Les patrons d'activité et le rôle des interneurones de la couche moléculaire du cervelet lors de la locomotion et du passage d'obstacle – WalkingCrossingNeurons

Quel est le régime d'activité temporelle du réseau d'interneurones de la couche moléculaire (MLI) et des cellules de Purkinje (PC) pendant la locomotion ? Dans quelle mesure l'activité est-elle synchronisée dans le temps et dans l'espace entre les MLI ? Quelle est la nature, la répartition spatiale et le rôle de l'interaction MLI - PC ? Comment l'activité du réseau MLI et l'interaction MLI - PC évoluent-elles au cours de l'apprentissage ? Quelle variable comportementale est représentée dans les activités neurales des MLI et des PC ? En quoi les activités des MLI et des PC diffèrent-elles entre la marche de base et l'adaptation au mouvement ? Nous allons tenter de répondre à ces questions par des expériences réalisées sur des souris éveillées pendant qu'elles marchent sur un tapis roulant. L'activité neuronale sera mesurée par une combinaison d'imagerie calcique à deux photons des activités des MLI et PC et d'enregistrements ciblés aux neurones individuels et de paires de MLI et PC.

À l'aide de simulations de réseaux neuronaux, nous déterminerons comment des modèles d'activité spécifiques apparaissent grâce à la stimulation de fibres parallèles et au couplage MLI - MLI intrinsèque. En particulier, nous examinerons comment les synapses chimiques et électriques forment ensemble la synchronisation dans le réseau MLI. Nous déduirons en outre d'éventuels schémas d'activité des fibres parallèles conduisant à la dynamique du réseau observée par l'imagerie du calcium et les enregistrements des MLI.

Les enregistrements de patchs de cellules entières in vivo constituent un outil puissant pour comprendre les informations d'entrée synaptique et les calculs des neurones individuels. Toutefois, pour établir une relation entre les neurones individuels - la fonction de réseau - et, en fin de compte, le comportement, il est nécessaire d'enregistrer simultanément l'activité de populations de neurones. Des progrès expérimentaux récents permettent de mesurer simultanément l'activité d'un ensemble défini de neurones grâce à des indicateurs de calcium codés génétiquement. Ces indicateurs peuvent être facilement ciblés sur des types de cellules spécifiques et ils sont compatibles avec des mesures in vivo répétées à long terme. Ensemble, les enregistrements par patch-clamp et l'imagerie du calcium fournissent respectivement des informations d'activité précises dans le temps et les données d'activité souhaitées à grande échelle sur le réseau. Cependant, les enregistrements d'imagerie du calcium fournissent un accès indirect à l'activité d'une fraction des MLI participant au schéma d'activité du réseau. Afin de compléter le tableau, nous utiliserons des simulations de réseaux neuronaux pour déterminer comment des schémas d'activité spécifiques apparaissent grâce à la stimulation de fibres parallèles et au couplage MLI-MLI intrinsèque. En particulier, nous examinerons comment les synapses chimiques et électriques forment ensemble la synchronisation dans le réseau MLI. Les simulations fournissent un moyen important pour déduire les modèles de tir ainsi que pour extrapoler et compléter l'image de l'activation du réseau MLI. En combinant ces deux techniques expérimentales avec des simulations de réseaux neuronaux, le projet proposé ici a le potentiel de fournir une image complète du microcircuit de la couche moléculaire cérébelleuse et d'ouvrir de nouvelles voies pour comprendre le fonctionnement du cerveau chez l'animal éveillé et en comportement.

Le projet présenté ici aborde un problème d'actualité et très pertinent en neurosciences, et propose une approche multidisciplinaire pour le résoudre, en combinant l'imagerie du calcium avec l'électrophysiologie chez un animal en mouvement et la recherche computationnelle. La combinaison de ces différents domaines au sein d'une même équipe ouvre de nouvelles voies passionnantes pour répondre aux questions sur le cervelet et les réseaux dans le cerveau en général. La réalisation de ce projet à Paris renforcerait sans aucun doute, en cas de succès, le prestige de la recherche parisienne en neurosciences. Le projet a également le potentiel de renforcer les liens entre les communautés expérimentales et théoriques des neurosciences en France, en abordant une problématique de recherche qui réunit étroitement les expérimentateurs et les modélisateurs. Le renforcement de ce lien est crucial pour relever les défis des neurosciences modernes qui se lancent dans la compréhension de réseaux de neurones toujours plus vastes dans le cerveau intact.

Jin Bao, Michael Graupner, Guadalupe Astorga, Thibault Collin, Abdelali Jalil, Dwi Wahyu Indriati, Jonathan Bradley, Ryuichi Shigemoto, and Isabel Llano (2020). Synergistic action of type 1 metabotropic and ionotropic glutamate receptors in cerebellar molecular layer interneurons in vivo. Re-submitted for revision to eLife.

Les patrons d'activité et le rôle des interneurones de la couche moléculaire du cervelet lors de la locomotion et du passage d'obstacle

Le cervelet joue un rôle crucial pour le timing et la coordination des mouvements. Le cervelet est connu pour traiter les entrées sensorimoteurs et pour faire des modifications immédiates de mouvements. Les fondements cellulaires de ces tâches restent inconnus. Nous proposons d'étudier le rôle du réseau des interneurones de la couche moléculaire (MLI) dans le cervelet et d'examiner comment ce réseau contrôle l'activité des cellules de Purkinje (PC) - qui fournissent la seule sortie du cortex cérébelleux - chez la souris éveillée en combinant l'imagerie calcique avec des enregistrements électrophysiologiques. Notre objectif est de clarifier les patrons d'activité qui se produisent dans le réseau MLI et le rôle fonctionnel de l’interaction MLI - PC lors de la locomotion, l'apprentissage et de l'adaptation aux changements environnementaux. Les résultats feront avancer notre compréhension de ce microcircuit interconnecté et de son implication dans la génération de mouvement coordonné chez les mammifères.