Modulation cholinergique du traitement cortical de l'information sensorielle tactile : couplage de l'imagerie fonctionnelle a l'optogénétique. – Sensory Processing

Nous utilisons l'imagerie sensible au potentiel qui permet de suivre les dynamiques spatiotemporelles de l'activité corticale à l'échelle de la milliseconde, avec une résolution spatiale de l'ordre de la dizaine de microns. Notre projet visait à combiner cette méthode à l'optogénétique dans le but de visualiser l'activité corticale tout en manipulant, à l'aide de stimulations lumineuses, l'activité des neurones cholinergiques du noyau basal magnocellulaire. Parallèlement à la mise en place des outils nécessaires au contrôle spécifique des neurones cholinergiques à l'aide de la lumière, nous avons combiné l'imagerie sensible au potentiel avec l'utilisation d'un stimulateur tactile multivibrissal, ce qui représente un moyen unique pour étudier la propagation et l'intégration de l'information neuronale dans le cortex somatosensoriel primaire en réponse à des stimulations spatialement distribuées sur la surface réceptrice. Afin de tirer profit au maximum de ces approches nous avons enfin développé une méthode permettant l’alignement des signaux enregistrés par imagerie sensible au potentiel avec la carte cytoarchitecturale du réseau cortical sous-jacent (travail effectué en collaboration avec Gabriel Peyré, CEREMADE).

Le projet Sensory Processing a permis de monter deux postes d'imagerie sensible au potentiel chez la souris, combinant l'imagerie fonctionnelle du cortex somatosensoriel à la stimulation multivibrissale d'une part et à l'optogénétique d'autre part. Nous avons développé et validé une méthode permettant de faire correspondre les images fonctionnelles collectées à l'organisation anatomique du cortex. Nous avons mis en évidence l'organisation spatiale de la sélectivité à la direction globale d'une stimulation de l'ensemble des vibrisses à l'échelle supra-colonnaire. Et nous explorons l'impact des afférences cholinergiques sur les propriétés intégratives du cortex somatosenroriel primaire. Les méthodes mises en œuvre dans le cadre de ce projet sont applicables chez la souris éveillée dans une configuration où la souris est entraînée à avoir la tête immobilisée. Afin de pouvoir explorer un répertoire comportemental plus riche, nous travaillons actuellement au développement d'interfaces fibrées permettant de visualiser les dynamiques corticales, ou de les contrôler de manière optogénétique, par application de motifs lumineux, chez la souris éveillée et libre de ses mouvements.

Nous avons développé une approche expérimentale unique combinant l'outil le plus sophistiqué en matière de stimulation tactile contrôlée (stimulation indépendante et multidirectionnelle les 24 vibrisses principales) et l'imagerie de la représentation corticale de ces 24 vibrisses chez la souris. Au-delà des données acquises sur le traitement de stimuli multivibrissaux, nous allons explorer d'autres aspects de la fonction corticale tels que la capacité du cortex à générer un signal d'attente lié à une forte prédictibilité spatiotemporelle des signaux d’entrée (suite à la présentation répétée de stimuli tactiles complexes et structurés). Nous poursuivrons notre travail sur la neuromodulation à l'aide des outils optogénétiques mis en place. Enfin, nous utiliserons ces outils pour étudier la manière dont les propriétés intégratives du cortex sont altérées lors de pathologies (modèles murins).

Ce travail a donné lieu à une publication dans la revue à comité de lecture «Journal of Neuroscience Methods«. Les résultats obtenus sur l'intégration de stimuli multivibrissaux qui ont fait l'objet d'une thèse de Doctorat, vont donner lieu à un autre manuscrit destiné à être publié prochainement. Ils ont été présentés lors de deux communications au colloque des Neurosciences Françaises, deux communications orales dans des workshops (NeuroScience Workshop Saclay, Gif sur Yvette 2014, Network dynamics at mesoscopic scales, Marseille 2015). Une communication affichée au colloque international de la «Society for Neuroscience« (San Diego, USA 2013), ainsi qu'au colloque satellite, plus spécialisé (Barrels 26th meeting, San Diego, USA, 2013).

Le néocortex est considéré comme une structure éminemment intégrative du système nerveux central chez les mammifères. L’extraordinaire complexité de cette structure et son implication dans les activités cognitives en font un sujet de recherche central dans la neurophysiologie actuelle qui vise à comprendre les bases neuronales de la perception sensorielle et du comportement.
Du fait de sa remarquable organisation topographique, la voie sensorielle des vibrisses chez les rongeurs est un modèle de choix pour l’étude du traitement cortical de l’information sensorielle. Les acteurs neuronaux, ainsi que la cascade d’évènements synaptiques excitateurs impliqués dans cette voie sensorielle ont été largement étudiés à l’aide de méthodes classiques d’électrophysiologie et de neuroanatomie in vitro, ou in vivo, chez l’animal anesthésié. Cependant, il est essentiel de connaître la manière dont ce réseau est activé dans des conditions physiologiques, chez l’animal éveillé.
L’avènement récent de la technologie relative à l’imagerie sensible au potentiel, qui permet d’enregistrer l’activité du cortex sensorimoteur chez la souris éveillée, avec une résolution temporelle de l’ordre de la milliseconde et une résolution spatiale de quelques dizaines de microns a apporté des données précieuses dans ce domaine. De tels enregistrements ont révélé que le comportement de l’animal influe fortement sur les propriétés spatiotemporelles des réponses corticales induites par des stimulations tactiles.
D’un point de vue physiologique, les terminaisons basalo-corticales cholinergiques, qui projettent de manière diffuse sur le cortex, et dont l’implication dans les états de vigilance et d’attention est largement documentée, sont de bons candidats pour participer à cette modulation des réponses sensorielles. Elles peuvent notamment exercer une action excitatrice rapide, via des récepteurs canaux, sur des interneurones inhibiteurs spécifiques du néocortex. Intervenant ainsi au niveau de la transmission rapide du signal, elles pourraient participer à sculpter les réponses corticales induites par les stimulations tactiles.
Afin d’étudier l’influence des afférences cholinergiques sur le traitement cortical de l’information sensorielle, nous utiliserons le système modèle de la voie des vibrisses chez la souris. La modulation des réponses corticales induites par des stimulations tactiles complexes sera étudiée par imagerie sensible au potentiel in vivo ainsi que par enregistrement électrophysiologique massif de dizaines de neurones, couplée à l’activation ou l’inactivation optogénétique des neurones cholinergiques basalo-corticaux. En effet, cette approche expérimentale récemment développée combine des méthodes génétiques et optiques qui permettent d’activer ou d’inhiber sélectivement des populations neuronales choisies avec une excellente résolution spatio-temporelle. Elle est basée sur l’expression ciblée de protéines sensibles à la lumière issues de microorganismes (telles que des canaux cationiques photosensibles pour l’activation, ou des pompes à protons photo-activables pour l’inhibition). En utilisant des souris qui expriment spécifiquement la Cre recombinase dans les neurones cholinergiques, et des vecteurs viraux recombinase-dépendants, nous allons cibler spécifiquement l’expression de ces protéines sensibles à la lumière dans les neurones cholinergiques basalo-corticaux et de ce fait pouvoir contrôler précisément et spécifiquement leur activité.
La réalisation de ce projet va donc nous permettre de mieux comprendre l’implication des projections cholinergiques ascendantes dans la fonction corticale, et d’éclaircir ainsi les mécanismes responsables des déficits cognitifs associés à leur dégénérescence.