CE37 - Neurosciences intégratives et cognitives

Circuits vestibulo-cérébelleux impliqués dans la cognition spatiale – InVest

Circuits vestibulo-cérébelleux impliqués dans la cognition spatiale

Une étude de la contribution des circuits vestibulaires du tronc cérébral et du cervelet dans la mise à jour du codage de la direction de la tête chez les rongeurs.

Comprendre comment les entrées vestibulaires sont transformées en un signal permettant la mise à jour du codage de la direction de la tête

La mise à jour du codage de la direction de la tête dans le cerveau antérieur à l'aide des signaux vestibulaires issues de l'oreille interne nécessite une leur transformation, et notamment la résolution d'un certain nombre d'ambiguités. Notre objectif est d'identifier les sous-circuits au sein du système vestibulaire qui sont impliqués dans ces opérations, en évaluant en particulier la contribution du vestibulo-cervelet.

Nous utiliserons des traçages anatomiques pour identifier les sous-circuits vestibulaires situés en amont de la voie vestibulaire ascendante impliquée dans la mise à jour du codage de la direction de la tête. Des perturbations optogénétiques couplées à des enregistrements électrophysiologiques et des test de navigation spatiale seront utilisées pour démontrer le rôle de ces sous-circuits dans le codage de la direction de la tête. Enfin des enregistrements électrophysiologiques seront utilisés pour comprendre la nature des opérations réalisées par ces sous-circuits. Toutes les expériences seront réalisées chez le rat en veillant à respecter au mieux la règle des 3D (remplacer, réduire, raffiner).

Les travaux réalisés jusqu'à présent ont principalement consisté en une série de mises au point techniques pour la réalisation des expériences.

Les expériences proprement dites vont pouvoir se dérouler prochainement.

Fayat R, Delgado Betancourt V, Goyallon T, Petremann M, Liaudet P, Descossy V, Reveret L and Dugué GP. 2021, Sensors. 21(18):6318. doi: 10.3390/s21186318

La cognition spatiale repose sur un ensemble de circuits du cerveau antérieur codant la localisation, la vitesse ou la direction du corps dans l’espace. Parmis eux, plusieurs populations neuronales codent la direction de la tête dans le plan horizontal terrestre (perpendiculaire à la gravité). L’activité de ces cellules de direction de la tête (cellules DT) est en grande partie mise à jour par le système vestibulaire, qui collecte et analyse les entrées sensorielles issues des capteurs de mouvements de l’oreille interne (organes vestibulaires). De part leur nature ambiguë, ces entrées sont pourtant, en tant que telles, incapables d’assurer la mise à jour des cellules DT. Les organes vestibulaires, qui mesurent les accélérations et rotations dans un référentiel lié à la tête, sont en effet incapables de fournir une description explicite de la cinématique de la tête dans un référentiel terrestre. Se pose donc la question fondamentale suivante : comment des entrées vestibulaires ambiguës sont-elles transformées en signaux explicites pour la mise à jour des cellules DT ?

Un ensemble d’observations permettent de faire l’hypothèse que le système vestibulaire est capable de lever les ambiguités des entrées vestibulaires dès leur arrivée dans les noyaux vestibulaires (NV) du tronc et la subdivision vestibulaire du cervelet (VC). Des travaux réalisés chez le rat par le coordinateur du projet ont notamment montré que certaines cellules de sortie du VC (cellules de Purkinje) peuvent coder des rotations de la tête selon un axe défini par rapport à la gravité. Notre hypothèse de travail est que l’influence inhibitrice de telles cellules sur leur cibles dans les NV pourrait suffire à soustraire aux entrées vestibulaires codant les rotations de la tête la composante de ces rotations selon le plan horizontal ; il en résulterait alors un signal de rotation selon l’axe vertical, tout à fait approprié pour la mise à jour des cellules DT.

Pour tester cette hypothèse et comprendre les opérations réalisées par le système vestibulaire en amont du codage de la direction de la tête, notre travail s’attellera à identifier, caractériser et manipuler les sous-circuits des NV et du VC qui communiquent avec les cellules DT. Notre consortium rassemble trois équipes aux compétences techniques et scientifiques complémentaires : Guillaume Dugué (partenaire 1, coordinateur), spécialiste de la physiologie du VC, Francesca Sargolini (partenaire 2), spécialiste de la cognition spatiale chez le rongeur et Mathieu Béraneck (partenaire 3), spécialiste de la physiologie des NV.

Notre projet est divisé en trois tâches, chacune dirigée par un partenaire différent. La tâche 1 (partenaire 1) consistera à identifier par des marquages viraux rétrogrades les neurones des NV projetant vers le noyau supragénual (SG), l’un des premiers relais vers la voie des cellules DT, ainsi que leurs cellules de Purkinje présynaptiques dans le VC. La tâche 2 (partenaire 2) visera à caractériser les effets de perturbations optogénétiques de ces neurones sur les cellules DT du thalamus antérodorsal et sur la navigation spatiale. La tâche 3 (partenaire 3) aura pour but de caractériser les sous-circuits des NV projetant sur le SG, et de décrire la sensibilité de ces neurones ainsi que de leur cellules de Purkinje présynaptiques aux mouvements de la tête à l’aide d’enregistrements électrophysiologiques in vivo.

Ce projet, basé sur une séries d’hypothèses fortes testables expérimentalement, s’attaque ainsi à un angle mort majeur de notre connaissance des bases neuronales de la cognition spatiale : la manière dont le cerveau construit des représentations explicites de la cinématique du corps dans l’espace à partir d’informations sensorielles ambiguës. Il devrait permettre de mieux comprendre le couplage entre système vestibulaire et cognition spatiale et ainsi potentiellement éclairer la manière dont certains dysfonctionnements vestibulaires conduisent à des troubles de l’orientation.

Coordination du projet

Guillaume Dugué (Institut de biologie de l'Ecole Normale Supérieure)

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

LNC Laboratoire de Neurosciences Cognitives
IBENS Institut de biologie de l'Ecole Normale Supérieure
INCC CENTRE NEUROSCIENCES INTEGRATIVES ET COGNITION

Aide de l'ANR 596 434 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2020 - 42 Mois

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