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Principes de fonctionnementdes générateurs neuronaux d’activité rythmiques

Central Pattern Generators(CPG)

Respiration (breathing)Rythme Cardiaque (heart beat)Marche (walking)Mastication, peristaltisme (peristalsis)Vol, Nage, (flight, swimming) etc.Fonctions

Oscillateur thalamocortical (rythmes du sommeil)Olive inférieure (horloge, coordination temporelle des mouvements)Chant des oiseaux etc.

« Building Blocks »

Propriétés intrinsèques cellulaires

Propriétés des connexions synaptiques

Plan de câblage

conductancesmembranaires

Modulation (sensorielle, centrale, hormonale)

Nombre de neurones

Approches expérimentales:Bottom-up (in vivo)Top-down (in vitro, culture)ModélisationRéseaux Hybrides

(Systèmes moteurs)

Principes des CPG

Central pattern generators (CPGs) are neural networks that can endogenously (i.e.without rhythmic sensory or central input) produce rhythmic patterned outputs; thesenetworks underlie the production of most rhythmic motor patterns (Marder andCalabrese, 1996; Stein et al., 1997). The first modern evidence that rhythmic motorpatterns are centrally generated was the demonstration that the locust nervoussystem, when isolated from the animal, could produce rhythmic output resemblingthat observed during flight (Wilson, 1961 cited in Marder and Calabrese, 1996).Subsequent work showed that, in a wide variety of animals, nervous systemsisolated from sensory feedback could produce rhythmic outputs resembling thoseobserved during rhythmic motor pattern production. This work has further shown thatrhythmic pattern generation does not depend on the nervous system acting as awhole, but that CPGs are instead relatively small and autonomous neural networks.

Pour en savoir plus :- Marder E and Calabrese RL (1996) Principles of rhythmic motor pattern production. PhysiologicalReviews 76: 687–717- Simmers J, Meyrand P and Moulins M , Modulation and dynamic specification of motor rhythm-generating circuit in crustacea. J Physiol. (Paris) 89: 195-208 (1995)- Calabrese RL (1995) Oscillations in motor pattern-generating networks. Curr Opin Neurobiol5:816 –823

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Le « Central Pattern Generator »  du rythme cardiaquede la sangsue

A Tutorial of the Leech Heart Interneuron 8-Cell Model:calabreselx.biology.emory.edu/INTRO/INDEX.HTML

Historiquement, l’étude des réseaux de neurones biologiques, et notamment les réseaux de neurones moteurs, adébuté sur une controverse entre deux écoles. Ceux qui soutenaient que les patrons moteur rythmiquesrésultaient d’une chaîne de réflexes emboîtés les uns dans les autres et les tenant de l’hypothèse “ centrale ”c’est-à-dire que les programmes moteurs sont fabriqués par des réseaux centraux (CPG pour “ central patterngenerator ”), des groupes de neurones qui peuvent produire une activité organisées et répétitive de façonindépendante par rapport au monde extérieur et aux informations sensorielles.Une fois cette idée initialement admise, il fallut commencer à identifier les processus et les interactions surlesquels repose l’activité neurale produite par les CPG. Ces activité neuronales rythmiques reposent sur desinteractions synaptiques entre neurones (réseaux neuronaux générateur de rythme) ou sur l’interactions entre lesconductances membranaires des neurones individuels.

Un exemple de réseaux neuronal générateur de rythme est le CPG des battements cardiaques de la sangsue. Ceréseau est assez particulier grâce à sa structure en deux sous-réseaux : 1) Le générateur de rythme de baseconstitué d’un groupe d’interneurones entraineurs (le chef d’orchestre qui bat la mesure). 2) Le générateur depatron qui répond au rythme imposé par le premier, c’est ce deuxième sous-réseau fait d’interneurones suiveursqui met en musique la partition musical et génère le patron moteur destiné à activer les muscles cardiaques enséquences organisées. (voir figures suivantes)

Pour en savoir plus : Marder E and Calabrese RL (1996) Principles of rhythmic motor pattern production.Physiological Reviews 76: 687–717

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Le « Central Pattern Generator »  du rythme cardiaquede la sangsue

Ganglion de la chaîne nerveuse ventrale

Soma d’un neurone

HN(L) HN(R)

http://calabreselx.biology.emory.edu

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HN(L) HN(R)

- Each HN3 and HN4 cell makes a reciprocal spike-mediated and graded synaptic connection with itscontralateral homologue.

- The timing of oscillation is dominated by the activityof the third and fourth pairs of heart interneurons

- Reciprocally inhibitory synapses between these bilateralpairs of oscillator interneurons, combined with their abilityto escape from inhibition and begin firing, pace the oscillation

- Each of these two reciprocally inhibitory heart interneuron pairs can be considered an elemental half-center oscillator

Half-Center Oscillatorconcept

No Ih

Intermediate Ih

High Ih

- 1 fast Na+ current that mediates spikes- 2 low-threshold Ca2+ currents

one rapidly inactivating (ICaF)one slowly inactivating (ICaS)],

- 3 outward currents K+ current :a fast transient (IA)two delayed rectifier-like K+ currentsone inactivating (IK1), and one persistent (IK2)]

- 1 hyperpolarization-activated inward current (Ih)(mixed Na+/K+, Erev=-0.020 V),

- 1 low-threshold persistent Na+ current (IP)- 1 leakage current (Il).

The inhibition between oscillator interneurons consists of a graded component that is associated with the low-threshold Ca2+ currents and a spike-mediated component that appears to be mediated by a high-threshold Ca2+ current.Spike-mediated transmission varies in amplitude throughout a burstaccording to the baseline level of depolarization (Olsen and Calabrese 1996).Graded transmission wanes during a burst owing to the inactivationof low-threshold Ca2+ currents.Blockade of synaptic transmission with bicucullineleads to tonic activity in oscillator heart interneurons (Schmidt and Calabrese 1992)Cs+, which specifically blocks Ih, leads to tonic activity

or sporadic bursting (Angstadt and Calabrese 1989).

Spike-mediated and Graded synaptic transmission

Membrane conductances

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The Stomatogastric nervous system

bioag.byu.edu/mlbean/crayfish/photo.htm

Dents gastriques, 2 modes de mastication : « squeeze » « cut and grind »Heinzel, J. Neurophys. 59:528 (1988)www.zoologie.uni-bonn.de/neurobiologie/filme/astacus.movwww.zoologie.uni-bonn.de/Neurobiologie/english/filme/astacus.html

www.pbrc.hawaii.edu/STG/STGoverview.html#pyloric_musc_seq

www.zoologie.uni-bonn.de/neurobiologie/filme/astacus.mov

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Une ‘ puce ’ paucineuronal pour le contrôle de la motricitéhttp://www.lnr.u-bordeaux.fr/en/mod-stomato.php

Neuropile

Soma non excitable

Transmission synaptique graduée

AB

PD

PD

PY

PY

PY

PY

PY

PY

PY

PY

VD IC

LP

Int 1 AM DG

LGGM

GM

GM

GM

LPG LPG

MG

P PE E CG CGCG IVN IVN

PSR AGRGPR

CD1 CD2

MCN1CPN2 MCN5

Gastric Mill and Pyloric CPGs of Lobster

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Van Essen et al. Science 1992Aires visuelles chez le singe macaque

Gastric network

Pyloric network Séquence pylorique

8

LP

LP

AB2PD

AB2PD

8PY

8PY

Les neurones pyloriquessont des oscillateurs conditionnels

- Neurones pacemakers (AB-PD)- Neurones bistables (propriétés de plateau)

Les propriétés de pacemaker ou bistablesont conditionnées par une neuromodulationd’origine externe

Modulation sensorielle, centrale, hormonale

Stabilité et Reconfiguration fonctionnelle des circuits neuronaux

Stabilité structurelle : Réseau hybrides biologiques et artificiels

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Pyloric network

IV

Cardiac sac networkCD1

CD2

Control

Pyloric filter Cardio-pyloric valve

Pyloric filterCardio-pyloric valve

During tonic low frequencysensory (lpln) stimulation

Cardiac sac

La stimulation sensorielle abolieles propriétés de plateau de VD,VD ne peut plus suivre le rythmepylorique rapide

Hooper, Science 244:1587 (1989)

Modulation parun circuitsensoriel (lpln)

Meyrand et al. Nature 351:60 (1991)

Pyloric network

Gastric network

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Création de novo d’un réseau fonctionnel à partir de neurones appartenant à des réseaux différents

Meyrand et al. Nature 351:60 (1991)Simmers et al.,J Physiol. (Paris) 89: 195 (1995)

Modifier, remplacer ou ajouter des neurones à un réseau naturel

Plusieurs protocoles expérimentauxpossibles:

- remplacer un neurone ou un groupede neurones préalablement supprimésdans un réseau réel par un équivalentmodélisé (Configuration « Model-in »)

- Ajouter à un réseau réel un neuroneou un groupe de neuronessupplémentaires

- Intégrer un neuron réel dans unréseau artificiel « Model-out »

- Ajouter ou modifier des connexionssynaptiques artificielles entre neuronesd’un réseau biologique

- Ajouter des compartiments artificiels(dendritiques) à un neuron réel etc.

Le Masson et al.Progr. Biophys. Molec. Biol.64:201 (1995)

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L’activité endogène des neurones pacemakers (PD), associés à leur influencesynaptique sont deux conditions suffisantes pour générer une activité motrice rythmiqueet triphasique

Le Masson et al.Progr. Biophys. Molec. Biol.64:201 (1995)