Examen fonctionnel d'un circuit neuronal réciproque entre l'hypothalamus et l'hippocampe – HYPO-HIPPO

Ce projet de recherche utilisera des techniques récemment développées afin d’étudier et de mieux comprendre comment le noyau supramammillaire (SuM), une structure hypothalamique activée lors de taches avec une composante émotionnelle, est capable de moduler l’activité de l’hippocampe. Le SuM envoie des projections axonales à la région CA2/CA3a et au gyrus dentelé de l’hippocampe. Il est bien établi que le SuM joue un rôle important dans la activité oscillatoire nécessaire pour la formation de nouvelles mémoires. Cependant, bien que la connection SuM-hippocampe ait été étudiée in vivo et d’un point de vue anatomique, de nombreuses questions importantes restent en suspend. Ce projet impliquera des injections stéréotaxiques de vecteurs viraux en combinaison avec des lignées de souris transgéniques, afin de faire exprimer des canaux activés par la lumière spécifiquement dans certaines cellules. Ainsi, des pulses de lumière seront utilisés pour activer sélectivement les axones du SuM dans l’hippocampe. Ceci permettra pour la première fois d’analyser directement la transmission synaptique venant du SuM. En utilisant cette stratégie, ce projet va permettre d’adresser les trois objectifs suivants. Tout d’abord, de déterminer précisément les cibles cellulaires des afférences du SuM dans l’hippocampe et de définir quels neurotransmetteurs ou neuropeptides sont libérés. Je réaliserai des enregistrements électrophysiologiques des cellules principales et des interneurones dans la région CA2/CA3a de l’hippocampe, et activerai les afférences du SuM avec la lumière. Ensuite, j’étudierai comment le SuM module l’activité hippocampique au niveau cellulaire et au niveau du réseau. Je déterminerai comment l’activation des axones du SuM modulent d’autres afférences dans l’hippocampe, et comment cela se répercute sur le rythme thêta.

1) La transmission synaptique entre le SuM et la region Car2/CA3a est à la fois glutamatergique et peptidergique.
2) Des stimulations répétitives par la lumière induisent la libération de substance P, qui agit sur la transmission inhibitrice « feed-forward » sur CA2 recrutée par les collatérales de Schaffer, mais n’a pas d’effet sur les afférence distales.
3) Alors que la transmission glutamatergique est relativement faible sur les neurones pyramidaux de CA2/CA3a, cette transmission excitatrice est très robuste sur les interneurones de CA2/CA3a.
4) Cette forte transmission excitatrice venant du SuM sur les interneurones induit une forte inhibition « feed-forward » sur les neurones pyramidaux de CA2 et CA3.
5) A peu près la moitié des cellules pyramidales connectées par les afférence du SuM que nous avons marquées avec la biocytine (n = 134) ont des épines dendritiques caractéristiques des neurones pyramidaux de CA3, ce qui suggère qu’elles sont aussi connectées par cellules granulaire du gyrus dentelé.
6) Les interneurones fortement connectés par les afférences du SuM ont des axones qui se projettent extensivement dans la couche cellulaire de CA2 et CA3. Ces cellules ont des projections dendritiques et des propriétés électrophysiologiques typiques des « basket cells ».

De nombreuses données provenant d’enregistrements in vivo montrent que les oscillations telles que le rythme thêta sont intimement corrélées avec le comportement. La génération du rythme thêta provient de deux structures sous-corticales : le septum médian et le noyau supramammillaire. Cependant, même après de nombreuses années de recherche dans ce domaine, les mécanismes physiologiques qui sous-tendent ce phénomène ne sont toujours pas connus.

En identifiant i) les cibles postsynaptiques des afférences du SuM dans l’hippocampe, ii) comment les afférences du SuM modulent des connexions intra-hippocampiques et iii) comment le SuM est modulé par des connexions réciproques avec l’hippocampe, ce projet va permettre une avancé significative dans la compréhension de la modulation de l’activité hippocampique par le SuM. Par ailleurs, il a été proposé que le SuM pourrait servir de modulateur des processus cognitifs pendant des stimulations émotionnelles fortes. En conséquences, les résultats obtenus dans ce projet permettront de mieux comprendre les processus physiologiques qui permettent aux émotions de moduler la formation de mémoire.

Enfin, alors que la transmission synaptique par les neurotransmetteurs classiques a été étudiée de façon extensive, la transmission par les neuropeptides est beaucoup moins connue. La libération de neuropeptides n’a jamais été réalisée par des techniques d’optogénétique. Les études précédentes ont utilisé des stimulations électriques ou pharmacologiques. Ces deux techniques n’ont pas la résolution temporelle et spatiale des stimulations lumineuses. La réalisation de ce projet va apporter les bases pour l’étude de la libération de neuropeptides dans l’hippocampe ainsi que dans d’autres régions du système nerveux. Par exemple, étant donné que la Substance P est un transmetteur important dans la perception de la douleur, les résultats obtenus auront un intérêt qui s’étend bien au delà du domaine de l’hippocampe.

1. sY Maury, Côme J, Piskorowski RA, Salah-Mohellibi N, Chevaleyre V, Peschanski M, Martinat C and Nedelec S. “Combinatorial analysis of developmental cues efficiently converts human pluripotent stem cells into multiple neuronal subtypes.” Nature Biotechnology. 2014 Nov 10. doi: 10.1038/nbt.3049.
2. K Nasrallah, Piskorowski RA, Chevaleyre V. “Inhibitory plasticity permits the recruitment of CA2 pyramidal neurons by CA3.” eNeuro. Jul 2015. DOI: 10.1523/ENEURO.0049-15.2015.
3. « Fixing the Memory Model » International Innovation, Issue 170, A Cerebral Matter. 12 January 2015.

La capacité à former de nouvelles mémoires et à se rappeler des évènements passés est un phénomène extrêmement important. Chez les mammifères, il est clairement établi que l’hippocampe est une structure essentielle pour la formation de mémoire à long terme. De plus, grâce à sa structure relativement simple, la compréhension des mécanismes physiologiques qui se produisent dans l’hippocampe au cours de la formation de mémoire a fortement avancée. Le modèle actuel du traitement de l’information par l’hippocampe repose sur un transfert linéaire de l’information qui se propage du cortex à trois régions de l’hippocampe, le gyrus dentelé, la région CA3 et la région CA1. A chaque étape, l’information est traitée et modifiée avant de se propager à la région suivante. Bien que ce modèle puisse expliquer plusieurs processus d’apprentissage, de nombreux points restent inexpliqués et nécessitent une reconsidération du modèle actuel. En plus du cortex, des structures importantes dans le codage des émotions se projettent aussi sur l’hippocampe. Jusqu’à peu, il était quasiment impossible d’activer spécifiquement une afférence sans activer en même temps d’autres projections au sein de l’hippocampe. Ainsi, le rôle de ces structures dans la modulation de l’hippocampe n’est pas connu. Par conséquent, les mécanismes physiologiques qui sous-tendent la modulation de la mémoire par le contexte émotionnel ne sont pas non plus compris. Ce point est aussi important pour les maladies psychiatriques telle que la dépression ou la schizophrénie, où des déficits émotionnels et cognitifs sont aussi observés.

Ce projet de recherche utilisera des techniques récemment développées afin d’étudier et de mieux comprendre comment le noyau supramammillaire (SuM), une structure hypothalamique activée lors de taches avec une composante émotionnelle, est capable de moduler l’activité de l’hippocampe. Le SuM envoie des projections axonales à la région CA2/CA3a et au gyrus dentelé de l’hippocampe. Il est bien établi que le SuM joue un rôle important dans le contrôle des rythmes thêta dans l’hippocampe, une activité oscillatoire nécessaire pour la formation de nouvelles mémoires. Cependant, bien que la connection SuM-hippocampe ait été étudiée in vivo et d’un point de vue anatomique, de nombreuses questions importantes restent en suspend. Ce projet impliquera des injections stéréotaxiques de vecteurs viraux en combinaison avec des lignées de souris transgéniques, afin de faire exprimer des canaux activés par la lumière spécifiquement dans certaines cellules. Ainsi, des pulses de lumière seront utilisés pour activer sélectivement les axones du SuM dans l’hippocampe. Ceci permettra pour la première fois d’analyser directement la transmission synaptique venant du SuM.

En utilisant cette stratégie, ce projet va permettre d’adresser les trois objectifs suivants. Tout d’abord, de déterminer précisément les cibles cellulaires des afférences du SuM dans l’hippocampe et de définir quels neurotransmetteurs ou neuropeptides sont libérés. Je réaliserai des enregistrements électrophysiologiques des cellules principales et des interneurones dans le gyrus dentelé et dans la région CA2/CA3a de l’hippocampe, et activerai les afférences du SuM avec la lumière. Ensuite, j’étudierai comment le SuM module l’activité hippocampique au niveau cellulaire et au niveau du réseau. Je déterminerai comment l’activation des axones du SuM modulent d’autres afférences dans l’hippocampe, et comment cela se répercute sur le rythme thêta. Finalement, j’examinerai la connection entre CA2 et le SuM : quelles sont les cibles postsynaptiques, quel est l’effet sur l’activité de ces cellules et où se projettent leurs axones. Il a été montré récemment que les neurones de CA2 se projettent sur le SuM, dévoilant ainsi une connection réciproque entre le SuM et l’hippocampe. En utilisant des techniques similaires, j’activerai les axones de CA2 dans le SuM et étudierai la conséquence sur les cellules hypothalamiques.