Troisième Partie: dynamique du système thalamo-cortical, influence des systèmes neuromodulateurs

Troisième Partie: dynamique du système thalamo-cortical,

influence des systèmes neuromodulateurs.

Les deux Systèmes Thalamo-Corticaux...

GABA

Glutamate

NBMPPTLDTLCRaphe

HT

Glu GABA

Sensory Cortex

SensoryReticular Nucleus

SensoryThalamus

SensoryAfferences Vision

Somatosensory

Auditory

Sensory Cortex

Sensory Thalamus

SensoryReticularNucleus

MonoAminergic Systems

Cholinergic System

NE 5HT

ACh HA

Les études in vitro indiquent que neuromodulateurs changent le mode de décharge des neurones dans tout le réseau thalamo-cortical (McCormick 1992)

Neuromodulateur

Neurone Thalamique (McCormick & Prince 1988)

Neuromodulateurs

Neurone Cortical (Wang & McCormick 1993)

Neuromodulateurs

Neurone du Noyau Réticulaire Thalamique(Pinault & Deschënes 1992)

Les effets des systèmes neuromodulateurs in vivo: Effet de l’Acétylcholine dans le cortex auditif

30 40 50 60 70 80 90Intensité (dB)

30 40 50 60 70 80 90

Intensité (dB)

Fonction Intensité Contrôle

Avec application d' ACh

Contrôle

AChChamp Récepteur Contrôle

Avec application d' ACh

Expansion du champ récepteur (McKenna et al 1989)

Diminution du seuil Acoustique Metherate et al. (1990)

La Noradrénaline diminue les réponses évoquées dans le cortex auditif: elle provoque un rétrécisemment des Chanps Récepteurs et une augmentation du

seuil acoustique (Manunta and Edeline, 1997, 1999) .

10

8

6

4

2

10

8

6

4

2

10

8

6

4

2

10

8

6

4

2

Control

NA 15nA

Post 1 minute

Post 8 minutes

2019181716151413121110

2019181716151413121110

2019181716151413121110

2019181716151413121110

Frequency (kHz)

.

10

8

6

4

2

Control

NA 10nA

10

8

6

4

2

8075706560555045403020

8075706560555045403020

Rétrécissement du champ récepteur Augmentation du seuil Acoustique

Réorganisations Corticales après 3 semaines d’Activation du système Cholinergique (Kilgard et al., 2001)

.

Frequency kHz

"Normal" MapA.

Frequency kHz

After NBM-Tone PairingB.

Best Freq (kHz)

DorsalAnterior

Best Freq (kHz)

DorsalAnterior

020406080

020406080

1 2 4 8 16 32 64 1 2 4 8 16 32 64

Réorganisations après activation du système dopaminergique (Bao et al., 2001)

Bao et al., 2001

Une situation beaucoup plus naturelle: les changements d’état de vigilance...

.

B. Slow-Wave Sleep # 1

17 3331292725232119 35

5

10

15

C. Waking # 2

17 3331292725232119 35

5

10

15

20

D. Slow-Wave Sleep # 2

17 3331292725232119 35Frequency (kHz)

5

10

15

A. Waking # 1

17 3331292725232119 35

5

10

15

20

.

Waking 1

Waking 2

SWS 2

SWS 1

8

40

56

72

80

17 19 21 23 25 27 29 31 33 35

Frequency (kHz)

2

4

W 2W 1 SWS 1 SWS 2

Spontaneous Activity

24

16

32

48

64

80% des neurones du thalamus auditif présente des diminutions de réponses évoquées lorsque l’animal passe en sommeil à Ondes Lentes

la situation est plus diverse en sommeil paradoxal (SP ou REM sleep):Certains neurones sont non-réactifs, d’autres voient leurs

réponses revenir à un niveau normal..

20

15

10

5

15

10

5

B. Slow-Wave Sleep

10 11 201918171615141312

15

10

5

C. Paradoxical Sleep

10 11 201918171615141312Frequency (kHz)

Waking

10 11 201918171615141312

A.

PS

Waking

SWS

0

20

30

40

50

60

70

10 12 14 16 18 20

Frequency (kHz)

D. 1

10

.

5

10

15

20

25

30

35

40

5

10

15

20

25

30

35

40

5

10

15

20

25

30

35

40

5

10

15

20

25

30

35

40 D. Waking # 2

A. Waking # 1

B. Slow-Wave Sleep

C. Paradoxical Sleep

15 17 3331292725232119 35

15 17 3331292725232119 35

15 17 3331292725232119 35

15 17 3331292725232119 35

Frequency (kHz)

Waking 1

SWS

Waking 2

PS

10

20

30

40

50

60

23 25 27 29 31 3315 17 19 21 35

Frequency (kHz)

E.1

60% des neurones du thalamus auditif ont des réponses diminuées lorsque l’animal est en SP40% ont des réponses similaires à la Veille

Tout ceci vaut aussi pour le cortex auditif

.

1 2 543 6 7 8 9 10 11

WakingB.

A. Slow-Wave Sleep # 1

C. Slow-Wave Sleep # 2

1 2 543 6 7 8 9 10 11

12

8

4

Frequency (kHz)

5

10

15

20

EEG Spectrum

Low High

%

1 2 543 6 7 8 9 10 11

GP22h-5

SWS 1

SWS 2

Waking

0

10

20

30

40D. Evoked Activity

2 4 6 8 10Frequency (kHz)

12

8

4

12

8

4

5

10

15

20

EEG Spectrum

Low High

%

5

10

15

20

EEG Spectrum

Low High

%

L’aire de réponse des neurones

.

SWS

Waking

PS

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 10Frequency (kHz)

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

.5 5Frequency (kHz)

30

40

50

60

70

80

90

100

1 10Frequency (kHz)

A.

B.

C.

SWS

Waking

SWS

Waking

PS

Quatrième Partie: Plasticité induite par apprentissage dans le

système auditif thalamo-cortical.

La plasticité induite par apprentissage survient simultanément dans les cortex sensoriels et

les structures intégratrices

Début du son

Cortex Auditif Hippocampe (CA3)

Avant l' Apprentissage

Pendant l'ApprentissageEssai # 5

Essai # 10

Début du son

50ms 50ms 100ms

50ms 50ms 100ms

Début du son Début du son

Début du son Début du son

50ms 50ms 100ms

Changements d ’Excitabilité ?

Changements dans le traitement des

Information ?

.

Frequency (kHz)

BFCS

Post

Pre

10 128 16

.

Post

Pre

Frequency (kHz)

BFCS10 128 16

Protocole Alliant Physiologie Sensorielle et Apprentissage

PROTOCOL

Pre-TrainingReceptive Field Determination

Learning Phase

30 Pairings CS--US

30 CS/ US Unpairedpresentations

11-15 Frequencies3-10 Intensity10-20 repetitionsDuration15-30 minutes

Post-TrainingReceptive Field Determination

1 HourPost-TrainingReceptive Field Determination

time (minutes)

300 90 120 180

Modifications Sélectives des Champs Récepteurs après Apprentissage

• Premiers Effets Décrits dans les Aires AII/VE

• Etudes Suivantes dans les Aires Primaires (AI)

Avant Apprentissage:Stabilité des Champs Récepteurs dans AII

(Diamond & Weinberger, 1986, 1989)

Facilitation Sélective dans le

Champ Récepteur des Neurones de AII (Diamond & Weinberger, 1986, 1989)

Pre-Cond 1

Pre-Cond 2

Post-Cond

Frequency (kHz)3 6 9 12 16 18 21

CS

Evoked

Acti

vit

y (

spik

es/

sec)

Les Effets Sélectifs requièrent des Réponses Excitatrices (Diamond & Weinberger, 1989)

Pre-Cond 0

Pre-Cond 1

Post-Cond 1

CS 1Frequency (kHz)

3 6 9 15 18 210

Pre-Cond 2

Post Ext

Post-Cond 2

CS 2

Frequency (kHz)3 6 9 12 15 18 210

Données de Groupe dans l ’aire AII(Diamond & Weinberger, 1986, 1989)

Specific (66%) Non specific (33%)

Post-Training Post-Extinction

.

One hour PostPost Training

Distance from CS (kHz)

Cortex Auditif Primaire: Effets Sélectifs après Apprentissage Associatif

mais pas après Pseudo-Apprentissage (Bakin & Weinberger, 1990; 1992)

.

100

60

20

-20

-60

-100-1.0 0.0 1.00.5-0.5

Distance from CS (Octave)

Changement au travers des Intensités dans le Cortex Auditif Primaire après Discrimination

Changements Thalamiques Sélectifs .

121086-100

0

100

200

300

400PrePost

Pre & Post Receptive Field

CS BF

Frequency (kHz)

302520151050-20

0

20

40

60

80

frequency (kHz)

Pre & Post Receptive Field

1412108-100

0

100

200

300Pre1 Hr Post

Pre & 1 Hour Post Receptive Field

Frequency (kHz)

CS

BF

Pre

Post

CSBF

A.

B.

C.

7 9 11 13

1513119

Peut-on tester le ChR pendant la tâche comportementale (Fritz, Shamma, et al. 2003)

Changements Rapides et Durables des Champs Récepteurs (Fritz, Shamma et al. 2003)

Le Champ Récepteur est juste la pointe de l’iceberg

Réorganisation du cortex Auditif après lésion cochléaire(Robertson & Irvine 1989)

Carte Normale

Réorganisation du cortex auditif après lésion cochléaire(Robertson & Irvine 1989)

Carte Réorganisée

A. Before Training

.

Distance from rostral point (mm)

2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0

A1. Normal map organization

BF

CS

Frequency(kHz)

A2. Pre-training RF

1210

1

10

40

B. After Training

.

B1. Learning-induced map change

Distance from rostral point (mm)

2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0

BFCS

Frequency (kHz)1210

1

10

40

B2. Pre & post training RF

0.1-2 2.1-4 4.1-8 8.1-16 16.1-32 32.1-500

10

20

30

40

50

Frequency (kHz)

4.1–

8 kH

z A

rea

(% o

f to

tal)

1mm

Naïve dorsal

ventral

rostralcaudal

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Frequency (kHz)

Rutkowski & Weinberger (submitted)

0.1-2 2.1-4 4.1-8 8.1-16 16.1-32 32.1-500

10

20

30

40

50

Frequency (kHz)

4.1–

8 kH

z A

rea

(% o

f to

tal)

CS

K3 (90%)CS = 6.0 kHzCS = 6kHz

y = 0.8202x - 35.125R = 0.8219

0

10

20

30

40

50

40 50 60 70 80 90 100

Mean performance (% correct)

4.1-

8 k

Hz

area

(%

of

tota

l)

Naïve

Relation entrePerformance Comportementale et

Etendue de la Représentation Corticale

(Rutkowski &Weinberger sous presse)

Réorganisation de cartes après « apprentissage perceptif » (Recanzone et al., 1993)

150ms

Δ = 50t ms

150ms650ms

150ms

1S 1S 2S

1 2511 , 3188 , 4765 7950S is Hz Hz Hz or Hz

2-11 1 2 .There were S stimuli before the S stimulus

Réorganisation de cartes après « apprentissage

« perceptif » de 2-3 mois (Recanzone et al., 1993).

2.5 kHzRepresentation

5 kHz Representation

8 kHz Representation

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.3

0.2

0.1

0.4

0.3

0.2

0.1

OM32.5kHz

OM1L8kHz

OM1R8kHz

OM45kHz

CM2 CM1 N1 N2 N3 MeanUntrained

OM32.5kHz

OM1L8kHz

OM1R8kHz

OM45kHz


OM32.5kHz

OM1L8kHz

OM1R8kHz

OM45kHz


Relation entrePerformance Comportementale et

Etendue de la Représentation Corticale (Recanzone et al., 1993)

R=0.882 p < .01 df =6

Les modifications de cartes topographiques sont-elles

nécessaires pour qu ’il y ait apprentissage perceptif ?

Pas de réorganisations de la cartographie après apprentissage perceptif : (Brown, Irvine, Park, 2004)

Untrained Cat

Trained Cat

Trained Cat

Il y a des différences dans la procédure d ’entraînement à l ’apprentissage perceptif...

150ms

Protocol used by Brown, Irvine & Park (in press)

150ms

S1 (1-8) S2

One to eight S1 stimulus at 8kHz then a S2 at 8kHz + delta F.At each trial :

Δ = 50t ms

150ms

Δ = 50t ms

150ms650ms

. (1993)Protocol used by Gregg Recanzone et al

150ms

1S 1S 2S

1 2511 , 3188 , 4765 7950S is Hz Hz Hz or Hz

2-11 1 2 .There were S stimuli before the S stimulus

Apprentissage perceptif ou

Apprentissage procédural et perceptif ?

Séance 25/26

Séance 52/53

Séance 70/71

Apprentissage perceptif ou procédural et perceptif ? (Brown, Irvine, Park, 2004)

.

3kHz

8kHz up

8kHz down

5 10 15 20 25 30 350

Trials x 103

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

.

3kHz

8kHz up

8kHz down

10 20 30

Trials x 10340 50 60

5000

1000

4000

2000

6000

3000

0

.

Delta Frequency (Hz)100 1000 2000 4000 6000 8000

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Trials 4-5000

Trials 10-11000

Trials 17-18000

Trials 31-32000

Que peut-il se passer à part une expansion ?

32 16 4 2 1

32 16 4 2 1

8

8

Avant Apprentissage

Après Apprentissage

A.

32 16 4 2 18

Avant Apprentissage


B.

32 16 4 2 18

.

7 8 9Fréquence (kHz)

Différent types de champs récepteurs plus fins...

.

7 8 Fréquence (kHz)

.


.

Fréquence (kHz)7 8

.


Les Champs Récepteurs plus fins existent…(Sutter 2000)

Tuning plus large Latences plus courtes

.


Untrained

TrainedB.

* *

.

Untrained

TrainedA.


Brown, Irvine & Park, 2004

Au delà du Cortex Auditif…(Kaas & Hackett, 2000)

Frontal Lobe

Temporal Lobe

Parabelt

Belt

Core

Thalamus

Midbrain

LateralLemniscus

Sup. OlivaryComplex

CochlearNucleus

Le taux de décharge est le seul moyen de coder l ’information dans les cortex sensoriels ?

32 16 4 2 1

32 16 4 2 1

8

8

Avant Apprentissage


Plasticité induite par expérience

Décodage & Codage}

Taux de déchargeCodage temporelPatterns de DéchargesInteractions Fonctionnelles

Codage Périphérique

Le codage repose sur quoi ?

• Le taux de décharge

• La latence des réponses évoquées

• Le pattern temporel de la réponse

• Les interactions entre cellules– Entre 2 cellules– Entre N cellules… assemblées neuronales

La latence est plus fiable que le taux de décharge(Hind et al., 1963)

Le pattern temporel prédit mieux la localisation que le taux de décharge (Middlebrooks et al., 1994; 1998, 2002,2003)

L’information contenue dans le pattern temporel est plus grande que dans le taux de décharge (Middlebrooks, 2002)

Transmitted Information (bits)

L’information contenue dans le 1er PA est déjà considérable (Middlebrooks, 2002)

Chez un animal vigile, l’information transmisse est maximale au début du stimulus (Middlebrooks, 2003)

Les interactions entre cellules code de l’informationles cross-correlations permettent de le voir

dt

Cell # 1

Cell # 2

Cross-corrélation entre 2 neurones

T=0 T=0

T=0

6

2

4

.

T=0

Neuronal Coordination (Excitatrice)

T=0

Common Input

Neuronal Coordination (Inhibitrice)

T=0


T=0


T=0

Faible Neuronal Coordination

Les interactions entre 2 cellules codent plus que le taux de décharge (Ahissar et al., 1995)

Les interactions entre 2 cellules codent beaucoup plus que le taux de décharge (Decharms & Merzenich, 1996)

Le codage par assemblées cellulaires…

• L’idées de Hebb (1949) a été reprise par n+1 auteurs qui la re-découvrent sans cesse.

• Singer (1990) propose l’idée du codage par synchronisation.

• Initialement, il propose que les synchronisations se produisent par les oscillations déclenchées à la présentation d’un stimulus.

...et si on induit une Réorganisation Corticale sans aucune signification

comportementale…?

Des Microstimulations dans le Cortex Auditif Peuvent Induire une Plasticité Neuronale

(Talwar & Gerstein, 2001)

…mais ne modifie pas la performance de discrimination des animaux (Talwar & Gerstein, 2001)

0.12

Documents

Troisième Partie: dynamique du système thalamo-cortical, influence des systèmes neuromodulateurs