JC Cassel – M2 REPRESENTATION DE LESPACE et CELLULES DE LIEU Daprès Robert Morris, Labyrinthe,...

JC Cassel – M2

REPRESENTATION DE L’ESPACE et CELLULES DE LIEU

D’après Robert Morris, Labyrinthe, 1999

JC Cassel – M2

Plan du cours

Une carte, qu’il disait…

Crépitements et balbutiements…

Y a-t-il un pilote…

Instrumentation de bord…

Et la boussole…

Mémoire de lieu ou lieu de mémoire

Et chez l’Homme ?

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Les cellules de lieu

Une carte, qu’il disait…

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INTRODUCTION (1)

On trouve déjà des croquis dans certaines grottes préhistoriques, qui pourraient correspondre à des représentations du territoire occupé par leur(s) dessinateur(s).

Mésopotamie, 2500 avant JC ; carte en terre cuite (vallée d’un fleuve)

Image satellite

GPS embarqué

Carte de Cassini, Louis XV

Carte « T dans l’O » du XIII° siècle (enluminure);convention =

Asie

Eur Afr

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INTRODUCTION (2)

Tous ces instruments, tous ces relevés signent un besoin impératif de se repérer dans le temps et dans l’espace, et si ces besoins existent, c’est parce que le cerveau traite ces informations.

En ce qui concerne l’espace, le repérage n’est toutefois pas suspendu à l’usage systématique d’une carte matérialisant un trajet (mémoire-représentation):

On peut mémoriser un parcours (système pas très souple)

On peut mémoriser une configuration (système plus souple, car permet le raccourci)

L’animal est capable de (et doit même) se forger une représentation de l’environnement dans lequel il vit (se nourrit, se reproduit, se repose) ; depuis Tolman, on parle de la « carte cognitive » (milieu XX°)

A

BC

D

E

A

BC

D

E

Route / trajet

Carte

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INTRODUCTION (3)

Propriétés des routes par rapport aux cartes

Route Carte

Le stimulus final en est le but ; la route en est indissociable

Rigides (effets des altérations)

Elevée

Peu

Facile

Faible

La carte est construite indépendamment du but

Très flexibles (bruit et altérations)

Faible

Enorme

Difficile (codages multiples et complexes)

On peut comparer des cartes, des lieus

Motivation

Flexibilité

Vitesse

Information

Usage

Manipulation

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représentation mentale qu’un individu se fait de l’organisation de l’espace dans lequel il se trouve.

une représentation interne mentale qui implique que l’individu est capable d’inférer les relations, les distances ainsi que les directions qui lient différents points de l’espace sans avoir eu une expérience directe de chacun de ces points.

le concept de carte cognitive n’a pas 60 ans, et ne s’est imposé que vers la fin des années 70, en ce qui concerne l’animal (même si les recherches sur l’orientation dans l’espace sont plus anciennes / oiseaux migrateurs).

des arguments convergents ont fini par l’associer solidement (mais pas exclusivement) à une structure cérébrale particulière qu’on appelle l’hippocampe : l’hippocampe joue un rôle essentiel dans la représentation de l’espace, mais il n’est pas la seule structure impliquée.

cette association a été « un accouchement dans la douleur » puisqu’elle a dû s’imposer à contre-courant des conceptions behaviouristes.

INTRODUCTION (4) : LA NOTION DE « CARTE COGNITIVE »

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Racines de la conception d'une carte = années 30(point de vue "gestaltiste " : S-R trop figé)

Théorie gestaltiste: psychiatrie-psychanalyse(Fritz Perls, années 40)

Gestalten = mettre en forme, donner une structure(d’où un intérêt focalisé sur la mise en relation des éléments) Configuration traitée comme un tout

Tolman : "la carte " L'animal se forge une représentation mentale de son environnement = "carte cognitive" (les lieux sont représentés les uns par rapport aux autres, plutôt que par rapport à la position de l'organisme)

Mis sur la piste dès 1929…

HISTORIQUE (1) : LE COURANT GESTALTISTE

" If you watch animals, and watch them very closely, they will tell you what you ought to do next. "

D. Meyer (neurobiologiste et psychologue US)

1886-1959

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HISTORIQUE (2) : TOLMAN et LA CARTE

Tâche du labyrinthe en « demi-soleil »

Départ

Arrivée

-4 nuits consécutives (3 essais/nuit),

puis

Départ

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16%

Départ

Comment expliquer que 77% des rats aient choisi le bon côté, et que plus du tiers d’entre eux se soient retrouvés au bon endroit ?

Pour Tolman, c’est la carte ! MAIS…


Tâche du labyrinthe en « demi-soleil »

36%

0% 77%

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Boîte de départ

Boîte d’arrivée(renforcée)

PROTOCOLE :

• Exploration libre (pas d’association, pas de renforcement)

• Entraînement au passage dans l'allée centrale

• Blocage de l'allée centrale

Blocage de l'allée


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La carte cognitive:

est le résultat d’un traitement central des informations spatiales et ce traitement est indépendant d’un renforcement (il s’agit d’un codage des aspects spatiaux d’une configuration 3D),

requiert une sélection et une organisation de l’information spatiale selon les relations spatiales qui relient les différents éléments constitutifs d’un environnement,

la représentation est celle d’un environnement vaste,

Ces points ont amené Gallistel (1990) à poser le principe d’un isomorphisme fonctionnel : correspondance formelle entre processus mentaux (ou neuronaux) et événements du monde extérieur (configuration = relations et opérations combinatoires sur le plan spatial)

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Crépitements et balbutiements…

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Amaral and Witter, 1995

f. mouss

Coll. Schaff.

CEfaisc. perf.

DGCA3

CA1

CA1

CA2

CA3DG

LES CELLULES DE LIEU (principe de l’approche) (1)

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Plan de coupePlan de coupe

HIPPOCAMPEHIPPOCAMPE

Ant.

Post.

GDGD

CA1CA1

CA3CA3

Électrodesd’enregistrement


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Vis de réglage

ChevillesCiment dentaire

Electrodemulti-brins


flairant

se toilettant

affalé, vigilant

buvant

mangeant

GDGD

CA1CA1

CA3CA3

Unité de lieu

Unité de déplacement

Toutes sortes de profilsd'activité des cellulesenregistrées par rapport aucomportement de l'animal

LES CELLULES DE LIEU (4)

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immobile

se déplace

Cellules de déplacement :Activité électrique dechamp = Rythme thêta(env. 8 Hz, ample et lent)

1 s

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branche A changée& pièce obscurcie


Champ d’activité de la cellule de lieu

sec

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Y a-t-il un pilote… ?

LES DETERMINANTS SENSORIELS DES CELLULES DE LIEU (1)

OU BIEN ROTATION 180°

REPERES DISTAUX ?

ROTATION 180°

REPERES LOCAUX ?Champ d’activité de la cellule de lieu

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Locaux vs. distaux: le problème est posé de manière dichotomique, mais la réponse est plus complexe

Protocole: rats affamés, équipés de dispositifs d’enregistrement convertissant chaque spike en un flash lumineux émis par une diode (LED). Ce flash est capté par une caméra qui enregistre les coordonnées d ’émission. Le rat doit, à partir d ’une branche de départ, rejoindre une branche-cible (où il est nourri), passer par la branche « non-cible » avant de retourner dans la branche de départ (où il reçoit un complément de nourriture). On joue sur la disposition de l’environnement extérieur, l ’orientation du rat, et les branches « départ », « cible » et « non-cible ».

source lumineuse

ventilateur

sirène

affiche

180°

Alternatives ?

ESPACE ALLOCENTRE ESPACE EGOCENTRE

Problème de cette démonstration ?

180°

90°

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Donc :

Il existe dans l'hippocampe, une partie au moins d'un système comprenant des cellules dont l'activité est corrélée à la position de l'animal dans son environnement spatial.

Ces cellules semblent "pilotées" par une information sensorielle, dont la nature est visuelle.

Question :

Jusqu'à quel point les champs d'activité des cellules de lieu sont-ils stables ?

Cette question se pose par rapport à une éventuelle mémorisation de l’information spatiale

JC Cassel – M2

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LES DETERMINANTS SENSORIELS DES CELLULES DE LIEU (3’)

17

21

21

25 45

5 15

11

0

1

Cumul des activations au cours d’une séance d’enregistrement


Allure des enregistrements actuels

V. Paz-Villagrán, E. Save, B. Poucet, EJN 20, 1379

rienMax (> 20/s)

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Lenck-Santini et al., J Neurosci 22, 9035

rienMax (> 20/s)

STABILITE DES CHAMPS D’ACTIVITE DES CELLULES DE LIEU (1)

Même principe d’approche dans un dispositif simplifié

tps

12

34

1 2 3 4

Animal retiré de l’enceinte entre les séances (180°)

DONC : Champ stable/indice local car indice local stableJC Cassel – M2


Animal laissé dans l’enceinte entre les séances (180°)

DONC : Champ stable/carte cognitive car indice local instable

Animal laissé dans l’enceinte entre les séances (45°)

DONC : Champ stable/indice local car instabilité légère de l'indice localJC Cassel – M2


Animal retiré de l’enceinte entre les séances

Animal laissé dans l’enceinte entre les séances

Le retrait de l'indice entraîne une instabilité du champ

Le champ reste stable lorsque l'indice est retiré en présence de l'animalJC Cassel – M2


Animal laissé dans l’enceinte entre les séances et les indices olfactifs du plancher sont brouillés.

Le retrait de l'indice conjugué au brouillage olfactif entraîne une instabilité du champ

Les cellules de lieu participent à un processus de traitement de l’information spatiale qui se base, dans la mesure du possible, sur les éléments qui, dans un environnement donné, sont susceptibles de permettre une orientation, et donc sur des éléments stables.

L’instabilité de ces éléments, lorsque flagrante, se traduit par une dérive/réorganisation des champs d’activité des cellules de lieu (déroute ou nouveau codage spatial?)

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Qu’en est-il de la stabilité dans le temps ? Epiphénomène transitoire ou reflet d’un véritable processus de traitement avec composante mnésique ?

2 jours

2 semaines

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N

Pièce A

Une cellule, un seul champ, une fois pour toute dans un seul environnement ? ou plutôt une cellule, plusieurs champs dans différents environnements?

Pièce B

N

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Expériences de manipulation de l'environnement sensoriel

pluralité de canaux sensoriels / champs

On retient

Prédominance visuelle Compensation olfactiveou autre possible

Champs d'activité d'une cellule donnée :

- différents dans plusieurs dispositifs- stables pendant une séance (plusieurs heures)- stables pendant des séances espacées par plusieurs semaines à condition que l'agencement de l'environnement reste stable- indépendants de la direction d'accès

EN RESUME

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A B

C

Début

Fin

RATS ENUCLEES 8 JOURS APRES LA NAISSANCE

EN RESUME / PREDOMINANCE VISUELLE (1)

B

C

Fin

Début

A

Cette expérience montre que si la vision est prédominante, elle n’est pas indispensable

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D'OU:

-Les informations visuelles ne sont pas indispensables à la navigation -La disposition des objets s'avère suffisante à assurer une navigation-Ce dernier système est toutefois moins fiable et nécessite un calibrage plus fréquent (NB : rats aveugles bien plus souvent au contact des objets); il est capable d'intégrer des informations propres aux mouvements effectués (informations kinesthésqiues), et probablement aussi des informations olfactives et tactiles.

DONC :

L'utilisation d'indices locaux non-visuels et d'indices kinesthésiquesest suffisante à assurer une navigation, à condition que l'animal aitpu interagir avec son environnement.

QUESTION :

Tous les indices sont-ils équivalents en matière de contrôle de l'activitédes cellules de lieu?

Jeu sur la configuration, le potentiel d'indication directionnelle d'une configuration d'objets et la proximité des objets par rapport au centre d'une enceinte.

EN RESUME / PREDOMINANCE VISUELLE (2)

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Idée de jouer sur le niveau d’ambiguité du positionnement d’objets identiques dans un environnement circulaire

Triangle isocèle

Triangle équilatéral

En plus, on met en compétition les indices distaux et les indices proximaux !

INDICES PROXIMAUX vs. DISTAUX ET AMBIGUITE (1)

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Objets en position centrale(triangle isocèle)

A B

C

Les indices distaux pilotent (ambiguïté/information directionnelle : plus on est proche du centre, moins les objets auront de potentiel directionnel) ;

Les indices distaux « pilotent » les cellules de lieu.

AB

C


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C

A B


Objets en position périphérique(triangle isocèle)

C

AB

Les indices proximaux pilotent (pas d'ambiguïté)La configuration de leur position permet une navigation fiable

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Objets en position périphérique(triangle équilatéral)C

AB

Les indices proximaux pilotent (peu d'ambiguïté), mais il y a desratés par rapport à la configuration des objets (conflits entre deuxsystèmes de traitement de l'information ?)

C

A B


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EN RESUME

Les cellules de lieu appartiennent à un système complexe de traitement et de codage de l'information spatiale. Ce traitement peut s’opérer sur la base d’informations allothétiques (locales ou distales) ou idiothétiques.

Ce système est très rapide et très souple en matière d’initialisation et de réinitialisation du traitement.

Ce système est alimenté de façon prédominante par l’information visuelle, mais il est capable d'intégrer une multitude d‘autres informations sensorielles (olfactives, auditives, kinesthésiques…). Cette intégration implique d’autres aires que l’hippocampe (cortex visuel, cortex pariétal).

Il sélectionne, voire trie les informations les plus pertinentes en termes de direction, d'organisation spatiale et de stabilité d’un environnement.

On peut le piéger en jouant sur le niveau de cohérence entre différentes sources d’informations (ce qui veut dire qu’on peut en anticiper la réponse et le décalage éventuel).

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L’instrumentation de bord…

Hippocampe Subiculum

Cortex entorhinal

Cortex périrhinal Cortex rétrosplénial

Cortex parietal Cortex visuel

HIPPOCAMPE ET STRUCTURES NEOCORTICALES: EFFETS DE LESIONS (1)

Dans un labyrinthe radial :- réduction du nombre de cellules de lieu- activité des cellules de lieu plus timide- rotation du labyrinthe : la majorité des cellules de lieu (65%) perdent leur champ d'activité- les autres ont un champ d'activité qui suit la rotation

J1 J2

ou

J3

Dans une enceinte rectangulaire :-pas de modification en quantité et qualité des cellules de lieu-mais perte de la stabilité des champs d'activité d'un jour à l'autre

J1 J2 J3

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Hippocampe Subiculum

Cortex entorhinal

Cortex périrhinal Cortex rétrosplénial

Cortex parietal Cortex visuel

Dans un champ ouvert avec 3 objets différents:-pas d'effet sur la stabilité des champs d'activité, qui suivent une rotation des objets- après rotation, on retire les objets : chez témoins : stabilité (36%), disparition (27%) et retour en "pré-rotation" (15%, contre 48%)

Inactivation temporelle(tetracaïne)

Dans un labyrinthe radial :- altère la stabilité des champs d'activité en acquisition et rétention- ces altérations sont corrélées aux déficits induits par l'inactivation

Dans une enceinte pourvue de trois objets différents :- pas de modification en quantité et qualité des cellules de lieu- les champs d'activité des cellules de lieu suivent la rotation des objets avec une fidélité très réduite (utilisation d'indices sensoriels différents : odeurs et bruits de la pièce)

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DONC:

Une atteinte de l'une ou l'autre des régions corticales connectées directement ou indirectement à l'hippocampe, et qui a (ou non) pour conséquence une altération des performances cognitives d'ordre spatial, peut aussi interférer avec l'une ou l'autre des caractéristiques fonctionnelles des cellules de lieu, mais sans oblitérer leur fonctionnalité.

Cette interférence ne se fait pas en « tout ou rien », ce qui suggère que le mécanisme d’intégration de l’information spatiale est distribué, plurimodal et plastique, au moins dans une certaine mesure.

Qu’entendre par distribution ? Il y a des structures qui acheminent de l’information spatiale, d’autres qui intègrent ces informations et certaines qui les stockent. Le traitement et l’intégration peuvent être étagés.

Les cellules de lieu ayant été décrites dans l’hippocampe, cette structure pourrait jouer un rôle central dans les processus d’intégration, éventuellement de stockage (stabilité des champs d’activité), de l’information spatiale.

Effets d’une atteinte ou d’une altération des fonctions hippocampiques ?

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Et la boussole…

LES CELLULES DE DIRECTION DE LA TETE (1)

Décrites pour la première fois par Ranck en 1984, elles sont indépendantes de la position occupée par le rat dans son environnement, Leur activation est corrélée strictement à la direction de la tête; elles fonctionnent à la manière d’un compas, On ne les trouve pas dans l’hippocampe, mais dans des régions connectées à l’hippocampe (subiculum, postsubiculum) et d’autres plus lointaines (striatum)

Taube et al., J. Neurosci, 1990, 420

Zone d’enregistrement Dispositif d’enregistrement

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Exemple: 3 cellules

-90°

Indépendance / corps et position

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265°70°



Spectre directionnel (pas de préférence) Stabilité (1 cellule / 12 séances)

2 séances, 15 jours entre Enregistrements

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Déterminants sensoriels : précautions méthodologiques (neutralisations des informations visuelles distales, olfactives et auditives; animal retiré avant tout changement) Plusieurs appareils sont utilisés :

ou ou carte à 3 h

Ordre des séances d’enregistrement :

standard (enceinte circulaire) – rotation de la carte – standard – retrait de la carte – standard – rectangle – standard – carré – standard

Effet de la rotation de la carte :

A: carte à 6 h (+90°)

B: carte à 9 h (180°)

La rotation n’est donc pas stricte-ment identique à celle de la carte, mais toujours elle s’en rapproche.

162° (au lieu de 180)72° (au lieu de 90)

Taube et al., J. Neurosci, 1990, 436JC Cassel – M2


Relation entre rotation de la carte et préfé- rence directionnelle (0-360° et 360 à 0°)

Retrait de la carte / puis remise en place

120°

120°

S1,3, 5 : cercle; S2 : rectangle; S4 : carré

Rat déplacé à la main dans l’enceinte

libre

main

Taube et al., J. Neurosci, 1990, 436 JC Cassel – M2


Taube et al., J. Neurosci, 1990, 436 JC Cassel – M2

…rotation de 180° de la carte… suivi imparfait mais en parallèle…


Rôle du système vestibulaire (enregistrement puis lésion et suivi; séance = 8 min) Lésion par infusion trans-tympanique d’arsanilate de sodium

Stackman et Taube, J. Neurosci 17, 1997, 4349

Plus ou moins rapidement après la lésion vestibulaire, l’activation sélectivement directionnelle des cellules de direction disparaît (dans l’heure pour l’effet le plus rapide).

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Rôle du système vestibulaire (comportement moteur)

Stackman et Taube, J. Neurosci 17, 1997, 4349

Rotations lentes de la tête , rapides

Avant la lésion, la vitesse de déplacement angulaire de la tête avait un effet sur le niveau d’activation des cellules de direction; cet effet est aboli par la lésion

Après lésion, l’activation n’est en rapport ni avec la direction de la tête ni avec une quelconque organisation temporelle

Après lésion Avant lésion

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LES CELLULES DE DIRECTION DE LA TETE : EN RESUME

activation maximale lorsque l’axe de symétrie de la tête du rat pointe dans une direction particulière; l’activation décroît de part et d’autre de cet axe (base environ 90° et activation maximale entre 5 et 120 PA/s; 0-50 PA/s pour les cellules de lieu),

cette direction est indépendante de l’emplacement de l’animal dans un environnement donné, et il n’y a qu’une seule direction préférentielle par cellule (on peut avoir plus d’un champ d’activité pour les cellules de lieu),

leur activité est basée sur des indices visuels (comme les cellules de lieu) et lorsque ces derniers sont déplacés ou retirés, l’activité des cellules persiste, mais leur direction préférée est modifiée (lorsqu’ils sont modifiés en présence du rat, ce dernier peut se baser sur d’autres indices stables et ses cellules de direction de la tête peuvent conserver une direction préférentielle constante),

la modification des indices visuels altère la direction préférentielle, mais ne semble pas avoir d’impact sur l’écart entre les directions préférentielles différentes cellules de direction de la tête,

DONC: comme c’est le cas pour les cellules de lieu, leurs propriétés sont décrites au mieux dans leur lien avec les relations qu’un animal établit avec son environnement. Le système vestibulaire joue un rôle déterminant dans le fonctionnement de ces cellules de direction.

JC Cassel – M2

LIEN ENTRE CELLULES DE DIRECTION DE LA TETE ET CELLULES DE LIEU ?

Si lien, alors une altération du fonctionnement des cellules de direction de la tête doit influencer les propriétés fonctionnelles des cellules de lieu.

On trouve des cellules de direction de la tête dans le post-subiculum et dans le noyau dorsal antérieur du thalamus

Calton et al., J. Neurosci, 2003, 9719 JC Cassel – M2

http://www.jneurosci.org/content/vol23/issue30/images/large/ns2938265001.jpeg

http://www.jneurosci.org/content/vol23/issue30/images/large/ns2938265002.jpeg


Calton et al., J. Neurosci, 2003, 9719

0 PA MAX PA

Cell 1 Cell 2 Cell 3

Cellules de lieu dans l’hippocampe Rotations des indices et cellules de lieu

JC Cassel – M2

ADN et PoS: cohérence spatiale (-20%) et outfield firing (+60%)

http://www.jneurosci.org/cgi/content/full/23/30/9719/FIG3

Calton et al., J. Neurosci, 2003, 9719


Rotations des indices et cellules de direction

-90° +90° +90°

Peu d’effets

Effets marqués(rôle dans le repositionnement de lacarte par rapport à la position du sujet ?)

JC Cassel – M2

Donc, cellules de direction pas indispensables à l’ancrage des cellules de lieu (harmonie du système et mémoire?).


Ragozzino et al., Exp. Brain Res., 2001, 372

Enregistrement de l’activité cellulaire (cellules de lieu vs. cellule de direction) avec manipulation de la position des indices et réarrangements, Enregistrements simultanés dans l’hippocampe dorsal et le striatum pendant que les rats se promènent dans un labyrinthe radial (8 br.).

Champs d’activité – préférences directionnelles

HD 90°

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Rats dans le labyrinthe pendant l’extinction et l’allumage des lumières !


Enregistrement de l’activité cellulaire (cellules de lieu vs. cellule de direction) avec manipulation de la position des indices, Cellules de lieu dans CA1 & cellules de direction dans hippocampe ou noyaux thalamiques antérieurs, Rotations 45° ou 180° rapide, puis rotation lente dans le sens contraire

Cellules de lieu Cellules de direction

deux cellules

Knierim et al., J. Neurophysio 80, 1998, 425

rapide lent

Il y a des ratés


Activité des cellules de lieu et cellules de direction préservée malgré énucléation et privation olfactive et/ou auditive. Rôle du système vestibulaire, de l’orientation et de l’intégration des trajets. Enregistrements dans hippocampe (place cells) ou postsubiculum (direction cells) Rats enregistrés dans un cylindre entouré d’un rideau noir, carte blanche attachée dans le cylindre. Rats en privation alimentaire, pellets tombent au hasard dans l’enceinte. Inactivation du système vestibulaire par injection trans-tympanique de TTX (bilatérale).

TTX

60h

72h

60h

72h

Shift angulaire

Stackman et al., Hippocampus 12, 2002, 291

Pre Recovery

Remapping

Shift radial

30%

150%


30° 96° 0°

retuning

Cellules de direction

Cellules de lieu (et comportement = activité locomotrice)

Stackman et al., Hippocampus 12, 2002, 291

(no shift)(angular shift)

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En résumé

Les expériences de manipulation de l’environnement suggèrent :

- les cellules de direction, comme les cellules de lieu, y sont sensibles,

- les shifts peuvent être comparables, voire identiques en degrés

- il y a des ratés dans les deux systèmes (parfois avec des shifts identiques)

Les cellules de direction pourraient jouer un rôle de boussole(indiquer au cerveau comment il doit tenir la carte)

JC Cassel – M2


Mémoire de lieu ou lieu de mémoire… ?

INTEGRITE HIPPOCAMPIQUE ET MEMOIRE SPATIALE

Processus mnésique en général:

Rappel

Stockage à

long terme

Encodage Consolidation

Mémoire de travail

Stockage à

court terme

Performance

Informationssensorielles

Perte d'information

"Bu

ffer

s" s

enso

riel

s

JC Cassel – M2

Hippocampe pas nécessaire à la mémoire immédiate Hippocampe indispensable à la consolidation d'une information

Mémoire immédiatenormale

Pas de consolidation de l'information nouvelle à plus long terme

Eichenbaum, Nature Reviews 1, 41-50, 1999

Témoin

Hippoc.

HIPPOCAMPE : UN LIEU DE STOCKAGE DE LA CARTE ? (1)

JC Cassel – M2

CONT.A CONT.B

LESIONHIPP. DORS.

50 j. 1 j.

ENTRAINEMENT:

10 x (son-choc) 10 x (son-choc)

CONT.ACONT.B

10 j.1 j.

TEST: MESURE: %age de freezing

Minutes

1 2 3 4 5 6 7 8

Fre

ezin

g (

% t

ime)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Minutes

1 2 3 4 5 6 7 8

Fre

ezin

g (

% t

ime)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

HIPP

HIPP

CTRL CTRL

(d’après Anagnostaras et al., J. Neurosci. 19, 1999, 1106-1114)


DONC:

En fait, on peut montrer que sa lésion perturbe l'acquisition de nouvelles informations, pour l'instant non spatiales (mais ne perturbe apparemment pas le rappel à long terme d'informations préalablement acquises : voir H.M.)

(Champs d’activité des cellules de lieu stables pendant plusieurs semaines…)

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5 jours après 25 jours

MEME TEST

MEME TEST

ACTIVATIONMETABOLIQUE

NOUVEAU TESTACTIVATION

METABOLIQUE

ACTIVATIONMETABOLIQUE


APPRENTISSAGE(3 branches appâtées/8)

JC Cassel – M2


JC Cassel – M2

QUESTION :

EN RESUME

une lésion de l'hippocampe perturbe la mémoire épisodique (de travail) à caractère spatial,

une lésion de l'hippocampe ne perturbe pas le rappel d'une information spatiale mémorisée (et consolidée) depuis un certain temps (long terme),

un apprentissage spatial en cours ou le rappel d'un apprentissage récent se traduit par une activation de l'hippocampe (et l’inactivation de l’hippocampe empêche cette opération),

le rappel d'un apprentissage spatial établi depuis un certain temps s'accompagne d'une activation néocorticale, et non d'une activation de l'hippocampe (et l’inactivation du néocortex empêche cette opération)

la confrontation à une nouvelle tâche, y compris dans le même dispositif, provoque une nouvelle activation hippocampique.

Les cellules de lieu ont, en principe, un champ d’activité stable – Consolidation ?

Altération de la consolidation altération de cette stabilité ?Nous renseignerait sur leur éventuelle implication dans un processus mnésique !

JC Cassel – M2

CELLULES DE LIEU ET TRACE MNESIQUE :

Attributs d’une trace mnésique :

fonction de l’expérience(la formation de la trace est fonction d’une expérience)

spécifique à l’information acquise

durable(la disponibilité de la trace doit persister au-delà de l’exposition à l’information à mémoriser; nécessite une consolidation)

doit être réactivable(la présentation ultérieure d’une partie au moins des indices initiaux devrait réactiver la trace)

JC Cassel – M2

RECEPTEURS NMDA ET CONSOLIDATION

Le labyrinthe radial : test d’apprentissage et de mémoire spatiale

JC Cassel – M2

ROOM 2MK-801

4 8

Wo

rkin

g m

emo

ry e

rro

rs

0

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

1 2 3 4 5 6 7 8

ROOM 1

No Drug MK-801

Entraînement de rats jusqu'à un bon niveau de performances dans un labyrinthe radial classique, puis-MK-801 (antago. NMDA) et nouvel essai dans la même pièce-MK 801 + changement de pièce et nouveau test.

DONC, on a 2 mécanismes en jeu :

-NMDA-dépendant pour acquérir

-NMDA-indépendant pour "travailler" sur les représentations consolidées


JC Cassel – M2


TRIAL

LA

TE

NC

Y

0

10

20

30

40

50

60

70

80

9015 sec 120 min20 min

CTRL

HIPP

1 2221 1

LESION HIPPOCAMPIQUE

TRIAL

1 2 1 2 1 2

LA

TE

NC

Y

0

20

40

60

80

D-AP5, i.c.v.

15 sec 120 min20 min

LCRa

INJECTION

Shapiro et O ’Connor, Behavioral Neuroscience 106, 1992, 604-612

15 sec20 min120 min

TRIAL

1 2 1 2

LA

TE

NC

Y

0

20

40

60

80

D-AP5,intrahipp.

LCRa

15 sec 120 min

JC Cassel – M2

RECEPTEURS NMDA, CONSOLIDATION ET CELLULES DE LIEU

Un blocage des récepteurs NMDA devrait avoir une incidence sur l’établissement de champs d’activité stables (par ex., environnement non familier) Un blocage des récepteurs NMDA ne devrait pas avoir d’incidence sur la stabilité de champs d’activité établis (par ex., environnement familier)

Cell. A

Cell. B

ENV. FAMILIER

ENV. FAMILIER

30 min.

30 min.

20 min.

20 min.MK 801

NaCl Cell. C

ENV. NON-FAMILIER

30 min.

20 min.MK 801

Shapiro et Eichenbaum, Hippocampus 9, 1999, 265-384

JC Cassel – M2

RECEPTEURS NMDA , CONSOLIDATION ET CELLULES DE LIEU

Donc:

Un blocage de la consolidation (par blocage des récepteurs NMDA) bloque la stabilisation du champ d’activité de la cellule de lieu.

Par contre, le blocage des récepteurs NMDA ne modifie pas la stabilité des champs d’activité dans un environnement connu.

JC Cassel – M2

RECEPTEURS AMPA, CONSOLIDATION ET CELLULES DE LIEU

Souris mutantes : KO récepteurs AMPA

WT KO KO

90°

90°

WT:48 cellules enregistrées dans CA1, dont 21 ont un champ d’activité (43.8 %) avec limite bien tranchée

KO:53 cellules enregistrées dans CA1, dont 12 ont un champ d’activité (22.6%) avec limite floue

Yan et al., J. Neurosci., 2002, 1-9 JC Cassel – M2

Rotenberg et al., Cell 87, 1996, 1351-1361

LTP, CONSOLIDATION ET CELLULES DE LIEU (1)

LTP = mécanisme de plasticité Codage et recodage spatial sont des processus démontrant une plasticité Existe-t-il un lien entre LTP et plasticité? Approche sur souris transgéniques (inactivation d’une protéine, la CaMKII) = plasticité altérée (LTP à 100 Hz, mais pas à 6 Hz)!

Dispositif d’enregistrement Potentiels d’action des cellules pyramidales dans CA1

Rythme thêta

WTTG

WT TG

7 Hz

JC Cassel – M2

8 Hz



Trois types de cellules

COMPARAISONS WT vs. TG

WTTG

LTP 100 Hz LTP 10 Hz

JC Cassel – M2



WT TG

Indices de cohérence spatiale

JC Cassel – M2



WT TG

2-3 min

2-3 min

1-2 h

JC Cassel – M2


Souris mutantes : KO récepteurs NMDA (CA1)

Marquage de l’ARNm du récepteur Stim. Collat de Schaffer (P1 et P2; 100 Hz à P1)

Piscine de Morris (probe trial) Dispositif d’enregistrementTsien et al., Cell 87, 1996, 1327-1338 JC Cassel – M2


Taille du champ d’activité (pixels)

106 ± 7

140.0 ± 6 (p < 0.001)

Champs d’activité dans allée en L

Champs d’activité dans allée droite et directionna-lité

McHugh et al., Cell 87, 1996, 1339-1349

Champs d’activitédans champ ouvert

JC Cassel – M2

SYSTEME DES CELLULESDE LIEU

SYSTEME D’INTEGRATIONRAPIDE D’EVENEMENTS

NOUVEAUX

STOCKAGE A LONGTERME

CORTEX ENTORHINAL

INFORMATIONS SENSORIELLES

Contexte spatial

Représentation spatiale

MODULE NEOCORTICAL

MO

DU

LE

HIP

PO

CA

MP

IQU

E

Convergence

complément

séparation

LENT(jours)

RAPIDE(sec-min)

EN RESUME : SCHEMA GENERAL d’ORGANISATION FONCTIONNELLE

JC Cassel – M2

A partir de ce qui précède, on serait assez tenté de considérer l'hippocampe comme la structure cérébrale où sont traitées, encodées, rappelées… toute une série d'informations concernant les caractéristiques topographiques, proximales et distales, de l'environnement dans lequel évolue un animal comme le Rat.

Attention, un tel glissement apparaît assez rapidement comme décalé par rapport à une partie de la littérature, ce que Shapiro et Eichenbaum rappellent dans une revue de question de 1999.

En effet, la prise en compte d'un encodage de l'information "purement" spatiale ne suffit pas à expliquer tous les résultats expérimentaux publiés dans la littérature, et de loin pas (de la même façon, le codage spatial sollicite également d’autres cellules)!

Voyons quelques exemples:

REMARQUES:

JC Cassel – M2

O1O2

P3

P2

P4

127 unités à activité complexe:• 51 sans corrélat spatial (odeur, type d’essai)• 40 avec corrélat spatial (dont 14 pures cellules de lieu)• 36 sans corrélat particulier

P1

P5

9 odeurs (12x chaque),9 positions (1x chaque)

E1 – E2 – Pn = E1 – E2 – Pn = E1 – E2 – Pn = R…(108 essais = 1 séance)

Wood et al., Nature 397, 1999, 613-616

INFORMATIONS SPATIALES ET OLFACTIVES SIMULTANEES

JC Cassel – M2

O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 O8 O9

FIR

ING

RA

TE

(H

z)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9

FIR

ING

RA

TE

(H

z)

0

2

4

6

8

10

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9

FIR

ING

RA

TE

(H

z)

0

1

2

3

4

5

6

O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 O8 O9

FIR

ING

RA

TE

(H

z)

0

1

2

3

4

5

6

POSITION POSITION

ODOR ODOR

Cellule «à odeur» Cellule de lieu

Wood et al., Nature 397, 1999, 613-616

INFORMATIONS SPATIALES ET OLFACTIVES SIMULTANEES

JC Cassel – M2

Et chez l’Homme ?

JC Cassel – M2

Katharina Fritsch – Mann und Maus (1991-1992)

HIPPOCAMPE – MEMOIRE SPATIALE : ET CHEZ L’HOMME (1) ?air

e e

n m

m²

0

20

40

60

80

100

120

air

e e

n m

m²

0

20

40

60

80

100

120

témoinsconducteurs de taxi

ANT INT POST

0 350Expérience desconducteurs en mois

Ind

ice

de

vo

lum

eh

ipp

oc

am

piq

ue

(P

OS

T)

*

**

*

GAUCHE

DROITE

Maguire et al., PNAS 97, 2000, 4398-4403

Volume de matière grise chez des chauffeurs de taxi londoniens (2 ans de formation pour assurer une navigation entre plusieurs milliers d’endroits de la capitale; examen très stricte) Population: 16 chauffeurs, âge moyen 44 ans (32-62), licence depuis plus de 1.5 année (durée de la formation entre 10 mois et 3 ans).

NB: Une étude plus tardive permettra d’exclure une hypo-thèse alternative: que les personnes dont l’hippocampe postérieur droit est plus développé présentent de meilleures capacités de navigation et ont donc une plus forte probabilité de réussir l’examen.

JC Cassel – M2

HIPPOCAMPE – MEMOIRE SPATIALE : ET CHEZ L’HOMME (2) ?

Duke Nukem 3D

Correct, directCorrect, longErreur

Plusieurs conditions d’enregistrement :1. Navigation vers un endroit désigné sur un écran,2. Navigation vers un endroit désigné sur un écran, mais une partie de l’itinéraire possible est barrée et certaines portes sont bloquées,3. Le sujet se déplace en suivant des flèches au sol

Puis on peut procéder à différentes soustraction entre les enregistrements de DSCPar ex. 3 – 1.On peut distinguer uneactivité liée à la navigation et relier cette dernière au

niveau de performance

Maguire et al., Science 280, 1998, 921 JC Cassel – M2


Patient EP:-Encéphalite virale à l’âge de 69 ans avec séquelles graves: lésions importantes des lobes temporaux et amnésies antérograde + rétrograde (40 ans) sévères.

-Il a grandi et vécu dans une région de Californie (Castro Valley) qu’il quitta vers l’âge de 28 pour n’y revenir qu’occasionnellement.-5 Sujets témoins avec une histoire similaire.

Teng et Squire, Nature 400, 1999, 675

Ici à l’âge de 76 ans

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Annonce la bonne direction verbalement, mais montre une autre direction gestuellement à 2 reprises/9.

Etude:On demande à tous les sujets de préciser un itinéraire sur une carte des années 40: 1. entre leur ancienne demeure et plusieurs destinations, 2. entre différentes destinations autres que leur ex demeure 3. entre ces différentes destinations dans l’hypothèse d’un barrage sur l’un des itinéraires indiqués 1 Temps T 2 T + 9 mois

On leur demande aussi de s’imaginer à un certain endroit et d’indiquer la direction d’un autre endroit.


On dispose aussi d’enregistrements de l’activité des cellules au cours d’une tâche de navigation spatiale…- Enregistrements de l’activité cellulaire chez 7 patients épileptiques (on cherche le foyer)-Tâche: explorer un environnement virtuel (une cité) au volant d’un taxi et récupérer des clients- Enregistrement de 317 cellules (dont 67 dans hippocampe et 54 dans les régions parahippocampiques)

Dispositif (3 bât. marqués & 6 non marqués) Cellule à sélectivité de place

Ekstrom et al., Nature 425, 2003, 184JC Cassel – M2


Une cellule donnée peut présenter une sélectivité de place qui est fonction de la consigne:

Chercher le client devant la boutique C Pas de consigne particulière

La même cellule, qui n’est pas active à la vue de la cible ou du client



Il existe aussi des cellules qui répondent sélectivement à l’image d’un lieu, et dont l’activation est également modulable par la consigne :

A est la cible

A n’est pas la cible

Cellule répondant à la vue de A

Même cellule qu’en B, mais consigne porte sur ADépendance / consigne

%age de cellules répondant à l’image d’un lieu (bleu = boutique)

Cellules d’objectif dans l’hippocampe droit (a: le passager; b: la boutique A)


JC Cassel – M2

En résumé

Le codage de l’information spatiale implique très fortement l’hippocampe (lésion, inactivation réversible, modèles transgéniques...) qui joue un rôle central (mais pas exclusif).

Ce codage repose sur un système complexe de neurones, principalement des régions CA1 et CA3, dont le niveau élémentaire d’organisation est la cellule de lieu.

Des cellules de lieu, ou des cellules aux propriétés comparables, ont été mises en évidence chez le Rat (première espèce), la Souris, le Singe et l’Homme (système commun à tous les vertébrés?).

Les cellules de lieu sont de cellules qui, après un certain temps, s’activent lorsque l’animal se trouve dans un endroit particulier de son environnement, quelle que soit la direction par laquelle il arrive à cet endroit (on appelle cet endroit le champ d’activité de la cellule de lieu).

Chaque cellule de lieu a un champ d’activité particulier qui restera stable des jours, des semaines et des mois, à la condition que l’environnement reste inchangé.

Lorsque cet environnement est modifié (et que l’animal n’assiste pas à la modification), le champ d’activité de la cellule de lieu est lui aussi modifié: on dit que la cellule procède à un recodage spatial (remapping); lorsque l’animal assiste à la modification, cette dernière est intégrée par le système.

CODAGE SPATIAL ET REPRESENTATION DE L’ESPACE (1)

JC Cassel – M2


Le champ d’activité d’une cellule de lieu donnée n’est pas piloté par un stimulus sensoriel particulier de l’environnement.

Les modalités sensorielles auxquelles les cellules de lieu sont sensibles sont multiples: quoique principalement visuelles, elles peuvent être olfactives, auditives, kinesthésiques… (allothétiques, idiothétiques).

En l’absence d’indices externes, qu’ils soient proximaux ou distaux, le codage de l’information spatiale peut aussi s’appuyer sur les déplacements de l’animal (plus grande marge d’erreurs, et même d’autant plus grande qu’il peut y avoir sommation de ces dernières).

Lorsqu’une partie de l’environnement est modifiée, il peut y avoir recodage de cette partie sans pour autant que la partie stable de l’environnement ne soit recodée.

Ces processus qui s’opèrent dans l’hippocampe sont des points de convergence de l’intégration d’une multiplicité d’informations impliquant une série d’aires corticales associatives (en amont).

La stabilité d’une représentation spatiale pourrait reposer sur des mécanismes de consolidation impliquant des processus cellulaires et moléculaires sous-tendant la plasticité synaptique (et donc les récepteurs NMDA et la synthèse protéique).

Le système des cellules de lieu opère de concert avec un système de codage directionnel indépendant de la position d’un animal (boussole/positionnement carte).

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HIPPOCAMPE

SUBICULUM

CORTEXENTORHINAL

POSTSUBICULUM

NOYAU MAMMILLAIRETHALAMIQUE

NOYAU TEGMENTALDORSAL

THALAMUSDORSO-LATERAL

CORTEXPARIETAL POSTERIEUR

CORTEXRETROSPLENIAL

NOYAU THALAMIQUEANTERO-DORSAL

CORTEXOLFACTIF

CORTEXAUDITIF

CORTEXVISUEL

INFO SENSORIELLECELLULES DE LIEUCELLULES DE DIRECTION

NOYAU VESTIBULAIRE

Le système impliqué dans la représentation de l’information spatiale :

JC Cassel – M2

JC Cassel – M2

Bibliographie (de loin non exhaustive)

Agnihotri NT, Hawkins RD, Kandel ER, Kentros C. The long-term stability of new hippocampal place fields requires new protein synthesis. Proc Natl Acad Sci U S A. 2004 Mar 9;101(10):3656-61.

Burgess N, Maguire EA, O'Keefe J. The human hippocampus and spatial and episodic memory. Neuron. 2002 Aug 15;35(4):625-41.

Ekstrom AD, Kahana MJ, Caplan JB, Fields TA, Isham EA, Newman EL, Fried I. Cellular networks underlying human spatial navigation. Nature. 2003 Sep 11;425(6954):184-8.

Calton JL, Stackman RW, Goodridge JP, Archey WB, Dudchenko PA, Taube JS. Hippocampal place cell instability after lesions of the head direction cell network. J Neurosci. 2003 Oct 29;23(30):9719-31.

Fyhn M, Molden S, Witter MP, Moser EI, Moser MB. Spatial representation in the entorhinal cortex. Science. 2004 Aug 27;305(5688):1258-64.

Georges-Francois P, Rolls ET, Robertson RG. Spatial view cells in the primate hippocampus: allocentric view not head direction or eye position or place. Cereb Cortex. 1999 Apr-May;9(3):197-212.

Hargreaves EL, Rao G, Lee I, Knierim JJ. Major dissociation between medial and lateral entorhinal input to dorsal hippocampus. Science. 2005 Jun 17;308(5729):1792-4.

Hok V, Save E, Lenck-Santini PP, Poucet B. Coding for spatial goals in the prelimbic/infralimbic area of the rat frontal cortex. Proc Natl Acad Sci U S A. 2005 Mar 22;102(12):4602-7.

Jeffery KJ, Hayman R. Plasticity of the hippocampal place cell representation. Rev Neurosci. 2004;15(5):309-31. Lever C, Wills T, Cacucci F, Burgess N, O'Keefe J. Long-term plasticity in hippocampal place-cell representation of environmental geometry. Nature. 2002 Mar 7;416(6876):90-4.

JC Cassel – M2

Bibliographie (suite)

Maguire EA, Burgess N, Donnett JG, Frackowiak RS, Frith CD, O'Keefe J. Knowing where and getting there: a human navigation network. Science. 1998 May 8;280(5365):921-4.

Moser EI, Paulsen O. New excitement in cognitive space: between place cells and spatial memory. Curr Opin Neurobiol. 2001 Dec;11(6):745-51.

Nakazawa K, McHugh TJ, Wilson MA, Tonegawa S. NMDA receptors, place cells and hippocampal spatial memory. Nat Rev Neurosci. 2004 May;5(5):361-72. Review.

Parslow DM, Morris RG, Fleminger S, Rahman Q, Abrahams S, Recce M. Allocentric spatial memory in humans with hippocampal lesions. Acta Psychol (Amst). 2005 Jan-Feb;118(1-2):123-47.

Stackman RW, Clark AS, Taube JS. Hippocampal spatial representations require vestibular input. Hippocampus. 2002;12(3):291-303.

Stackman RW, Taube JS. Firing properties of head direction cells in the rat anterior thalamic nucleus: dependence on vestibular input. J Neurosci. 1997 Jun 1;17(11):4349-58.

Steffenach HA, Witter M, Moser MB, Moser EI. Spatial memory in the rat requires the dorsolateral band of the entorhinal cortex. Neuron. 2005 Jan 20;45(2):301-13.

Taube JS, Muller RU, Ranck JB Jr. Head-direction cells recorded from the postsubiculum in freely moving rats. II. Effects of environmental manipulations. J Neurosci. 1990 Feb;10(2):436-47.

Taube JS, Muller RU, Ranck JB Jr. Head-direction cells recorded from the postsubiculum in freely moving rats. I. Description and quantitative analysis. J Neurosci. 1990 Feb;10(2):420-35.

Teng E, Squire LR. Memory for places learned long ago is intact after hippocampal damage. Nature. 1999 Aug 12;400(6745):675-7.

JC Cassel – M2 REPRESENTATION DE LESPACE et CELLULES DE LIEU Daprès Robert Morris, Labyrinthe,...

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