Mécanismes neuronaux de l’apprentissage vocal chez l’oiseau chanteur: rôle des ganglions de la base – SONGLEARN

L’apprentissage de la parole fait intervenir le réseau ganglions de la base (GB)-thalamo-cortical, comme celui de nombreuses autres tâches sensori-motrices complexes. Je propose d’étudier les mécanismes mis en jeu dans la boucle GB-thalamo-corticale au cours de l’apprentissage sensori-moteur en général, et vocal en particulier. Pour cela, j’ai choisi un modèle animal particulièrement adapté: l’oiseau chanteur. Les oiseaux chanteurs présentent un circuit GB-thalamo-cortical spécialisé dans l’acquisition du chant chez le jeune oiseau et son maintient chez l’adulte. Ce circuit introduit au cours de l’apprentissage une variabilité motrice permettant l’exploration, et guide des changements dans le chant qui permettent de minimiser les erreurs. Ces changements adaptatifs sont ensuite incorporés dans le réseau corticaux recevant des afferences de la boucle GB-thalamo-corticale impliquée dans le chant. Il a été proposé que cette stabilisation repose sur l’entraînement des réseaux corticaux par les GB.
Notre hypothèse, sous-jacente au projet proposé, est que le circuit des GB pilote la production vocale pendant les phases précoces de l’apprentissage vocal, alors qu’une longue pratique permet aux réseaux prémoteurs d’être entraînés par le signal de sortie des GB, et de devenir capable de produire les vocalisations indépendamment des GB. Plus précisément, nous proposons que pendant l’apprentissage, le signal de sortie des GB passe d’un état initial diffus et bruité permettant l’exploration vers un état final stéréotypé et précis guidant la production du chant adulte. Au cours de ce processus, le circuit des GB, bénéficiant d’une plasticité neuronale accrue grâce à l’action de la dopamine, permettent une progression rapide des performances. Quand le chant atteind l’objectif visé, la production répétée du chant stéréotypé induit un apprentissage de type Hebbien dans les réseaux prémoteurs. A la fin de ce processus, l’exécution automatique du chant stéréotypé est produit par l’activation des réseaux prémoteurs seulement, et ne requière plus les GB.
Nous testerons cette hypothèse en combinant des approches théorique et experimentale. Les résultats expérimentaux obtenus au cours de mon stage post-doctoral ont permis de mieux connaître la connectivité fonctionnelle du circuit des GB, et de mettre en évidence les effets de la dopamine sur l’activité neuronale dans les GB et sur le comportement. Nous nous appuierons sur ces données et d’autres données expérimentales récentes pour développer un modèle computationel prédictif de la boucle GB-thalamo-cortical chez l’oiseau. Dans ce modèle, nous proposerons un mécanisme permettant l’optimisation de la production vocale grâce à l’apprentissage dans les GB, suivi d’un transfert du contrôle moteur vers les réseaux prémoteurs. Nous étudierons également l’activité des réseaux des GB et prémoteurs au cours de l’apprentissage. En particulier, nous effectuerons des enregistrement électrophysiologiques des neurones dans différentes structures du réseau chez l’oiseau éveillé, notament pendant le chant. De plus, nous mettrons en place un nouveau paradigme de plasticité du chant chez l’oiseau adulte en utilisant des canaux ioniques sensibles à la lumière, permettant manipuler l’activité de neurones à l’échelle de la milliseconde. L’ensemble de ces expériences nous permettrons de contraindre le modèle et de tester ses prédictions.