Apprentissage - Institut des Sciences cognitives - CNRS

Rôle des noyaux gris centrauxdans l’apprentissageFadila HADJ-BOUZIANEInstitut des Sciences Cognitives – CNRS UMR 5015

Plan• Anatomie– les noyaux gris centraux ou ganglions de labase– les circuits des ganglions de la base• GGB et contrôle moteur• GGB et fonctions non-motrices(apport de l’électrophysiologie)

Noyaux gris centrauxouGanglions de la base (GGB)= groupe de structures fonctionnellement liéesorigine phylogénétique et ontogénétique différentesNoyauLenticulaire• Noyau caudé Striatum• Putamen• Globus pallidus• Substance noire• Noyau sous-thalamique

GGB : le striatum• Striatum– noyau caudé(tête - corps - queue)– putamenDivision arbitraire(séparés par la caspule interne)

GGB• Globus pallidus– segment externe (Gpe)– segment interne (GPi)– ventral (GPv)• Substance noire– compacte (SNc)– reticulaté (SNr)• Noyau sous-thalamique (NST)

GGB(from Graybiel, 2000)

Circuits des GGBFrontalCortexPariétalTemporalStriatum = entrée des GGBSt Cyr, 2003

Circuits des GGBFrontalCortexPariétalTemporalStriatum = entrée des GGBVoie indirecteGpeNSTVoie directeGpi/SNr = sortie des GGBAlbin et al., 1989Thalamus

Circuits des GGBCortexSNc SNcStriatumGPeSTNDopamine + GPi/SNr-GABAGlutamateThalamusAlbin et al., 1989

Maladie de ParkinsonCortexXSNcStriatumGPeSTNDopamineGABAGlutamateGPi/SNrThalamusAlbin et al., 1989

Circuits des GGBAlexander et al., 1986

Circuits des GGBStriatum SM : Sensorimoteur AS : Associatif LI : LimbiqueParent & Hazrati, 1995

SensorimotorAssociatifLimbicParent & Hazrati, 1995Alexander et al., 1986MOTOROCULO-MOTORDORSO-LATERALPREFRONTALLATERALORBITO-FRONTALANTERIORCINGULATECORTEXSMAAPAMCSCFEFDLCPPCDLCPPCAPALOFSTGITGACAACAHCECSTGITGSTRIATUMPUTCAUD(b)dl-CAUD(h)vm-CAUD(h)VSPALLIDUMS. NIGRAvl-GPicl-SNrcdm-GPivl-SNrldm-GPirl-SNrmdm-GPirm-SNrrl-GPi-VPrd-SNrTHALAMUSVLoVLml-VAmcMDplVApcMDpcm-VAmcMDmcpm-MD

Nouvelles données ...• Structure d’entrée : Striatum + NST– cortex moteur, premoteur & préfrontal => NST• Structure de sortie : GPi/SNr + GPe– Gpe => thalamus + Noyau pédonculopontin(NPP)• Boucles de rétrocontrôle (ex...)– Thalamus => striatum– Gpe striatum– SNc striatum

Circuits des GGBModels in science tend to reassure and appease researchers who do not like to wanderalone in the universe of knowledge. However, models may have a perverse effect, suchas the selective neglect of data that do not fit into the model (modellus deformansdisease). It would be unwise to rush into the formulation of a new basal ganglia modeluntil the real significance of the enormous amount of new data on basal gangliabecomes clear. Furthermore, formulating models is a difficult task. On the one hand,efficient models have to be simple, but simple models can provide only part of thereality and are thus bound to be wrong (for example, current basal ganglia model). Onthe other hand, an elaborated model that would embody all the complexities of a givenreality (for example, any new basal ganglia model) is doomed to be useless. Wetherefore suggest to stay away from basal ganglia model for some time. This will giveus the opportunity to appreciate the real value of raw data and to realize that the beautyof nature lies in details.”Parent A. & Cicchetti F.Movement DisordersVol. 13, N°2, 1998, pp. 199-202.

Eléctrophysiologie : StriatumNeurones de projection = 95 %GabaergiquesPAN : Phasically Active neuronsφ 12 – 20 µmInterneurons 5%CholinergiquesTAN : Tonically Active Neuronsφ 20 – 35 µmdendrites• très longues• couvertes d'épines (= spiny neurons)dendrites lisses (neurones aspiny)Activité spontanée très faible (0.01-1 Hz)(activés par des influx excitateursconvergents)Activité spontanée tonique (2-10 Hz)(Potentiel membranaire de repos très prochedu seuil d’émission des potentiels d’action)

Eléctrophysiologie : StriatumNeurone de projectionInterneurone CholinergiqueApicella, 2003

GGB et contrôle moteur• Niveau 1 : aires associatives corticales + GGB– plans et stratégies motrices• Niveau 2 : Cortex moteur et cervelet– paramètres du mouvement (amplitude, direction,force ...)• Niveau 3 : Tronc cérébral + moelle épinière– Exécution du mouvement

GGB et contrôle moteur• Pathologies telles que la maladie de Parkinson (dégénérescence dela SNc), la maladie de Huntington (dégénérescence des PANs dustriatum)...• GGB : impliqués dans tous les types de mouvement– Ex. : microstimulation des neurones du putamen (40 µA)= > mouvements de la face, des membres supérieures et inférieurs ...(Alexander & DeLong, 1985)– Activation des neurones du striatum pendant la programmation etl’exécution de mouvements (ex. Kimura, 1990)=> rôle du striatum et des GGB dans le contrôle dumouvement (‘ système extrapyramidal ’)

FlexionExtensionKimura, 1990SIEMG

GGB et fonctions non motrices• Delayed alternation = PFdl• Object reversal = PFo• Visual discrimination = TERosvold & Delgado, 1956Divac et al., 1967

GGB et fonctions non motricesPFdl => Anterodorsal caudatePFdl =>Posteroventral caudatePFo => Ventrolateral caudateTE => Tail of caudateRosvold & Delgado, 1956Divac et al., 1967

GGB et Mémoire des habitudes

MEMOIRE A COURT TERMEMEMOIRE A LONG TERMEDECLARATIVELobe temporal médianNON-DECLARATIVEMEMOIRE DESHABITUDES(Mishkin et al., 1984)STRIATUM

Striatum et Mémoire des habitudesEtablissement lent et incrémentiel de liensautomatiques entre un stimulus et une réponse ouun contexte et une habitude

Striatum = site de convergence-‘‘informations motrices ’‘ informations visuelles ’SNcS-RNécessite répétitions etrenforcement par récompense2 phasesAcquisitionRétention‘ informations motivationnelles ’

Importance des influx dopaminergiques de la SNcRéponse phasique < 200 ms50-110 msec après le SIRéponse à une récompense, nouveauté,saillance (loud click, large picture)= réponse stéréotypéePas de modulation en fonction de la nature dela récompenseSchultz et al., 1993

Singe 1 – Set 1Singe 1 – Set 2Singe 2 – Set 1Singe 2 – Set 2Fiorillo et al., 2003

Striatum et Mémoire des habitudes• RETENTIONDonnées électrophysiologiques– Réponse en relation avec le stimulus instructeur (SI)PANs1) réponse dépend de la valeur signifiante du SI = réponsespécifique du contexte=> sélection d’une association apprise entre une informationenvironnementale et une réponse particulière2) 5 à 10 % identique quelque soit le contexte=> processus attentionnelTANs: pause après le SI

Enregistrements électrophysiologiques• PFdl• PMd• StriatumBoussaoud & Kermadi, 1997

Boussaoud & Kermadi, 1997Le striatum : Rôle dans la rétention75sensoriel sensori-moteur moteur% de neurones50250PFdl Striatum PMd

Propriétés des neurones striataux : résuméSchutlz et al., 1995

Knowlton et al., 1996Patients parkinsoniensPatients amnésiquesContrôlesApprentissage implicite de probabilités

Apprentissage implicitede probabilitésKnowlton et al., 1996Apprentissage explicite‘mémoire dereconnaissance’2 doubles dissociations• entre les performances mnésiques explicites et implicites• entre les patients amnésiques et les patients parkinsoniens

StimulusSONRéponseTouner à droite ou à gaucheEnregistrementsélectrophysiologiques des PANs

Jog et al., 1999StimulusSONRéponseTouner à droite ou à gauche

ApprentissagegoalStartturnRT = temps de réactionTD = durée de l’essai% : % réponses correctesCartes d’activitation Jog et al., 1999

Réponse conditionnéeStimulusclickJus de fruitEnregistrementsélectrophysiologiques des TANs

Réponse conditionnéeStimulusclickJus de fruit

Synchronization des réponses des TANs au sein dustriatum au cours du conditionnementGraybiel et al., 1994

Importance des inputs dopaminergiques de la SNcKimura & Matsumoto, 1997MPTP (1-méthyl-4-phényl-1,2,3,6-tétrahydropyridine)

Striatum et apprentissage de séquences

Miyachi et al., 1997Lésions réversibles (muscimol) de régions striatales• caudé et putamen antérieur (ANT)• putamen posterior (PUT)• caudé posterieur (CD)• saline (Cont)Nouveaux setsSets FamiliersNb d’erreurs

PAN 1PAN 2NouveauxsetsGradient antéro-postérieurSetsFamiliersMiyachi et al., 2002

Striatum et tâche de Go-noGoTremblay et al., 1998; Hollerman et al., 1998, Tremblay et al., 2003

11Raclopride-PET => rcp D2Koepp et al., 1998

Apprentissage associatif conditionnelLien indirectarbitraireStimulusActionDeux phases: Apprentissage Exécution automatique

Apprentissage associatif conditionnelSIAlorsSIAlorsRôle d’un système associant le cortexfrontal et les ganglions de la base

Apprentissage associatifconditionnelCortex Préfrontal ?Cortex Prémoteur ?Apprentissage ?et/ouRétention ?Striatum ?

Le cortex préfrontal ventrolatéralPFvlApprentissageMurray & Wise, 1999Toni et al., 2001

Le cortex prémoteur dorsalPMdApprentissageRétentionHalsband & Passingham, 1985Wise et al., 1991

But de l’étudeSuivre les modifications de l’activité desneurones du STRIATUM au cours del’APPRENTISSAGE de règles visuo-motricesconditionnelles

Protocole

Instruction. . . 750 à 2000 ms

Signal GO

CorrecteRécompense

Incorrectes

Méthodes2 conditions Familière4 associations parfaitement apprises NouvelleApprentissage par essai erreur de 2 à 4nouvelles associationsBut : Identifier l’activité liée à l’apprentissage

Eléctrophysiologie : Familière70 % des neurones du striatum liés à la tâcheDécharge phasique en relation avec un ou plusieursévènements de la tâche Stimulus d’instruction (SI) Préparation du mouvement Exécution du mouvement Récompense

Activité liée au SINb de potentielsd’action/secondeFin mouvement1 sec.SI Go

Activité mouvement et/ou récompenseNb de potentielsd’action/secondeNeurone 11 sec. GoNeurone 2

Eléctrophysiologie : FamilièreDissocier l’activité neuronale en fonction desdirectionsRéponse des neurones varie en fonction del‘association exécutée

Familière : codage séléctifStimulusDroiteGaucheHautBasActivité (PA/sec.)2520151050-2000 200 400 600Temps (ms)800

Familière : codage séléctifGODroiteGaucheHautBasActivité (PA/sec)20100-2000 200 400 600 800Temps (ms)

Conclusions : Familières– Décharge phasique en relation avec différentsévènements de la tâche– Codage spécifique des associations

Eléctrophysiologie : NouvellesModifications de l’activité des neurones du striatumau cours de l’apprentissage• Différents évènements– Stimulus– Mouvement– Récompense• Différents types de modulation– Augmentation– Diminution• Exemples• Population

Exemple 1 : FamilièreNb de potentielsd’action/secondeSIGoFin mouvement• Décharge phasique pendant l’exécution du mouvement• Activité stable

Exemple 1 : Nouvelle appriseGoNb de potentielsd’action/seconde

Exemple 1 : Nouvelle appriseGoIncorrectesCorrectes

Exemple 2 : FamilièresNb de potentielsd’action/secondeFin mvtSI GoRécompense

Exemple 2 : NouvellesAppriseNon appriseFin mvt

Exemple 2 : NouvellesApprise100Performances (%)158060104020Activité501 6 11 16 21 26 31 360Essais

PopulationActivité des différents neuronesstandardisée, moyennée et recalée parrapport aux performances2 types de modulation• Transitoire• Durable

Apprentissage : population 1Activité Standadisée1,20,80,401 6 11 16 21 26 31 36 41EssaisPerformancesActivité100500Performances (%)Modulation transitoirePhase précoce de l’apprentissage

Apprentissage : population 2Activité Standardisée0,60,50,40,30,20,101005001 6 11 16 21 26 31 36 41 26EssaisNumber of blocs of trialsPerformancesActivitéPerformances (%)31Modulation durableQui s’intalle graduellement avec l’apprentissage

Population : FamilièresActivité Standardisée10,80,60,40,20Essais110907050Performances (%)1 4 8 12Activité des neurones du striatumstable au cours du temps

Expérience 1 : Conclusions• APPRENTISSAGE– Modulation de l’activité des neurones du striatum• Transitoire• Durable• RETENTION

Conclusion généraleSTRIATUMApprentissageRétention

Apprentissage : 2 processus• Mémoire de travail• Formation des habitudes

Apprentissage : 2 processus• Mémoire de travailSystème servant à retenir temporairement les informationset à les manipuler nécessaire pour se souvenir des associations testées et de leursconséquences, ainsi que pour développer des stratégies …• Formation des habitudes

Apprentissage : 2 processus• Mémoire de travailSystème servant à retenir temporairement les informationset à les manipuler nécessaire pour se souvenir des associations testées et de leursconséquences, ainsi que pour développer des stratégies …• Formation des habitudesEtablissement lent et incrémentiel de liens automatiquesentre un stimulus et une réponse

ModèlePFvlPMdFormation deshabitudesMémoirede travailSTRIATUM

ApprentissagePFvlPMdFormation deshabitudesMémoirede travailSTRIATUM

Apprentissage RétentionPMdFormation deshabitudesSTRIATUM

Graybiel & Kimura, 1995

Graybiel & Kimura, 1995

Aosaki et al., 1994

Schultz et al., 1995