plan. 1. introduction fonctions de l hippocampe 1954green & arduinivigilance « comportementale...

CELLULES DE LIEU, HIPPOCAMPE ET MEMOIRE SPATIALE

PLAN DU COURS

1. Introduction

1.1. Existence d'une carte cognitive: un peu d'histoire1.2. Rôle de l'hippocampe dans la mémoire spatiale: mise en évidence

2. Les cellules de lieu: découverte et caractéristiques électrophysiologiques

3. Les cellules de lieu: déterminants sensoriels du contrôle des champsd'activité

3.1. Manipulations de l'environnement3.2. Altérations sensorielles3.3. Manipulations complexes

4. Cellules de lieu et mémoire spatiale

4.1. Approches lésionnelles4.2. Approches métaboliques4.3. Récepteurs NMDA4.4. Encodage spatial, mais pas seulement

5. Généralisation à d'autres espèces?

PLAN

1. INTRODUCTION

FONCTIONS DE L ’HIPPOCAMPE

1954 Green & Arduini Vigilance « comportementale »

1955 Milner & Penfield Mémoire à court terme

1959 Grastyan Comportement d’orientation

1967 Adey Traitement de l’information

1967 Douglas Inhibition comportementale

1969 Olds et Hirano Apprentissage

1969 Vanderwolf Mouvement volontaire

1970 Hirano et al. Habituation

1970 Komisaruk Comportements rythmiques

1971-1978 : John O’Keefe et coll.Traitement et mémorisation

de l’information spatiale,élaboration et exploitation

d ’une carte cognitive

TRANSP. 1

Comportement = association S-R (behaviourisme)

Pavlov (PN 1904) : "la cloche et le fameux chien"SI + SC = RI puis SC = RI(viande) + (son) = (salivation) puis (son) = (salivation)

Thorndicke (1913-1928): "les boîtes à problème et le chat"L'apprentissage n'a lieu que s'il est motivé par rapport à un objectif. Il se fait par rapport aux conséquences d'un comportement.

Skinner (1950-1970): "la boîte de Skinner et le rat"Le renforcement d'un couple S-R associe le S et la R et installe, tout en le consolidant, le conditionnement de la réponse. Il est l'élément-clé de l'apprentissage.

Racines de la conception d'une carte = années 30(point de vue "gestaltiste")

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)

A

BC

DE

TRANSP. 2

Guidage localCarte cognitive

Route : définie par rapport au but du comportement

Carte : indépendante du but, de la tâche ou du comportement

17%

36%

(O ’Keefe et Nadel, The Hippocampus as a Cognitive Map, Oxford University Press, 1978)

TRANSP. 3

Boîte de départ

Boîte d’arrivée(renforcée)

(O ’Keefe et Nadel, The Hippocampus as a Cognitive Map, Oxford University Press, 1978)

TRANSP. 4

1. Exploration libre2. Entraînement au passage dans l'allée centrale3. Blocage de l'allée centrale

Blocage de l'allée

Rep

aire

X

Marcheur

RAT

Rep

aire

X

Mar

cheu

r

RAT

1 mètre

TRANSP. 5

4-TRIAL BLOCKS

1 2 3 4 5 6

ER

RO

RS

0

2

4

6

8

10

12

14

16

CTRL

(Cassel et coll., Neurobiol. Learn. Mem. 69, 1998, 22-45)

GDGD

CA1CA1

CA3CA3

4-TRIAL BLOCKS

2

4

6

8

10

12

ER

RO

RS

TRANSP. 6

HIPP

IBOTENATE

Sham Col1

Col3 Col6

(d’après Jeltsch et al., Neurobiol. Learn. Mem. 76, 2001, 81-105

TRANSP. 7

25%

COLCHICINE

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

(d’après Maguire et al., PNAS 97, 2000, 4398-4403)

0 350Expérience des

conducteurs en mois

Ind

ice

de

volu

me

hip

poc

amp

iqu

e (P

OS

T)

*

**

*

GAUCHE

DROITE

TRANSP. 8

2. CELLULES DE LIEU :DECOUVERTE ET CARACTERISTIQUESELECTROPHYSIOLOGIQUES

Plan de coupePlan de coupe

HIPPOCAMPEHIPPOCAMPE

Ant.

Post.

GDGD

CA1CA1

CA3CA3

Électrodesd’enregistrement

TRANSP. 9

Vis de réglage

Chevilles

Ciment dentaire

Electrodemulti-brins

TRANSP. 9'

1971 : O'Keefe et Dostrovsky, Brain Research 34, 171-175

Enregistrement de 76 cellules hippocampiques, dont3 avec activation maximale en rapport avec le lieu

Communauté scientifique

Scepticismpe Cynisme Indifférencede prudence sauvage dédaigneuse

1973 : Ranck, Experimental Neurology 41, 461-531

Approche neuroéthologique : observe, note tout et enregistre.Nombreuses catégories de cellules ("firing repertoires"):

-approche consommatoire-fin de séquence comportementale-début de séquence comportementale-morsure de l'expérimentateur…

Le manuscrit faisait 85 pages. Best et White (Hippocampus 9, 346-351, 1999) :

" Une conclusion que l'on peut faire à partir de l'étude de Ranck est que l'approche neuroéthologique n'est pas très économique en mots. Elle nécessite un grand nombre de mots par cellule"

TRANSP. 9''

flairant

se toilettant

affalé, vigilant

buvant

mangeant

immobile

se déplace

(d’après O ’Keefe et Nadel, The Hippocampus as a Cognitive Map, Oxford University Press, 1978)

TRANSP. 10

GDGD

CA1CA1

CA3CA3

Unité de lieu

Unité de déplacement

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

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

1 s

branche A changéepièce obscurcie


TRANSP. 11

Les cellules de lieu

3. CELLULES DE LIEU :

DETERMINANTS SENSORIELS DU CONTRÔLE DES CHAMPS D'ACTIVITE

OU BIEN

ROTATION 180°

ROTATION 180°

TRANSP. 12

DETERMINANTS SENSORIELS DES CELLULES DE LIEU?

REPERES LOCAUX ?

REPERES DISTAUX ?

Problème posé de manière dichotomique, mais réponse plus complexe !

source lumineuse

ventilateur

sirène

affiche

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 ».


TRANSP. 13


TRANSP. 14

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

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

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

(Muller et coll., cités par Poucet et coll., Rev. Neurosci. 11, 2000, 95-111)

TRANSP. 15

DONC : Champ stable/indice local car indice local stable

DONC : Champ stable/carte cognitive car indice local instable

DONC : Champ stable/indice local car instabilité légère del'indice local

Animal retiré de l’enceinte entre les séances

Animal laissé dans l’enceinte entre les séances

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

(Muller et coll., cités par Poucet et coll., Rev. Neurosci. 11, 2000, 95-111)

TRANSP. 16

Le retrait de l'indice entraîne une instabilité du champ

Le champ reste stable lorsque l'indice est retiré en présence de l'animal

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

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.

TRANSP. 16'

Hill et Best utilisent des rats sourds et leur bandent les yeux :-les champs d'activité suivent la rotation du labyrinthe-quelques cellules ont des champs stables. Si on désoriente le rat avant de le placer dans l'appareil, ces champs deviennent instablesDONC : rôle du système vestibulaire (seulement chez le rat qui ne voit et n'entend pas!)

(Save et coll., cités par Poucet et coll., Rev. Neurosci. 11, 2000, 95-111)

A B

C

A B

C

Fin

Début

Début

Fin

TRANSP. 17

Rats énucléés 8 jours après la naissance : SURPRISE !

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)

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.

TRANSP. 17'

Objets en position centrale

A B

AB

C

C

Objets en périphérie, triangle isocèle

C

A B

C

AB

Objets en périphérie, triangle équilatéral

C

A B

C

AB

(D ’après Cressant et al., cités parPoucet et coll., Rev. Neurosci. 11, 2000, 95-111)

TRANSP. 18

Les indices distaux pilotent (ambiguïté/information directionnelle)

Les indices proximaux pilotent (pas d'ambiguïté)

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)

CORTEX ENTORHINAL(organisation lamellaire et topogra-

phique des terminaisons)

SEPTUM/Ach & GABA(terminaisons diffuses)

CA1

GDCA3

intégration et distributionde l ’information sensorielle

modulation et syn-chronisation (thêta)

TRANSP. 19

FONCTIONNEMENT DU SYSTEME / O'KEEFE ET NADEL, 1978

CO

RT

EX

EN

TO

RH

INA

L

GYRUS DENTE

TRANSP. 20

4. CELLULES DE LIEU ET MEMOIRE SPATIALE

CONT.A

CONT.A

CONT.B

CONT.B

LESIONHIPP. DORS.

50 j. 1 j.

10 j.1 j.

ENTRAINEMENT

TEST: MESURE: %age de freezing

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

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

TRANSP. 21

Hippocampe, lieu de stockage de la carte?

En fait, on peut montrer que sa lésion perturbe l'acquisition de nouvellesinformations, pour l'instant non spatiales (mais ne perturbe pas le rappeld'informations préalablement acquises)

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

ETUDE LESIONNNELLE

N

W

N

W

(d’après Ramos, Eur. J. Neurosci. 10, 1998, 3295-3301)

LEARNING-SURGERY INTERVAL

1 d 16 d 32 d 64 d

% C

OR

RE

CT

40

50

60

70

80

90

% C

OR

RE

CT

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

SHAM HIPP

ENTRAINEMENT1d

16d

32d

64d

TEST

8d

LTEST

8d

LTEST

8d

LTEST

8d

L

TRANSP. 22

CTRL

HIPP

ETUDE LESIONNNELLE

APPRENTISSAGE(3 branches appatées/8)

5 jours

25 joursMEME TEST

MEME TEST

ACTIVATIONNEOCORTICALE

NOUVEAU TEST

ACTIVATIONHIPPOCAMPIQUE

ACTIVATIONHIPPOCAMPIQUE

D ’après Bontempi et al., Nature 400, 1999, 671-675.

TRANSP. 23 ETUDE METABOLIQUE

-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 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,

-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.

DONC :

TRANSP. 23'

SYSTEME DES CELLULESDE LIEU

SYSTEME D’INTEGRATIONRAPIDE D ’EVENEMENTS

NOUVEAUX

STOCKAGE A LONGTERME (LENT)

CORTEX ENTORHINAL

INFORMATIONS SENSORIELLES

(d’après Poucet et coll., Rev. Neurosci. 11, 2000, 95-111)

Contexte spatial

Représentation spatiale

MODULE NEOCORTICAL

MO

DU

LE

HIP

PO

CA

MP

IQU

E

Convergence

complément

séparation

TRANSP. 24

1 2 3

4

5 6 7

8

9

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 1ROOM 2MK-801

No Drug MK-801

(d’après Shapiro et O ’Connor, Behavioral Neuroscience 106, 1992, 604-612)

TRANSP. 25

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

DONC, 2 mécanismes en jeu :-NMDA-dépendant pour acquérir-NMDA-indépendant pour "travailler" sur les représentations consolidées

TRIAL

LA

TE

NC

Y

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

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

15 sec 120 min20 min

CTRL

HIPP

(d ’après Steele et Morris, Hippocampus 9 (1999) 118-136)

15 sec20 min120 min

1 2221 1

TRANSP. 26

Test dans une piscine de Morris, PF déplacée tous les jours (on comparelatence 1/latence 2 en jouant sur le délai entre deux essais, le traitement chirurgical ou pharmacologique (D-AP5 : antagoniste NMDA))

LESION

INJECTION

(d ’après Steele et Morris, Hippocampus 9 (1999) 118-136)

15 sec120 min

TRIAL

1 2 1 2

LA

TE

NC

Y

0

20

40

60

80

D-AP5,intrahipp.

LCRa

TRANSP. 27

INJECTION

DONC :

Les antagonistes NMDA devraient interférer avec la stabilité de la formation et/ou la formation des champs récepteurs des cellules de lieu.

ET SURTOUT :

Les antagonistes NMDA devraient rester sans effet sur la stabilité des champs récepteurs des cellules de lieu préalablement établis.

TRANSP. 27'

NaCl MK-801

Cell. A

Cell. B

Cell. C

ENV. FAMILIER

ENV. FAMILIER

ENV. NON-FAMILIER

(d’après Shapiro et Eichenbaum, Hippocampus 9, 1999, 265-384)

30 min.

TRANSP. 28

DONC :

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 récente (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!

Voyons deux exemples:

TRANSP. 28'

Séance 1 Séance 2

N

S

N

S

Rat

Rat

Rat

(d ’après Skaggs et McNaughton, Journal of Neuroscience 15, 1998, 8455-8466)

TRANSP. 29

Les différents cas de figure :

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

(d’après Wood et al., Nature 397, 1999, 613-616)

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

TRANSP. 30

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

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

(INFORMATIONS PROPRES A L ’ENVIRONNEMENT)

VISUELLES

Échelle de pertinenceproximales distales

OLFACTIVES

AUDITIVES

KINESTHESIQUE

TACTILES

SYSTEME DES CELLULESDE LIEU

CARTE COGNITIVE

REPRESENTATION CONTEXTUELLE

CO

MP

AR

AT

EU

R

STOCKAGE A LONG TERME

Consolidation (NMDA)

Rappel (NMDA)

CE

HIPP

NCX

Combinaison des entrées

TRANSP. 31

EN RESUME :

5. GENERALISATION A D'AUTRES ESPECES ?

Et dans d'autres espèces ?

-pas d'indication à propos de l'Homme-des expériences chez le macaque

NB : chez les primates non-humains, l'organisation neuroanatomique de la formation hippocampique est comparable à celle qu'on trouve chez le rat.

TRANSP. 31'

Néocortex

Pariétal Préfrontal Temporal

Gyrusparahippocampique

Cortexpérirhinal

SubiculumGyrusdenté

CA3 CA1

Cortex entorhinal

(d’après Rolls, Hippocampus 9, 1999, 467-480)

TRANSP. 32

OR :-lésion hippocampique chez le macaque = déficits de mémoire spatiale

MAIS :-on n'a jamais trouvé de cellules de lieu dans le SNC du macaque

EXPERIENCES d'ENREGISTREMENT :-tâche de réponse spatiale différée (D,G): cellules spécifiques du côté-cellules de position/cellules du souvenir de la position-tâche de rappel d'une position sur un écran en jouant sur la nouveauté/familiarité (familier en bonne position = renforcement) : cellules qui répondent à la position d'un stimulus, quel qu'il soit et cellules qui répondent à la position et à la nature du stimulus

TRANSP. 32'


Activité de la cellule( = active) Regards vers la paroi (n)

TRANSP. 33

FEIGENBAUM & ROLLS, 1991

-Il n'y a pas de cellules de lieu semblables à celles du rat,-Il y a des cellules de direction de la tête-Il y a des cellules de mouvement du corps-Il y a des cellules dont l'activation dépend de l'endroit fixé par le singe

rideau


Champ d'activité de la cellule

TRANSP. 34

DONC : représentation abstraite de l'espace.

REFERENCES :

Anagnostaras et al., Journal of Neuroscience 19 (1999) 1106-1114. Benhamou et Poucet, Behavioural Processes 35 (1996) 113-126. Best et al., Annual Reviews in Neurosciences 24 (2001) 459-486. Best et White, Hippocampus 9 (1999) 346-351. Cressant et al., Hippocampus 9 (1999) 423-431. Maguire et al., PNAS 97 (2000) 4398-4403. Moser and Paulsen, Current Opinion in Neurobiology 11 (2001) 745-751. Muller et al., Hippocampus 9 (1999) 413-422. O'Keefe, Hippocampus 9 (1999) 352-364. Poucet et al., Reviews in the Neurosciences 11 (2000) 95-111. Ragozzino et al., Experimental Brain Research 139 (2001) 372-376. Ramos, European Journal of Neuroscience 10 (1998) 3295-3301. Redish, Behavioural Brain Research 127 (2001) 81-98. Rolls, Hippocampus 9 (1999) 467-480. Shapiro, Archives of Neurology 58 (2001) 874-881. Shapiro et Eichenbaum 9 (1999) 365-384. Sharp P.E., Hippocampus 9 (1999) 432-443. Skaggs et McNaughton, Journal of Neuroscience 15 (1998) 8455-8466. Steele et Morris, Hippocampus 9 (1999) 118-136. Taube, Hippocampus 9 (1999) 452-457. Vinogradova, Progress in Neurobiology 45 (1995) 523-583. Wood et al., Nature 397 (1999) 613-616.

TRANSP. 36

plan. 1. introduction fonctions de l hippocampe 1954green & arduinivigilance « comportementale...

Documents

lieu page

skinner et

comportement page

cloche et

hirano et

ample et

lalle page

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