Codage neuronal des mémoires de peur dans le cortex frontal associatif du rongeur vigile – FEAR-FRA

Notre projet combine de nombreuses techniques les plus modernes chez l'animal éveillé (microscopie biphotonique, électrophysilogie, optogénétique, ...) dans le but de comprendre le rôle du dPFC durant l'acquisition des mémoires de peur. Nous avons pour cela développé au laboratoire des outils uniques à la limite de l'innovation et de la technologie. L'imagerie biphotonique chronique et les enregistrements «patch-clamp« chez l'animal éveillé sont en effet des techniques majeurs des neurosciences modernes. En les combinant avec la précision temporelle de l'optogénétique, elles nous permettent de tester pour la première fois le role causal entre le fonctionnement synchrone de différentes aires corticales et le comportement.

Nous montrons ici que l'apprentissage de la peur, une forme très classique d'apprentissage associatif prédictif, est fortement affecté par l'inactivation transitoire par optogénétique du cortex préfrontal dorsal (dPFC). En combinant l'imagerie biphotonique calcique à large champ et de façon chronique avec des enregistrements électrophysiologiques chez l'animal éveillé, nous montrons pour la première fois que les neurones de la couche 2 du dPFC sont activés par des stimulus auditifs. Cette activation, faible et non-spécifique, agirait comme un système d'alerte conscient face à une situation nouvelle de l'environnement, avec une habituation rapide lors de la représentation répétée du même son. De façon intéressante, lorsque ce stimulus auditif est associé temporellement à un stimulus aversif (choc éléctrique à la patte), le réseau neuronal dPFC est renforcé et les neurones fortement synchronisés au cours du temps par la présentation du stimulus auditif seul, suggérant ques des schémas d'activation neuronale pertinents pour le comportement ont été stabilisés par l'apprentissage. Enfin nous montrons que cette plasticité du dPFC chez l'animal éveillé est favorisée par le recrutement au cours de l'apprentissage de projections longues depuis l'aire basolaterale de l'amygdale via un mécanisme dépendant des récepteurs NMDA.
En conclusion, nos données montrent pour la première fois que les mémoires de peur formées dans l'amygdale au cours de l'apprentissage sont conservées dans le cortex préfrontal dorsal grâce au recrutement des projections longues. Ces mémoires de peur corticales participeraient dans le traitement conscient des apprentissages aversifs prédictifs

Notre stratégie «d'apprentissage sous le microscope« permet de résoudre de nombreuses questions qui n'ont jamais été envisagées jusqu'à présent, principalement en raison de limitations technologiques. Elle permet en effet d'étudier et de comprendre les fonctions hautement cognitives assurées par le dPFC, y compris les mécanismes cellulaires et synaptiques impliqués dans la formation des mémoires de peur, ainsi que les interactions entre des structures corticales et sous-corticales qui pourraient être essentielles au cours de l'apprentissage à la peur. L'étude de ces interactions est d'une importance cruciale puisque de nombreux comportements inadaptés (impulsivité, prise de risque, anxiété) peuvent être liés à leur dysfonctionnement. En conséquence, notre projet aidera très certainement à établir de nouvelles méthodes diagnostiques pour de nombreuses pathologies psychiatriques.

Nous avons mis en place la plateforme expérimentale in vivo MIND (« Multimodal In Vivo Neurophysiologie Department »). Il s'agit d'une plateforme mutualisée d'imagerie biphotonique in vivo, d'électrophysiologie in vivo, d'optogénétique et de comportement chez l'animal éveillé. Cette période a aussi été accompagnée par un effort important de formation des étudiants aux techniques d'enregistrement in vivo les plus modernes.

La modification des circuits neuronaux chez l'adulte est une propriété fondamentale du cerveau des mammifères, puisqu'elle assurerait son adaptation aux changements de l'environnement, l'acquisition de nouvelles capacités et le stockage des informations. Cette plasticité corticale reposerait sur des changements subtils de l'organisation spatiale et du niveau d'activité des réseaux neuronaux. Ces changements seraient le résultat de la modification des connexions entre neurones, soit grâce à l'apparition de nouvelles synapses au détriment de celles devenues superflues, soit par le renforcement ou l'affaiblissement de connexions préexistantes.
L'hypothèse selon laquelle la formation et l'élimination des épines dendritiques formeraient le corrélat structurel de la mémoire à long-terme prend son origine dans l'étude structurelle et fonctionnelle in vivo des neurones des cortex sensoriels primaires, et de leur modification par les entrées sensorielles. En condition normale en effet, seul un faible pourcentage (~5%) des épines nouvellement formées se stabilisent au sein d'une synapse fonctionnelle. Un même pourcentage d'épines stables disparait, suggérant une forme de stabilité du réseau. Au contraire, l'amputation des vibrisses augmente à la fois le gain et la perte des épines stables (~15%), tout en laissant intacte la densité totale des épines dendritiques. De plus il a été montré que l'activité globale de la population neuronale du cortex somatosensoriel pouvait se re-stabiliser en faveur de la modalité sensorielle non amputée, indiquant ainsi que : 1) la dynamique des épines dendritiques peut induire un changement permanent de la configuration des réseaux neuronaux ; 2) les synapses nouvellement persistantes seraient associées à des circuits spécifiquement impliqués dans le codage de la modification de l'expérience sensorielle. Cette hypothèse a été renforcée par des études d'imagerie chez l'animal vivant montrant la formation et l'élimination d'épines en cluster spatial, suivant l'apprentissage d'une tâche motrice ou d'un conditionnement associatif à la peur.
Nous supposons alors ici que cette cascade de modifications structurelles puis fonctionnelles provoquée par une déprivation sensorielle primaire sévère pourrait être similaire à celle utilisée par le cortex préfrontal, une aire hautement intégrative et cognitive, lorsqu'un animal apprend à associer différentes stimulations sensorielles. Le cortex préfrontal humain et celui des rongeurs participe en effet dans l'association d'événements temporellement séparés. Aussi a-t-il émergé comme une structure essentielle à la modulation des mémoires associatives de peur. Parmi toutes les aires préfontales, les aires prélimbiques et infralimbiques sont considérées aujourd'hui comme essentielles à l'expression et l'extinction des mémoires de peur respectivement, suggérant que deux circuits neuronaux distincts serviraient soit leur consolidation soit leur effacement. Il a été récemment montré cependant que l'inactivation du cortex frontal associatif (FrA) altérait à la fois l'acquisition et l'extinction des mémoires de peur. Notre ambition ici est alors de comprendre comment la formation et l'extinction des mémoires associatives sont implementées par le FrA. Pour cela, nous combinerons chez l'animal éveillé des techniques d'imagerie biphotonique chronique des épines dendritiques, de l'imagerie calcique fonctionnelle à large champ, et des enregistrements électrophysiologiques.
Ce projet permettra alors de révéler les relations causales entre la dynamique structurelle des réseaux synaptiques et la plasticité fonctionnelle, qui reste à ce jour l'un des enjeux majeurs des neurosciences encore non résolus. Par ailleurs, il fournira une avancée importante dans la compréhension des mécanismes de l'apprentissage, et donc permettrait la mise en place de nouvelles stratégies dans le renforcement de la mémorisation et dans le traitement neuronal d'une large variété de maladies du cerveau.