Projet ANR-10-JCJC-1403 – MicroCer : Traitement modulaire de l'information dans le cortex cérébelleux
Programme : JCJC : Sciences de la vie, de la santé et des écosystèmes :  Neurosciences (JCJC SVSE 4)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Philippe Isope (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ALSACE)
Partenaires : Centre national de la recherche scientifique
Montant : 242278.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Traitement de l’information dans le cervelet et coordination motriceNotre objectif a été de comprendre comment l’information est traitée à l’intérieur d’un module cérébelleux, puis comment elle est communiquée aux autres modules afin de générer une sortie motrice adaptée.
Déterminer les modes opératoires du traitement des informations entrantes dans le cortex cérébelleuxL’un des enjeux majeurs des neurosciences actuelles est de comprendre comment les microcircuits corticaux intègrent, stockent et utilisent l’information sensorielles afin d’exécuter la bonne action. Les différentes aires corticales sont organisées en modules capables de traiter l’information en parallèle. Notre projet consiste à étudier l’une de ces régions cérébrales, le cervelet, qui traite les informations motrices. Un grand nombre d’entrées sensorielles et motrices convergent vers le cortex cérébelleux, y sont traitées afin de produire une sortie capable de coordonner l’action des unités motrices musculaires et ainsi produire un mouvement adapté à chaque situation. Le cortex cérébelleux est organisé en modules définis par l’une des deux entrées majeure du cortex cérébelleux, les fibres grimpantes. Notre objectif a été de comprendre comment l’information est traitée à l’intérieur d’un module unitaire du cervelet, puis comment elle est communiquée aux autres modules afin de générer une sortie adaptée. La connaissance de ces modes opératoires va permettre de comprendre l’étiologie des mouvements anormaux liés à de nombreuses pathologies, notamment les ataxies.
Déterminer l’organisation spatiale et temporelle des connexions synaptiques dans le cortex cérébelleux de rongeursNous avons développé une méthode d’étude dans laquelle un module prédéterminé pourra être ciblé de façon reproductible et fiable d’animaux en animaux. Cela est rendu possible en utilisant une combinaison de techniques : (1), des souris transgéniques dans lesquels des molécules fluorescentes s’expriment spécifiquement dans un groupe de modules prédéterminés. Cela permet de positionner les outils d’enregistrement dans le même module. (2) Une autre lignée série de souris exprimant des protéines photoactivables a été utilisées dans le but d’enregistrer in vivo la sortie des modules cérébelleux stimulés optogénétiquement. (3) Les techniques d’enregistrement électrophysiologiques nous ont permis de mesurer dans le détail l’organisation des entrées synaptiques dans les différents types cellulaires du cortex cérébelleux et ainsi déterminer comment l’information a été décodée puis stockée par le cortex cérébelleux.(4) Enfin, nous avons utilisé des techniques de photostimulation de produits cagés avec lesquels il est possible de stimuler automatiquement et systématiquement des cellules sur une grande surface, permettant la réalisation d’une carte fonctionnelle des entrées synaptiques des cellules du cortex cérébelleux.
Résumé de la soumission : Comprendre l'émergence de fonctions complexes dans notre cerveau à l'échelle moléculaire nécessite de combler l'espace entre les études d'imagerie fonctionnelle et les neurosciences moléculaires. Fort heureusement, le cerveau est modulaire: les réseaux de neurones du cortex cérébral  sont organisés en circuits locaux ou modules qui traitent des fonctions spécifiques à chaque région du cerveau. Une aire cérébral donnée contient de multiples modules qui permettent un traitement en parallèle de l'information entrante. Les colonnes de dominance oculaire dans le cortex visuel ou le cortex en tonneau du somatosensoriel sont des paradigmes du traitement modulaire de l'information.Notre plus grand challenge en neuroscience est de découvrir les modes opérationnels de ces modules ou microcircuits.Le cervelet joue un rôle majeur dans le contrôle et l'apprentissage des taches motrices. Des données récentes ont démontré que le cortex cérébelleux est essentiel dans le décours temporel précis des éléments du mouvement ainsi que que dans la régulation des oscillations cérébello-thalamo-corticales présentes lors des taches motrices. Pour comprendre et in fine manipuler l'intégration du signal dans le cervelet, les mécanismes de traitement des entrées doivent être élucidées. Bien que l'organisation cellulaire du cortex cérébelleux semble homogène, les études anatomiques et moléculaire ont identifié des modules. Des études fonctionnelles ont démontré que ces modules sont impliqués sélectivement dans la réalisation de taches motrices. Si l'organisation du microcircuit cérébelleux est bien connu, les règles qui déterminent le traitement de l'information au travers de ces microcircuits ne sont toujours connues.Le principal but de ce projet est d'identifier les modes opératoires du traitement de l'information dans le module unitaire du cervelet. Nous allons étudier les connexions intrinsèques à un module donné ainsi que les connexions et les interactions entre modules voisins. Nous étudierons également l'intégration du signal de sortie du cortex cérébelleux via les cellules de Purkinje par les cellules des noyaux profonds du cervelet, la vraie sortie du cervelet. Ces expériences nécéssitent d'isoler des modules individuels et ces entrées spécifiques, nous utiliserons deux techniques optiques récentes: (1) l'utilisation de souris transgéniques dans lesquelles les modules peuvent être visualisés gràce à la GFP. (2) Des techniques transgéniques permettant une stimulation par la lumière des entrées spécifiques à des modules ainsi qu'une activation de certains types cellulaires du cortex cérébelleux.Nous postulons que le ciblage et l'identification de modules individuels du cortex cérébelleux va nous permettre de découvrir les règles fondamentales de l'organisation fonctionnelle modulaire dans le cervelet
Résultats : Nous avons ainsi découvert comment les cellules de Purkinje des modules cérébelleux intègrent les informations entrantes, véhiculées par les fibres moussues, lorsqu'elles surviennent à haute fréquence et caractérisé une forme de potentiation à long terme contrôlée par l'inhibition. Nous également mis en évidence l'existence d'une organisation synaptique fonctionnelle stéréotypée et conservée d'animaux en animaux.  Parmi les développements techniques réalisés au cours de ce projet, nous avons mis en place la photostimulation de produit cagé en utilisant un système de balayage rapide. Mais surtout nous maitrisons aujourd'hui les techniques d'injections virales qui nous permettent d'exprimer la Channelrhodopsine et ses variants dans les noyaux précérébelleux et ainsi stimuler spécifiquement les fibres moussues dans les tranches de cervelet. Enfin, nous avons pu caractériser la première souris transgénique exprimant la Channelrhodopsine dans les cellules de Purkinje, créée en collaboration avec Fekrije Selimi (Collège de France) et Clément Léna (Ecole Normale Supérieure). Cette nouvelle lignée nous a permis de démontrer l'existence fonctionnelle de la boucle olivo-cortico-nucléaire in vivo. Ces résultats montrent que les cellules de Purkinje sont capables de contrôler l'une des entrées majeure du cortex cérébelleux, les fibres grimpantes. Nous maitrisons maintenant dans le laboratoire les techniques permettant de créer des nouvelles lignées, ainsi de nouvelles constructions sont en cours de développement.
Perspectives : En conclusion, nos résultats démontrent que les modules cérébelleux s’associent entre eux dans le cortex via les fibres parallèles. La régulation de la transmission synaptique peut se faire à plusieurs échelles de temps. Ainsi la coordination du traitement de l’information motrice dans le cervelet pourrait être directement liée à l’existence de cette communication inter modulaire dans le cortex cérébelleux. Si tel est le cas, une désorganisation de ces mécanismes pourrait conduire à des mouvements anormaux. C’est pourquoi, à la suite de ce projet nous allons engager une étude plus approfondie de la communication intermodulaire en relation avec des pathologies cérébelleuses telles que les dystonies. Nous postulons ainsi que la compréhension de ces mécanismes va nous permettre de proposer des thérapies compensatoires pour ce type d’altération de la coordination motrice.
Publications et brevets : 3 articles scientifiques majeurs dont un ayant fait l’objet d’un communiqué de presse par le CNRS ont déjà été publiés au cours de ce projet montrant l’adaptation à la fréquence des circuits cérébelleux ainsi que l’organisation  modulaire du trajet de l’information dans le cervelet. 4 autres articles sont soumis et un autre en préparation.   
Sigoillot SM et al. Cell Rep. 2015 Feb 4
Chaumont J et al. PNAS. 2013 Oct 1;110(40):16223-8. Communiqué de presse 
Valera AM et al. J Neurosci. 2012 Feb 29;32(9):3267-80