle que des patients atteints
d’ESPT présentent une diminution du volume hippocampique seulement dans la partie
postérieure (Bonne et al., 2008). Cette région de l’hippocampe pourrait être alors
préférentiellement affectée lors du développement d’un ESPT à la suite d’un événement
traumatique.
L’hippocampe dorsal, comparé à la partie ventrale, est la partie hippocampique la plus
impliquée dans le traitement, la consolidation et la restitution d’informations spatiotemporelles (Moser & Moser, 1998; Bannerman et al., 2004). Plusieurs études ont montré que
l’exposition à un stress ou l’administration systémique de glucocorticoïdes altère les
processus de traitement du contexte (Diamond et al., 1996; de Quervain et al., 1998; Wang et
al., 2000; Sandi et al., 2005), suggérant des altérations préférentielles du fonctionnement de
l’hippocampe dorsal par les glucocorticoïdes. L’altération sélective de l’hippocampe dorsal
pourrait être due à une densité de récepteur de type GR trois fois supérieure dans
l’hippocampe dorsal par rapport à l’hippocampe ventral (Robertson et al., 2005). Or, comme
nous l’avons discuté précédemment, les GR sont impliqués dans les effets délétères des
glucocorticoïdes. Ceci suggère qu’une situation de stress pourrait induire une activation des
GR plus massives dans l’hippocampe dorsal que dans l’hippocampe ventral, conduisant alors
à des effets délétères prépondérants dans cette partie de l’hippocampe. En accord avec cette
hypothèse, une série d’études a montré qu’une exposition à un stress ou l’application de
corticostérone réduit, via l’activation des GR, l’excitabilité neuronale dans l’hippocampe
dorsal (diminution de la PLT, augmentation de la DLT et des courants synaptiques
inhibiteurs), alors que les mêmes traitements augmentent l’excitabilité dans l’hippocampe
ventral via l’activation des MR (Maggio & Segal, 2007b, 2009a, 2009b). De plus, des
données indiquent que l’ESPT pourrait être associé à une hypersensibilité des GR
hippocampiques, ce qui expliquerait l’augmentation du rétrocontrôle négatif de l’axe
corticotrope (Yehuda, 2000) via l’hippocampe postérieur (Kovacs & Makara, 1988).
En conclusion, nos résultats, en accord avec les données de la littérature, indiquent que
l’altération de la partie postérieure/dorsale de l’hippocampe, une cible cérébrale
préférentielle des glucocorticoïdes libérés lors d’un événement traumatique, serait
essentiellement responsables des altérations mnésiques de type ESPT.
172
DISCUSSION GENERALE
4. Glucocorticoïdes, épisodes de stress et vulnérabilité
Nos travaux montrent également que l’exposition à un stress préalable pourrait fragiliser
l’hippocampe et le rendre plus vulnérable aux effets d’un stress ultérieurs (Chapitre 3). En
effet, il a pu être montré que des injections de corticostérone dans l’hippocampe dorsal au
cours d’un apprentissage en labyrinthe radiaire altèrent les performances en mémoire
relationnelle (dépendante de l’hippocampe) uniquement chez des animaux ayant au préalable
vécu un épisode de stress (exposition à des chocs électriques). Ces résultats révèlent que des
épisodes de stress dans l’histoire d’un sujet constitueraient un facteur de prédisposition
important dans l’apparition de déficits de mémoire déclarative liée à un événement
traumatique ultérieur.
Pour expliquer ces effets à long terme d’une exposition au stress, il a été montré que les
glucocorticoïdes n’affectent pas seulement la fonction mais aussi la structure de l’hippocampe
(McEwen & Sapolsky, 1995; McEwen, 2000; Sapolsky, 2000). Il a notamment été observé
que l’exposition à un stress fragilise l’hippocampe par une diminution du nombre d’épines
dendritiques (Conrad, 2008). Cet ensemble d’études a conduit à suggérer l’hypothèse du rôle
neurotoxique des glucocorticoïdes sur l’hippocampe (Sapolsky, 1986; McIntosh & Sapolsky,
1996; Schaaf et al., 2000). Selon cette hypothèse, la libération excessive de glucocorticoïdes
lors d’un stress intense induirait une importante entrée de calcium dans les cellules
hippocampiques et la production de radicaux libres. Ceci entraînerait la mort des cellules
hippocampiques et l’atrophie de la structure. Finalement, l’altération de la structure même de
l’hippocampe pourrait être l’une des causes de l’apparition de perturbations de formes de
mémoire dépendantes de l’hippocampe, lors de l’exposition à un stress ultérieur.
Des études chez l’animal ont également montré que l’exposition à un stress rend les
animaux vulnérables aux effets d’un stress ultérieur. En particulier, l’équipe de Richter-Levin
utilise un modèle de « stress juvénile » dans lequel des rats sont exposés à des épisodes de
stress pendant la période juvénile (âge de 26-29 jours) et sont par la suite nouvellement
exposés à un stress à l’âge adulte (60 ou 90 jours). Leurs études ont montré que ces rats
présentent des réponses exacerbées lors de la nouvelle exposition au stress, telles qu’un faible
niveau de glucocorticoïdes basal et des comportements de type anxieux ou dépressifs (Avital
& Richter-Levin, 2005; Tsoory et al., 2007; Bazak et al., 2009), comparables aux symptômes
de l’ESPT. Ce modèle de « stress juvénile » a été développé sur la base des données
épidémiologiques de l’ESPT révélant que des événements traumatiques survenus
particulièrement pendant l’enfance contribuent à l’émergence de cette pathologie à l’âge
173
DISCUSSION GENERALE
adulte lors d’un événement de stress ultérieur (Briere & Elliott, 1994). De plus, l’axe
corticotrope ainsi que des aires cérébrales clefs, tels que le cortex préfrontal, l’hippocampe et
l’amygdale, sont en plein développement pendant l’enfance et l’adolescence chez l’Homme et
le rongeur (Spear, 2000). Cependant, les études de l’équipe de Richter-Levin ne montrent pas
de réponses exacerbées à un stress ultérieur lorsque la première exposition au stress est
effectuée à l’âge adulte. Cette divergence de résultats entre notre étude et celles de l’équipe de
Richter-Levin pourrait s’expliquer par le fait que nous ayons utilisé une approche
pharmacologique ciblant directement l’hippocampe dorsal pour mimer une seconde
exposition aux effets du stress (glucocorticoïdes). Ces injections de glucocorticoïdes seraient
ainsi efficaces pour altérer les fonctions de l’hippocampe à l’âge adulte.
L’exposition à plusieurs épisodes de stress, conduisant à une vulnérabilité individuelle,
parait être l’un des facteurs importants dans le développement de l’ESPT. Dans ce cadre, des
études épidémiologiques révèlent que la plupart des sujets atteints d’ESPT ont déjà vécu
d’autres événements traumatiques au cours de leur vie (Kessler et al., 1995). Il a donc été
suggéré que l’altération hippocampique et les altérations de l’axe corticotrope observées chez
des patients ESPT pourrait autant constituer un facteur de risque qu’une conséquence de la
pathologie (Gilbertson et al., 2002; Yehuda et al., 2007).
En résumé, un épisode de stress préalable pourrait fragiliser l’hippocampe et l’axe
corticotrope et prédisposerait ainsi les individus à des déficits de mémoire relevant de
l’hippocampe lors de l’exposition à un stress ultérieur. Dans le cas de l’ESPT, ces déficits
mnésiques concernent notamment la formation de souvenirs épisodiques de l’événement
traumatique.
B. Altérations mnésiques de type ESPT : dysfonctionnements du circuit
hippocampo-amygdalien et sélection inadaptée de stimuli prédictifs
1. Déficit de mémoires dépendantes de l’hippocampe
Comme il été discuté précédemment, les altérations de l’hippocampe dorsal seraient au
centre de l’induction du profil mnésique paradoxal observé dans le cadre de l’ESPT. Au cours
de notre étude, les effets du stress sur le fonctionnement de l’hippocampe dorsal ont été
174
DISCUSSION GENERALE
étudiés via une tâche de conditionnement contextuel ou de mémoire relationnelle en
labyrinthe radiaire.
D’une part, lors du conditionnement contextuel, l’injection de corticosterone a été
effectuée immédiatement après l’apprentissage afin d’influencer la phase de consolidation.
Lors de cette phase, l’hippocampe dorsal établi et/ou consolide une représentation unifiée du
contexte à partir des différents éléments toniques et polymodaux le constituant (Rudy &
O'Reilly, 2001; Rudy et al., 2002; Maren & Holt, 2004; Matus-Amat et al., 2004). En
revanche, l’association de la représentation du contexte et du choc électrique ne dépend pas de
l’hippocampe dorsal, mais est sous-tendue par l’amygdale. L’utilisation d’une tâche de
conditionnement contextuel permet ainsi d’évaluer la capacité d’un sujet de mettre en relation
divers stimuli sensoriels appartenant à un contexte d’apprentissage afin de pouvoir par la suite
prédire correctement les événements et établir une réponse adaptée.
D’autre part, dans l’apprentissage en labyrinthe radiaire, l’injection de corticostérone a
été effectuée en pré-apprentissage pendant la phase d’acquisition (go/no-go) de la tâche
(Chapitre 3). Il a été montré au sein de l’équipe que, bien qu’il ne soit pas nécessaire pour
l’apprentissage du go/no-go, l’hippocampe dorsal présente une augmentation d’activité lors
de cette phase d’acquisition. Cette sollicitation « spontanée » de l’hippocampe s’avère
critique pour que l’animal puisse établir une réponse de choix correcte lors de la phase
ultérieure de test (Mingaud et al., 2007). Ainsi dans la tâche en labyrinthe radiaire,
l’hippocampe dorsal joue un rôle crucial dans l’encodage d’informations séparées en vue de
les mettre en relation et de former une représentation unifiée de la situation d’apprentissage,
afin de l’utiliser par la suite. Un tel rôle de l’hippocampe est en accord avec la théorie
relationnelle énoncée par Eichenbaum (Eichenbaum et al., 1992). Ainsi, l’hippocampe dorsal
est crucial pour mettre en relation des épisodes séparés temporellement et spatialement (visite
d’un bras) qui comprennent à la fois une composante sensorielle et spatiale (position du bras)
et une composante émotionnelle liées à la valence du bras visité (récompensé ou non). Etant
donné le haut niveau de complexité de ces relations, l’apprentissage en labyrinthe radiaire
permet d’évaluer une forme de mémoire plus élaborée que celle induite par le
conditionnement contextuel et qui semble beaucoup plus proche de la mémoire déclarative
humaine.
Dans tous les cas, les résultats de nos deux études montrent qu’un niveau élevé de
glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal, dans certaines conditions spécifiées dans cette
thèse, altère la consolidation mnésique et induit des déficits de formes de mémoire nécessitant
l’intégrité de cette région cérébrale. Nos résultats suggèrent notamment que de fortes doses de
175
DISCUSSION GENERALE
glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal altèrent les processus de sélection des stimuli à
mettre en relation et à consolider afin d’effectuer une réponse comportementale correcte et
adaptée à la situation. Un tel déficit de sélection et de traitement des éléments contextuels à
consolider est comparable à ce que l’on peut observer dans le cadre de l’ESPT. En effet,
comme il a été dit précédemment, les sujets atteints d’ESPT présentent des déficits de
mémoire déclarative relatifs aux éléments contextuels de l’événement traumatique. De plus,
l’ESPT se caractérise par une focalisation sur un élément saillant et décontextualisé, qui
évoquera des réponses de peur de façon relativement automatique dans des contextes
différents du contexte original traumatique (Layton & Krikorian, 2002). C’est ce déficit
d’indexation contextuelle de l’ensemble de l’événement qui contribuerait fortement à
l’altération de souvenirs épisodiques. Par conséquent, nos résultats supportent l’hypothèse
selon laquelle une libération excessive de glucocorticoïdes perturbe, via une action dans
l’hippocampe dorsal, la formation de souvenirs épisodiques liés à l’événement traumatique,
et promeut donc une consolidation mnésique sous un seul format plus implicite.
2. Altérations hippocampiques et rôle de l’amygdale dans la consolidation de
l’événement traumatique
La consolidation mnésique d’un événement traumatique peut basculer d’un format
explicite et verbalisable, sous-tendu par l’hippocampe, vers un format implicite, relevant alors
de la fonction amygdalienne. Notre étude suggère notamment que l’action des
glucocorticoïdes lors d’un stress intense n’altère pas seulement la fonction hippocampique,
mais conduirait aussi à une consolidation de l’événement qui relèverait plutôt de
l’amygdale. Ceci se traduit par une sélection incorrecte d’un élément discret et saillant (le
son) afin de prédire l’événement aversif (le choc).
De nombreuses études montrent que l’hippocampe et l’amygdale interagissent afin de
produire une représentation mnésique et une réponse comportementale adaptée. La majorité
de ces études portent sur l’influence de l’amygdale sur l’hippocampe afin de rendre compte de
la modulation des souvenirs émotionnellement connotés supportés par l’hippocampe
(McGaugh, 2004; Phelps & LeDoux, 2005). Toutefois, les études de White et McDonald,
portant sur la théorie des compétitions entre systèmes mnésiques, ont montré l’existence
d’influences majeures de l’hippocampe sur l’amygdale dans les apprentissages. Il a
notamment été montré que l’acquisition d’informations spatiales lors d’une pré-exposition à
la pièce d’apprentissage retarde l’acquisition d’une tâche de conditionnement de place indicé
176
DISCUSSION GENERALE
dépendante de l’intégrité de l’amygdale (McDonald & White, 1995). Inversement, une lésion
du fornix facilite l’acquisition de cette tâche (White & McDonald, 1993). Au sein de notre
équipe, il a été montré que l’activité de l’amygdale (mesurée par l’expression de la forme
phosphorylée d’EK1/2, p-ERK1/2) était corrélée à celle de l’hippocampe seulement dans le
cas où le contexte constituait le meilleur prédicteur de l’occurrence du choc électrique
(Trifilieff et al., 2007). Enfin, une altération du fonctionnement hippocampique par l’injection
locale de scopolamine modifie l’expression de p-ERK1/2 dans l’hippocampe mais également
dans l’amygdale, et induit ainsi une sélection inadaptée du son comme prédicteur du choc
(Calandreau et al., 2006).
En accord avec ces dernières données, nous montrons que l’injection de
glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal, en situation de stress intense, induit une forte
activation des noyaux amygdaliens (LA, BLA et CE, mesurée par l’expression de la protéine
c-Fos), laquelle est associée à la sélection du stimulus saillant comme prédicteur du choc
(Chapitre 1). En effet, le niveau de c-Fos dans l’amygdale est faible chez des animaux qui
sélectionnent le contexte comme prédicteur du SI (non-appariement). En revanche, le niveau
de c-Fos est plus élevé chez des animaux qui sélectionnent le son de manière adaptée
(appariement son-choc) ou inadaptée (non-appariement son-choc suivi d’une injection intrahippocampique de corticostérone). La différence d’expression de c-Fos en fonction du type de
conditionnement n’implique pas forcément que l’amygdale serait moins recrutée dans le
conditionnement au contexte que dans le conditionnement au son, ce qui serait en
contradiction totale avec l’ensemble de la littérature attribuant un rôle crucial de l’amygdale
dans ces deux types de conditionnement (LeDoux, 2007). Plus que le recrutement de la
structure, nos résultats révèleraient plutôt une mobilisation différentielle de la structure,
visualisée par l’expression de c-Fos en fonction de la relation de contingence SC-SI. De façon
similaire, il a été montré une activation différentielle d’une combinaison de gènes (Ressler et
al., 2002; Lamprecht et al., 2009) et d’ERK1/2 dans le complexe basolatéral de l’amygdale
(Calandreau et al., 2006; Trifilieff et al., 2007) en fonction de la contingence SC-SI. Ainsi,
dans nos conditions d’apprentissage, l’utilisation de c-Fos serait un marqueur d’intérêt
permettant de révéler, au sein de l’amygdale, la sélection d’un stimulus comme prédicteur du
choc (son ou contexte).
Dans ce cadre, nous montrons que la sélection inadaptée du son comme prédicteur du
choc est associée à une forte expression de c-Fos dans l’amygdale. Ce niveau d’expression est
signe de la détection d’une relation de forte contingence SC-SI alors même que ces stimuli
n’étaient pas objectivement contingents. Ainsi par l’action des glucocorticoïdes dans
177
DISCUSSION GENERALE
l’hippocampe dorsal, les informations contextuelles n’étant pas traitées, la formation d’une
forme mnésique plus simple, reposant sur une association son-choc et dépendante de
l’amygdale est alors promue. Ce type de mécanismes serait à l’origine du développement du
profil mnésique de l’ESPT. Il existerait alors un lien causal entre le déficit mnésique pour
les stimuli contextuels péri-traumatiques et le développement d’une mémoire émotionnelle
pathologique de type ESPT.
3. Altérations mnésiques de type ESPT
• Altération des processus de sélection des stimuli prédictifs
Comme nous venons de le discuter, l’injection de glucocorticoïdes dans l’hippocampe
dorsal en situation de stress intense perturbe la sélection du prédicteur majeur du choc. En
particulier, les animaux ne sélectionnent pas les éléments contextuels les plus pertinents pour
prédire l’arrivée du choc mais sélectionnent le seul élément simple et saillant de l’expérience
(le son).
De façon intéressante, des études de Yerkes et Dodson publiées en 1908 ont montré que
l’augmentation de l’intensité émotionnelle influence différemment les performances
mnésiques dans une tâche d’évitement en fonction de la complexité de la tâche (pour revue
(Diamond et al., 2007)). En effet, lorsque la discrimination est simple (compartiment éclairé
vs. sombre), l’augmentation de l’intensité du choc électrique améliore les performances de
discrimination. En revanche, lorsque la discrimination est plus complexe (deux
compartiments éclairés), l’augmentation de l’intensité du choc diminue les performances. Ces
études ont conduit à penser qu’en situation de stress intense, les animaux seraient réduits à
sélectionner un indice simple afin de prédire le choc. Ces études ont conduit à la loi théorique
de Yerkes-Dodson (Figure 15A). Cette loi propose qu’une situation émotionnellement
intense améliore les performances mnésiques lors d’un apprentissage simple, basé sur
l’utilisation d’un nombre limité de stimuli. En revanche, cette même situation conduit à une
altération des performances mnésiques pour des formes d’apprentissage plus complexes,
impliquant une large gamme de stimuli et/ou des associations complexes entre ces stimuli.
Afin d’apporter des explications complémentaires à la loi de Yerkes-Dodson,
Easterbrook (1959) a proposé que l’augmentation de la charge émotionnelle conduirait à
réduire la gamme de stimuli pouvant être utilisés par un individu. Selon son hypothèse, cette
réduction permettrait au sujet de se focaliser sur le stimulus pertinent lors d’un apprentissage
simple, ce qui explique alors l’augmentation des performances mnésiques. En revanche, dans
178
DISCUSSION GENERALE
une situation complexe, la réduction de la gamme de stimuli qui sont quasiment tous
nécessaires à la réalisation de la tâche pourrait conduire à une forme d’amnésie pour certains
éléments pertinents au regard de la situation, ce qui expliquerait les déficits de performances
mnésiques.
Les résultats obtenus dans notre étude sont accord avec cette loi théorique. En effet, une
situation de stress intense, mimée par l’injection de glucocorticoïdes en situation de chocs à
0.8 mA, n’a pas d’effet lors d’une situation d’apprentissage relativement simple, i.e. basée sur
la capacité de mettre en relation deux stimuli (appariement son-choc). En revanche, lorsque le
sujet doit mettre en relation les éléments toniques et polymodaux constituant le contexte afin
l’associer préférentiellement au choc (non-appariement son-choc), les conditions de stress
altèrent le traitement de ces éléments et promeut une association simple du choc avec le
stimulus simple et saillant de l’apprentissage (son). En conséquence, la sélection des stimuli
prédictifs d’un événement aversif, processus critique pour la formation d’une mémoire
émotionnelle normale, est fortement altérée dans cette situation.
• Dysfonctionnements du circuit hippocampo-amygdalien
Par ailleurs, en 2002, Layton et Krikorian ont proposé un modèle neurobiologique dans
lequel les interactions hippocampo-amygdaliennes seraient en fonction de l’intensité
émotionnelle d’un événement (Figure 15B) (Layton & Krikorian, 2002). De manière
intéressante, ce modèle rend également compte d’un point de vue neurobiologique la loi
théorique de Yerkes-Dodson. En effet, il propose qu’au cours d’un événement associé à un
stress modéré, l’amygdale contribuerait favorablement à la consolidation de formes
mnésiques complexes comme la formation des souvenirs épisodiques en « stimulant »
l’activité de l’hippocampe. Ceci est en accord avec les nombreuses données de la littérature
traitant de l’influence facilitatrice amygdalienne sur la consolidation de souvenirs
émotionnellement connotés (McGaugh, 2004; Phelps & LeDoux, 2005). En revanche, lorsque
le stress devient intense à extrême, l’influence amygdalienne deviendrait néfaste pour le
fonctionnement du système de mémoire épisodique. En particulier, une hyper-activation
amygdalienne « inhiberait » le fonctionnement de l’hippocampe, perturbant ainsi le traitement
épisodique des informations relatives à l’événement traumatique. La formation de mémoires
complexes relevant de l’hippocampe serait donc altérée par une charge émotionnelle
importante. Toutefois, l’hyper-activation de l’amygdale conduirait à ce que cette structure
supporte, seule, la consolidation de cet événement mais sous une forme plus simple et
implicite, non accessible à la conscience. Ces dysfonctionnements potentiels du circuit
179
DISCUSSION GENERALE
hippocampo-amygdaliens
expliqueraient,
selon
Layton
et
Krikorian,
le
profil
hypermnésie/amnésie caractéristique de l’ESPT.
Il est à noter que, à la différence du modèle de Layton et Krikorian dans lequel une
influence inhibitrice de l’amygdale sur l’hippocampe explique l’altération mnésique, nos
résultats indiquent que c’est une altération de l’hippocampe qui pourrait contribuer à
l’hyperactivité de l’amygdale. Ainsi, intégré au modèle de Layton & Krikorian, nos données
suggèrent qu’une altération des interactions hippocampo-amygdaliennes serait à l’origine
du profil mnésique paradoxal observé dans l’ESPT.
A. Loi de Yerkes-Dodson
Formes de mémoire « simples »
Ex : conditionnement élémentaire
Performances
mnésiques
élevées
Formes de mémoire « complexes »
Ex : conditionnement contextuel,
mémoire relationnelle/déclarative
faibles
faible
modérée
Niveau d‘activité
B. Modèle de Layton & Krikorian
élevé
-
+
Hippocampe
faible
faible
forte
Amygdale
modérée
forte
Intensité émotionnelle
Intensité émotionnelle
Figure 15. Modèles de l’influence de l’intensité émotionnelle sur les fonctions mnésiques. (A) La
loi de Yerkes-Dodson met en évidence que l’augmentation de l’intensité émotionnelle facilite une
forme de mémoire relativement simple et altère une forme mnésique plus complexe. (Adapté de
Diamond et al., 2007). (B) Le modèle de Layton & Krikorian (2002) met, lui, en évidence que cette
augmentation de l’intensité émotionnelle conduit à une hyperactivité de l’amygdale, qui au lieu de
stimuler, inhiberait l’activité de l’hippocampe. Ces changements d’activité expliqueraient la
consolidation d’une forme de mémoire simple/implicite et le déficit de souvenirs épisodiques,
respectivement.
En accord avec la loi de Yerkes-Dodson et le modèle de Layton et Krikorian,
l’ensemble de nos résultats suggèrent qu’en fonction (1) de l’intensité émotionnelle de la
situation, (2) du niveau d’occupation des GR de l’hippocampe dorsal et (3) de l’histoire
personnelle du sujet, l’influence des glucocorticoïdes sur la consolidation d’un événement
aversif passe de facilitateur à délétère et favorise la consolidation de l’événement sous un
format mnésique implicite. Dans une situation de stress intense, une altération des processus
de sélection de stimuli prédictifs, reposant sur des dysfonctionnements du circuit
hippocampo-amygdalien, peut aboutir à l’établissement de mémoires émotionnelles
pathologiques.
180
DISCUSSION GENERALE
Conclusion et perspectives
Dans leur ensemble, les travaux menés au cours de ce travail de thèse ont permis de
modéliser chez la souris certains aspects mnésiques et neurobiologiques de l’ESPT. L’action
des glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal pourrait constituer un mécanisme
pathophysiologique important de cette pathologie. Cependant, cette modélisation chez
l’animal n’en est qu’à ces débuts. D’une part, l’hypermnésie pour un élément au cœur de
l’événement traumatique est décrite comme persistante et résistante à l’extinction (Orr et al.,
1998; Orr & Roth, 2000). L’extinction de peur conditionnée est une forme d’apprentissage
adaptée permettant d’inhiber l’expression de cette peur en réponse à une diminution de la
valeur prédictive du stimulus conditionnel. Des déficits d’extinction des réponses
conditionnées à des stimuli rappelant le trauma compléteraient la modélisation du symptôme
d’hypermnésie. Des modèles animaux de résistance à l’extinction, se basant sur l’exposition à
un stress ou sur des différences interindividuelles, montrent un disfonctionnement du circuit
cérébral sous-tendant cet apprentissage (pour revue (Herry et al., 2010)). Dans la suite de ces
travaux de thèse, il apparait alors nécessaire d’évaluer la capacité d’extinction des animaux
présentant un profil mnésique de type ESPT.
D’autre part, l’ESPT se caractérise par une constellation de symptômes bien définis
dans le DSM-IV (APA, 2000). Outre la « ré-expérience » de l’événement traumatique, une
grande diversité de modèles animaux est notamment dédiée à l’étude des autres symptômes
de l’ESPT (pour revue (Bonne et al., 2004)). En particulier, les symptômes d’évitement de
stimuli rappelant l’événement traumatique peuvent être étudiés via la tâche d’évitement
actif/passif, les symptômes de type dépressifs via le test d’impuissance acquise (learned
helplessness) après l’exposition à un stress incontrôlable, enfin les symptômes d’anxiété et de
sursaut sont par le test du labyrinthe en croix surélevé et le test de réactions de sursaut. Une
batterie de tests comportementaux pourrait alors venir compléter le tableau comportemental
pathologique chez l’animal.
Outre la symptomatologie comportementale, des altérations de l’activité de l’axe
corticotrope caractérisent aussi l’ESPT (Yehuda, 2000). En particulier, un faible taux basal de
cortisol, une augmentation exagérée du taux en réponse à un stimulus rappelant l’événement
traumatique et un rétrocontrôle négatif de l’axe accru sont d’autant de caractéristiques devant
être étudiées chez l’animal.
181
DISCUSSION GENERALE
En plus d’une libération de glucocorticoïdes, l’exposition à un événement
émotionnellement connoté conduit aussi à une libération d’adrénaline. Une activation
exagérée du système nerveux sympathique est souvent reportée chez les sujets atteints
d’ESPT (Elzinga & Bremner, 2002). Des études chez l’Homme et chez l’animal ont
clairement montré que le système adrénaline/noradrénaline est impliqué dans la modulation
amygdalienne de souvenirs épisodiques dépendants de l’hippocampe (Cahill et al., 1994;
McGaugh & Roozendaal, 2002). Un fonctionnement exacerbé de ce système serait
responsable d’une hyperactivité de l’amygdale, qui en retour exercerait une influence néfaste
sur la fonction hippocampique (Layton & Krikorian, 2002).
Dans la compréhension de l’ESPT, l’une des questions critiques est la suivante :
pourquoi certaines personnes développent-elles un état pathologique à la suite d’un
événement traumatique alors que d’autres ne présentent pas ou peu de séquelles après le
même événement ? De plus, pourquoi des individus développent-ils cette pathologie après un
événement, certes, impliquant un stress, mais à priori non traumatique ? Pour tenter de
répondre à ces questions, les facteurs de vulnérabilité, tant génétiques qu’environnementaux,
sont à considérer.
182
ANNEXES
183
184
ANNEXES
Annexe 1
Cellules c-Fos/mm²
Hippocampe
200
150
CA1 dorsal
o
200
Cellules c-Fos/mm²
CA1 ventral
LA droite
1500
oo
1500
LA gauche
1000
1000
100
100
500
500
o
50
0
0
Contexteprédictif
800
Sonprédictif
CA3 dorsal
500
*
0
Contexteprédictif
Sonprédictif
Contexteprédictif
CA3 ventral
0
Contexteprédictif
Sonprédictif
BLA droite
800
400
600
800
600
600
400
400
Sonprédictif
BLA gauche
300
400
200
200
0
800
600
o
0
Sonprédictif
DG dorsal
Sonprédictif
Contexteprédictif
DG ventral
CEA droite
2000
Contexteprédictif
Sonprédictif
2000
Sonprédictif
CEA gauche
oo
o
300
*
*
1500
1500
1000
400
200
1000
200
100
500
0
0
Contexteprédictif
0
0
Contexteprédictif
400
200
*
200
100
Contexteprédictif
Cellules c-Fos/mm²
300
Amygdale
Sonprédictif
**
0
Contexteprédictif
Sonprédictif
Contexteprédictif
0.3 mA
500
oo
0
Sonprédictif
Contexteprédictif
Sonprédictif
0.8 mA
Effets de l’augmentation de l’intensité du choc sur l’activité neuronale de l’hippocampe et
l’amygdale. Chez le groupe contexte-prédictif, l’augmentation de l’intensité de 0.3 à 0.8 mA
augmente globalement l’expression de c-Fos dans l’hippocampe mais la réduit dans l’amygdale droite.
Au contraire chez le groupe son-prédictif, aucun changement d’expression de c-Fos n’est observé dans
l’hippocampe et l’amygdale. Les o indiquent un effet de l’intensité du choc (0.3 vs. 0.8 mA), oP < 0.05,
oo
P < 0.01. Les * indiquent un effet de la procédure d’apprentissage (groupe contexte-prédictif vs. sonprédictif), *P < 0.05, **P < 0.01.
185
ANNEXES
186
ANNEXES
Annexe 2
187
ANNEXES
188
ANNEXES
189
ANNEXES
190
ANNEXES
191
ANNEXES
192
ANNEXES
193
ANNEXES
194
ANNEXES
195
ANNEXES
196
ANNEXES
197
ANNEXES
198
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
199
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Résumé : Une mémoire émotionnelle normale se base sur la sélection de stimuli prédictifs
d’un événement important pour l’individu. Cependant, ce processus de sélection peut être
compromis en situation de forte intensité émotionnelle. En particulier, la sélection d’un
élément saillant non nécessairement prédictif, associée à une amnésie de type déclaratif pour
les éléments contextuels, caractérise les altérations mnésiques de l’état de stress posttraumatique (ESPT). Les données de la littérature suggèrent que l’action de glucocorticoïdes
dans l’hippocampe serait l’une des causes possibles du développement de troubles mnésiques
de type ESPT. Nos travaux ont porté sur les conditions dans lesquelles les glucocorticoïdes
dans l’hippocampe peuvent altérer les fonctions mnésiques chez la souris. En utilisant des
procédures de conditionnement classique aversif, nous montrons que l’injection postapprentissage de corticostérone dans l’hippocampe dorsal, en situation de forte intensité
émotionnelle, conduit (1) à une sélection incorrecte du stimulus saillant non prédictif du choc
électrique au détriment des éléments contextuels (2) et à des dysfonctionnements d’activité
neuronale au sein du circuit hippocampo-amygdalien (expression de c-Fos). De façon
intéressante, par une action sur le même type de récepteurs (aux glucocorticoïdes, GR),
l’injection de corticostérone dans l’hippocampe ventral conduit également à un processus
incorrect de sélection du stimulus prédictif mais en faveur des éléments contextuels. Enfin, un
apprentissage en labyrinthe radiaire révèle que l’injection de corticostérone dans l’hippocampe
dorsal altère spécifiquement la mémoire relationnelle, analogue de la mémoire déclarative
humaine, uniquement chez les animaux ayant été au préalable exposés à un stress. L’ensemble
de nos données révèlent qu’un excès de glucocorticoïdes dans l’hippocampe contribue (1) à des
déficits de mémoires émotionnelle et relationnelle, (2) à la sélection inadaptée de stimuli non
prédictifs d’un événement aversif (3) reposant sur des dysfonctionnements du circuit
hippocampo-amygdalien, le tout, correspondant à des altérations mnésiques de type ESPT.
Mots-clefs : conditionnement aversif, intensité émotionnelle, consolidation, mémoire
relationnelle, souris, hippocampe, amygdale, stress, glucocorticoïdes, GR, gènes précoces.
Abstract: Normal emotional memory is based on the selection of cues predicting threatening
events. However, exposure to extreme threatening situation can compromise the selection of
the correct cues. In particular, selection of a salient not necessarily predictive cue, associated
with declarative amnesia for peritraumatic contextual cues, characterizes the memory
disturbances of posttraumatic stress disorder (PTSD). Accumulating evidence suggest that
action of glucocorticoids into the hippocampus could be a potential mechanism for PTSDrelated memory disturbances. Hence, we studied the conditions for which glucocorticoids into
the hippocampus can alter memory functions in mice. Using Pavlovian fear conditioning, we
showed that post-training infusion of glucocorticoids in the dorsal hippocampus, in stressful
situation, resulted in (1) selection of a salient non predictive cue instead of contextual cues and
in (2) dysfunctions of neural activity of the hippocampal-amygdalar circuit (c-Fos expression).
Interestingly, via action on the same receptor subtype (glucocorticoid receptors, GR), infusion
of glucocorticoids in the ventral hippocampus also resulted in incorrect selection of predictive
cue but in favor of contextual cues. Finally, using radial-maze task, we showed that infusion of
glucocorticoids in the dorsal hippocampus specifically impaired relational declarative-like
memory, only in mice previously exposed to stress. Altogether, our findings reveal that excess
glucocorticoids in the hippocampus contributes to (1) deficits in emotional and relational
memories, (2) incorrect selection of predictive cues (3) based to dysfunctions of the
hippocampal-amygdalar circuit, all, corresponding to PTSD-related memory disturbances.
Key words: fear conditioning, emotional intensity, consolidation, relational memory, mice,
hippocampus, amygdala, stress, glucocorticoids, GR, immediate early genes.
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