Projet ANR-13-BSV4-0004 – MINICOG : Bases Neurales de la Cognition dans un Mini Cerveau
Programme : Blanc - SVSE 4 - Neurosciences (Blanc SVSE 4)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Martin GIURFA (Centre de Recherches sur la Cognition Animale)
Partenaires : Centre de Recherches sur la Cognition Animale
Montant : 360033.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 42 mois
Résumé : Bases Neurales de la Cognition dans un Mini CerveauComprendre comment le cerveau réalise des traitements cognitifs et enregistrer simultanément l'activité neuronale sous-jacente constitue un objectif ambitieux dans le domaine des neurosciences. En dépit de leur cerveau miniaturisé, les abeilles en libre vol apprennent des règles conceptuelles de complexité surprenante et leurs substrats neuronaux peuvent être systématiquement étudiés grâce à une variété de techniques invasives applicables à une abeille immobilisée.
Des abeilles dans un environnement visuel virtuelLe lien manquant entre ces deux approches expérimentales réside dans le fait que les analyses neuronales sont extrêmement difficiles chez ses animaux en vol libre. Ce projet vise à combler cette lacune et à comprendre comment un cerveau relativement «simple» former des concepts et apprend des règles. Récemment, plusieurs travaux du responsable de projet ont montré que les abeilles en libre vol apprennent des concepts abstraits dans le domaine visuel. Nous allons donc étudier les capacités d'apprentissage et discrimination visuelle d'abeilles immobilisées dans un environnement visuel virtuel. Nous cherchons ainsi à caractériser les traces neurales de ces capacités.
Materiels et MethodesNous utiliserons une combinaison de méthodes comportementales et neurobiologiques afin de quantifier l'activité cérébrale chez des abeilles suspendues dans un compensateur de locomotion conçu pour l'analyse de leur orientation visuelle. Il s’agit d’un dispositif expérimental dans lequel une abeille immobilisée par le thorax est placée sur une sphère creuse dont les mouvements, induits par la marche de l'abeille, sont enregistrés par des capteurs optiques qui permettent de reconstituer la trajectoire de marche. L’abeille marchant sur le compensateur sera exposée à des stimuli visuels présentés à l’intérieur d'une arène cylindrique Les stimuli visuels seront renforcés ou non renforcés afin que les abeilles apprennent à résoudre des discriminations visuelles élémentaires et conceptuelles. En même temps, nous accéderons au cerveau de l’abeille afin d’identifier les corrélats neuronaux de ces deux formes d’apprentissage. Des analyses neuroanatomiques seront réalisées afin de quantifier le volume des lobes optiques, corps pédonculés et corps central, avant et après un apprentissage conceptuel ou un apprentissage discriminatif simple. Des régions du circuit olfactif seront mesurées en tant que contrôles. Les variations de volume détectables suite au conditionnement seront corrélées à la complexité de la tâche cognitive entraînée. Par ailleurs, une inactivation réversible et sélective des neuropiles visuels et des corps pédonculés sera réalisée par la voie de d’injections d'anesthésiques locaux. De cette façon, l'implication de ces structures dans l'apprentissage visuel, conceptuel et simple, seront déterminées. Des multielectrodes seront implantés dans les lobes optiques (medulla, lobula) et dans les corps pédonculés afin d’enregistrer l'activité neurale et ses possibles variations suite à des apprentissages visuels conceptuels et simples.
Résumé de la soumission : Comprendre comment le cerveau réalise des traitements cognitifs d’ordre supérieur, déterminer l'architecture neuronale qui permet à un individu d'établir des règles conceptuelles, et enregistrer simultanément des décisions comportementales et l'activité neuronale sous-jacent au cours d'un apprentissage complexe sont, jusqu'à présent, des objectifs ambitieux et de grande difficulté dans le domaine de la psychologie, l'éthologie et les neurosciences. Dans le cas d’un insecte modèle, l’abeille domestique Apis mellifera, les deux niveaux - comportemental et neuronal - ont été intensivement caractérisés, mais de façon indépendante. En dépit de leur cerveau miniaturisé, les abeilles en libre vol apprennent des règles conceptuelles de complexité surprenante et leurs substrats neuronaux peuvent être systématiquement étudiés grâce à une variété de techniques invasives applicables à une abeille immobilisée. Le lien manquant entre ces deux approches expérimentales réside dans le fait que les analyses neuronales sont extrêmement difficiles chez ses animaux en vol libre. Ce projet vise à combler cette lacune et à comprendre comment un cerveau relativement «simple» former des concepts et apprend des règles. Récemment, plusieurs travaux du responsable de projet ont montré que les abeilles en libre vol apprennent des concepts abstraits dans le domaine visuel. Nous utiliserons une combinaison de méthodes comportementales et neurobiologiques afin de quantifier l'activité cérébrale chez des abeilles suspendues dans un compensateur de locomotion conçu pour l'analyse de leur orientation visuelle. Il s’agit d’un dispositif expérimental dans lequel une abeille immobilisée par le thorax est placée sur une sphère creuse dont les mouvements, induits par la marche de l'abeille, sont enregistrés par des capteurs optiques qui permettent de reconstituer la trajectoire de marche. L’abeille marchant sur le compensateur sera exposée à des stimuli visuels présentés à l’intérieur d'une arène cylindrique Les stimuli visuels seront renforcés ou non renforcés afin que les abeilles apprennent à résoudre des discriminations visuelles élémentaires et conceptuelles. En même temps, nous accéderons au cerveau de l’abeille afin d’identifier les corrélats neuronaux de ces deux formes d’apprentissage. Des analyses neuroanatomiques seront réalisées afin de quantifier le volume des lobes optiques, corps pédonculés et corps central, avant et après un apprentissage conceptuel ou un apprentissage discriminatif simple. Des régions du circuit olfactif seront mesurées en tant que contrôles. Les variations de volume détectables suite au conditionnement seront corrélées à la complexité de la tâche cognitive entraînée. Par ailleurs, une inactivation réversible et sélective des neuropiles visuels et des corps pédonculés sera réalisée par la voie de d’injections d'anesthésiques locaux. De cette façon, l'implication de ces structures dans l'apprentissage visuel, conceptuel et simple, seront déterminées. Des multielectrodes seront implantés dans les lobes optiques (medulla, lobula) et dans les corps pédonculés afin d’enregistrer l'activité neurale et ses possibles variations suite à des apprentissages visuels conceptuels et simples. La combinaison des méthodes comportementales et neurobiologiques à utiliser permettra de déterminer 1) les structures nerveuses qui sont nécessaires et suffisantes pour la résolution de problèmes conceptuels dans le domaine visuel, 2) la dynamique de l'activité neuronale sous-jacente à un  apprentissage conceptuel chez les abeilles et 3) les circuits neuronaux élémentaires requis pour réussir un apprentissage d'ordre supérieur. Les connaissances acquises par le biais de ce projet seront implémentées dans un modèle neuronal de l'apprentissage conceptuel, ce qui constituera une contribution fondamentale pour les domaines de la psychologie, les neurosciences et l'informatique.
Résultats : La combinaison des méthodes comportementales et neurobiologiques à utiliser permettra de déterminer 1) les structures nerveuses qui sont nécessaires et suffisantes pour la résolution de problèmes conceptuels dans le domaine visuel, 2) la dynamique de l'activité neuronale sous-jacente à un  apprentissage conceptuel chez les abeilles et 3) les circuits neuronaux élémentaires requis pour réussir un apprentissage d'ordre supérieur. Les connaissances acquises par le biais de ce projet seront implémentées dans un modèle neuronal de l'apprentissage conceptuel, ce qui constituera une contribution fondamentale pour les domaines de la psychologie, les neurosciences et l'informatique.
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