Décharge en bouffées de potentiels d’action et ancrage visual du signal de la direction de la tête – BURST

Dans une première série d'expériences, nous enregistrerons des neurones présubiculaires pendant que les animaux naviguent dans un environnement, à l'aide d'enregistrements juxtacellulaires. Cette technique permet des enregistrements de haute qualité et la reconstruction des morphologies cellulaires. Nous testerons comment les signaux de direction de la tête dépendent des informations visuelles, en enregistrant des cellules dans des conditions d'éclairage normales et dans l'obscurité.
Dans une deuxième série d'expériences, nous testerons comment le signal des neurones présubiculaires dépend des entrées vestibulaires et visuelles. Nous utiliserons une configuration où ces entrées sensorielles peuvent être étroitement contrôlées. Les souris à tête fixe éveillées seront maintenues au centre d'une plaque tournante vestibulaire entourée d'un dôme et d'un projecteur. Les enregistrements seront réalisés avec des Neuropixels probes ou des tétrodes.
La convergence des entrées visuelles et vestibulaires vers le présubiculum sera examinée ex vivo. Les entrées à longue portée seront déterminées à l'aide de techniques de traçage rétrograde. Une combinaison d'optogénétique et d'enregistrements par patch clamp est utilisée pour définir la connectivité fonctionnelle spécifique au type de cellule.
Nous visons également à réaliser des expériences de manipulation pharmacogénétique spécifiques au type cellulaire afin d'obtenir des preuves de causalité.

Les travaux réalisés jusqu'à présent se sont concentrés sur les enregistrements in vivo chez des animaux qui se comportent à Berlin, et sur la caractérisation ex vivo des voies vestibulaires et visuelles convergentes dans le présubiculum, à Paris. Nous avons également commencé à mettre en place les conditions nécessaires pour réaliser des enregistrements in vivo dans des conditions de tête fixe dans le laboratoire de Paris.

Les décharges en bouffées de potentiels d'actions seront analysé à l'aide de l'analyse ISI, et le burstiness sera corrélé avec la modulation de la décharge en fonction de la direction de la tête. Nous examinerons si les cellules de la couche 4 déchargent préférentiellement lors de la mise à jour visuelle. Les résultats in vivo seront confrontés à des enregistrements de couche 4 dans la préparation de la tranche, et à leur recrutement suite à une double stimulation des entrées ATN et RSC.

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La capacité à se situer, se repérer et s’orienter dans l’environnement est une caractéristique fondamentale de la vie animale. Le sens de l’orientation est issu de la combinaison de différentes informations sensorielles permettant de se situer dans l’environnement, de le mémoriser pour plus tard le reconnaître. Les réseaux neuraux de l’orientation sont ainsi étroitement liés à ceux qui codent le stockage de la mémoire épisodique au cours de la vie de l’individu (Buzsáki and Moser 2013). La vision joue un rôle prépondérant dans le codage spatial de l’environnement par ces réseaux ; pourtant les bases cellulaires et les circuits responsables de l’ancrage de l’orientation dans l’environnement visuel restent à déterminer.

Le présent projet s’intéresse au présubiculum, une structure para-hippocampale dont les neurones codent, à la façon d’une boussole, la direction de la tête dans l’environnement. Ce signal est issu des informations vestibulaires qui codent les mouvements de la tête dans l’espace. Ces informations sensorielles sont transformées en un signal de direction au sein de l’hypothalamus par le noyau mamillaire latéral, puis envoyées au présubiculum via le noyau thalamique antérodorsal.

Le présubiculum joue un rôle essentiel dans l’intégration visuo-vestibulaire : sa lésion altère le signal de direction de la tête qui devient indépendant des indices visuels de l’environnement. Nous nous intéressons particulièrement au rôle joué dans cette intégration par les neurones de la couche 4 du présubiculum qui projettent directement et spécifiquement sur le noyau mamillaire latéral et présentent des propriétés caractéristiques de décharges en bouffées (Huang et al 2017; Yoder et al. 2015). Nous proposons que ces bouffées de potentiels d’actions exercent un rétrocontrôle essentiel pour l’ancrage visuel du signal de direction de la tête. Nous pourrons spécifiquement contrôler ces bouffées par la pharmacologie, et une stratégie intersectionelle génétique, ciblant les canaux calciques responsables des bouffées.

Au cours de cette collaboration entre les laboratoires de Paris et de Berlin, nous voulons étudier les mécanismes sous-tendant l’ancrage visuel de l’orientation spatiale. Par une approche multi-échelle, nous souhaitons évaluer le rôle joué par les propriétés cellulaires et synaptiques des neurones, ainsi que le rôle des propriétés émergeants du réseau et des interactions au sein du système.

En combinant des enregistrements in vivo au cours de tâches comportementales à des études anatomiques et électrophysiologiques in vitro, nous répondrons aux questions suivantes :

(1)-Est-ce que le rétrocontrôle exercé in vivo par le présubiculum sur les régions générant le signal de direction de la tête dépend spécifiquement des neurones de la couche 4?
(2)-Quels sont les mécanismes neuronaux et synaptiques qui permettent le recrutement de ces neurones et contrôlent les décharges en bouffées ?
(3)-Quel est le signal encodé par les neurones de la couche 4 et quel est sa place dans les interactions visuo-vestibulaires in vivo ?
(4)-Les décharges en bouffées des neurones de la couche 4 sont-elles nécessaires à l’ancrage visuel du signal de direction de la tête?
(5)-Quel est la part prise par la dynamique à court terme des synapses pour décoder les bouffées du signal de rétrocontrôle ?

Notre projet est soutenu par la récente démonstration d’une organisation interne propre au réseau de direction de la tête (Peyrache et al. 2015). Notre approche multi-échelle combinant des enregistrements unitaires in vivo à des manipulations optogénétiques des propriétés synaptiques et intrinsèques in vitro nous distingue de toutes les études réalisées précédemment. La collaboration rapprochée entre les travaux menés au sein des 2 laboratoires et la complémentarité des expertises Françaises et Allemandes nous permettra de faire progresser la compréhension des interactions visuo-vestibulaires à l’origine de l’orientation spatiale.