Enregistrements multi-photonique in vivo du potentiel de membrane dans les circuits inhibiteurs cérébelleux participant à la séparation de patrons – MuVRICC

Le traitement efficace des informations perçues lors de l’exploration d’environnement complexe implique que les circuits neuronaux doivent séparer les patrons d’activités qui représentent des informations sensori-motrices similaires. La séparation de patrons, qui est un processus cérébral central pour lequel le cervelet semble s’être spécialisé, est préalable à leur classification. Dans le cortex cérébelleux, la séparation des afférences excitatrices (fibres moussues FM) est assurée par des millions de cellules granulaires (CGr) alors que la classification des patrons semble être assurée par les cellules de Purkinje supervisée par une entrée via la fibre grimpante.
Les théories classiques (Marr, 1969) et points de vue actuels (D’Angelo et al., 2013) supposent que la séparation des patrons d’entrées afférentes se déroule en deux étapes: leur recodage grâce à l’expansion combinatoire des CGr suivi par une réduction de l'activité des CGr par le biais d'un contrôle de gain. Les cellules de Golgi (CGo) qui constituent la principale source d'inhibition des CGr fournissent un barrage inhibiteur dépendant des entrées. Cependant, un tel mécanisme ne semble pas être le moyen le plus efficace de séparer les patrons de FM. En effet, la mise en commun d’un contrôle de gain sélectionnerait les CGr connectées aux FM les plus actives, et non les CGr répondant aux patrons les plus saillants dans un contexte particulier. De plus, ce mécanisme ne permet pas de séparer les patrons qui partageraient des entrées FM de niveau d’activité élevée similaire mais qui diffèreraient par d'autres aspects importants suggérant l’existence d’autres mécanismes.
Les CGo ont une anatomie idéale pour implémenter un contrôle de l’excitabilité des CGr et fournir le contraste spatial et temporel requis. Cependant, des propriétés singulières de leurs microcircuits auraient dû être prises en compte pour évaluer complétement leurs fonctions. Il a été montré que la décorrélation des patrons est améliorée par des boucles récurrentes. D’ailleurs, les CGo sont à la croisée de circuits synaptiques qui forment ces boucles, notamment les circuits Purkinje-Lugaro-CGo et cellules inhibitrices nucléo-corticales-CGo qui pourraient désinhiber la couche granulaire le long de l’axe médiolatéral. En revanche, les fibres grimpantes, associées à l’apprentissage supervisé, influencent l’activité des GCo par une transmission à la fois excitatrice et inhibitrice. De plus, l’organisation parasagittale de leurs synchronies pourraient enrichir le processus de séparation de patron selon un axe orthogonal, ce dernier évoluerait donc selon l’apprentissage. Malheureusement, ni les enregistrements de ces circuits, de population de CGo, ni leur influence sur les CGr ont étaient effectué chez l’animal en comportement.
Récemment, nous avons réalisé une première mondiale en enregistrant le potentiel de membrane de plusieurs cellules par acquisition multi-photonique chez l’animal en comportement en combinant l’utilisation d’un indicateur de Voltage génétiquement encodé et la microscopie à accès aléatoire ultra-rapide. Cette technologie révolutionnaire nous donne un accès sans précédent aux enregistrements par paires optiques des membres des circuits présynaptiques des CGo et leurs CGr lors de tâches motrices impliquant des ajustements posturaux.
Nous proposons d’étudier comment et grâce à quelles règles et mécanismes un réseau inhibiteur pourrait sous-tendre une séparation de patron optimisée. De fait, nous testerons l'hypothèse originale selon laquelle les boucles réentrantes qui sont sous l'influence de la sortie du cortex cérébelleux façonnent de manière contextuelle l’activité de CGo individuelles qui sont couplées électriquement.
Notre but est donc de démontrer que la mise en forme spatiale et temporelle des CGr par ces microcircuits vont au-delà des fonctions et circuits canoniques et fournit un substrat pour que les réseaux de neurones réalisent la séparation optimisée des patrons.