CE37 - Neurosciences intégratives et cognitives

Intégration de l’information spinale motrice et sensorielle par le cortex cérébelleux pendant la locomotion – SpinoCereLoco

Integration of spinal sensorimotor information in the cerebellar cortex during locomotion.

Our unique approach allows us to break the cycle of the motor command to sensory stimulation into individual components and observe the individual impact of each component on the cerebellum. This will allow us to test the hypothesis that the cerebellar cortex of mammals adapts to cancel the effect of any sensory stimulus that consistently accompanies a motor command and provide an understanding of those mechanisms.

Implementation of the fictive locomotion preparation with 2-photon microscopy, and imagery of populations of identified cells in the cerebellar cortex.

The initial objectives of this project were to recruit a postdoc to the project, build a new two-photon microscope, implement the fictive locomotion preparation underneath the microscope, and begin to image populations of identified cells in the cerebellar cortex. This initial phase would involve strong collaboration between the two partners because they each have expertise in one aspect of the two components of the experiment. Marin Manuel would be responsible for implementing and training the postdoc to perform the decerebration and fictive locomotion and Brandon Stell would be responsible for building the microscope, the imaging and daily oversight of the cerebellum experimentation with the postdoc. This unique approach of combining the fictive-locomotion preparation with experiments probing cerebellar physiology allows us to break the cycle of the motor command to sensory stimulation into individual components and observe the individual impact of each component on the cerebellum.

Two-photon setup
We have constructed and now routinely use a new 2-photon microscope in the lab (Fig 1) that is dedicated to the SpinoCereLoco project. This microscope has been designed for the fictive locomotion preparation and employs resonant scanning galvanometers that allows us to image large populations of neurons in the cerebellum (Fig 1) with 0.03 s between image frames.


Fictive locomotion preparation
One hurdle that we had to overcome was to transfer the knowledge and expertise of the fictive locomotion preparation from the team of Marin Manuel to the team of Brandon Stell. This became of even more extreme importance when we learned that Marin would be leaving France for the United States and would not be able to give daily hands-on help with the preparation. However, despite the difficulty presented by the health crisis Murat successfully learned the preparation and is now independently performing experiments on the preparation for the last 6 months.

2-photon imaging during fictive locomotion and stimulation of identified limb nerves
To observe the effect of individual sensory and motor components involved in locomotion on the neurons of the cerebellar cortex, we began by imaging Purkinje cells expressing the calcium indicator GCaMP7f. In figure 1 we show an example of how these experiments quickly bore fruit. A train of stimuli delivered to the sural nerve of the right hind-limb produces a delayed and maintained activation of a large population of Purkinje cell somata imaged in lobule IV/V of the vermis (Fig 1A). In the dendrites of the same cells (Fig 1B) the response of the stimulus is localized to a small subset of dendrites and produces an immediate and brief increase in dendritic [Ca2+].

Electrophysiological recordings during fictive locomotion
To determine the origin of the calcium increases observed in Purkinje cells resulting from the nerve stimuli we are routinely performing cell-attached recordings from the various cell-types found in the cerebellar cortex.

Shortly after the recruitment of the postdoc to work on this project the COVID19 pandemic started and we were forced to close the lab for several months. Furthermore, at the beginning of the project, Marin Manuel accepted a position at the University of Rhode Island in the United States, and moved his lab at the beginning of 2021.

Fortunately, the major contribution of Marin Manuel to this project was planned for the very beginning of the project when he would train Brandon and the postdoc how to perform the surgery necessary for the decerebrate preparation. The combination of the lockdown with the departure of Marin could have been disastrous for the project but we were able to complete the training before Marin’s departure in early 2021. The project is now proceeding as planned with the recruited postdoc performing experiments with Brandon Stell in regular consultation with Marin Manuel.

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Les théories sur le fonctionnement du cervelet proposent que le cervelet des mammifères utilise des modèles internes, comme ceux décrits dans la théorie du contrôle, pour distinguer les stimuli externes et internes. Un modèle interne se sert d’une copie de la commande motrice pour prédire les informations sensorielles qui vont être générées pendant le mouvement et les annuler. Ce modèle est attrayant d’un point de vue théorique, et il semble être en accord avec des observations obtenues dans des structures cérébelleuses des vertébrés inférieurs (Bodznick et al., 1999) et des souris (Singla et al., 2017). Néanmoins, la base neuronale de ce fonctionnement reste à décrire, principalement car il est techniquement difficile de séparer la réponse sensorielle produite par le mouvement et la copie d'efférence à l'origine de ce dernier. Par conséquent, le débat est toujours ouvert sur la manière dont le cortex cérébelleux permet la coordination des mouvements, y compris lors d’une tâche relativement simple comme la marche (Medina, 2011). Nous mettrons à profit l’expertise combinée de deux équipes pour dissocier l’information sensorimotrice produite par un mouvement simple en ses composantes motrices et sensorielles individuelles, et nous utiliserons les techniques d’électrophysiologie et d’imagerie 2-photons pour comprendre comment chacune des ces deux composantes, soit isolée, soit combinée avec l’autre, est traitée et transformée par une population de cellules dans le cervelet. Nous nous appuierons sur ces résultats acquis sur une préparation réduite pour ensuite comprendre comment les informations motrices et sensorielles sont combinées dans le cervelet de souris éveillées courant sur un tapis roulant.

Nos deux équipes ont réalisées, de façon indépendantes, des progrès techniques nous mettant dans la position unique de pouvoir à présent dissocier les effets produits par la commande motrice envoyée vers le cervelet des effets produits par le retour sensoriel généré par le mouvement lui-même. La moelle épinière et le tronc cérébral contiennent des réseaux de neurones, appelés générateurs de patrons centraux (CPGs), capables de générer des activités motrices rythmiques et stéréotypées (marche, respiration, etc.). Les CPGs sont capables de générer les activités rythmiques lorsque que le cerveau a été enlevé chirurgicalement (préparation décérébrée), et ces activités continuent à être produites même lorsque l’animal est paralysé, et donc en l’absence de retour sensoriel (locomotion “fictive”). Nous utiliserons le système de locomotion fictive pour dissocier les messages sensoriels et moteurs impliqués dans la locomotion de façon à produire un éclairage nouveau sur le traitement de l’information sensorimotrice par le cervelet.

Nous testerons l’hypothèse que les microcircuits du cervelet s’adaptent en ajustant les poids synaptiques au niveau des cellules de Purkinje, de sorte à combiner puis soustraire tout message sensoriel fortement corrélé à la commande motrice.

Coordinateur du projet

Monsieur Brandon Stell (Institut des Neurosciences Paris Saint-Pères)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

SPPIN Institut des Neurosciences Paris Saint-Pères
SPPIN Team3 Institut des Neurosciences Paris Saint-Pères

Aide de l'ANR 592 990 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2019 - 48 Mois

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