Apprentissage - Institut des Sciences cognitives - CNRS
Apprentissage - Institut des Sciences cognitives - CNRS
Apprentissage - Institut des Sciences cognitives - CNRS
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Rôle <strong>des</strong> noyaux gris centrauxdans l’apprentissageFadila HADJ-BOUZIANE<strong>Institut</strong> <strong>des</strong> <strong>Sciences</strong> Cognitives – <strong>CNRS</strong> UMR 5015
Plan• Anatomie– les noyaux gris centraux ou ganglions de labase– les circuits <strong>des</strong> 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 <strong>des</strong> GGBFrontalCortexPariétalTemporalStriatum = entrée <strong>des</strong> GGBSt Cyr, 2003
Circuits <strong>des</strong> GGBFrontalCortexPariétalTemporalStriatum = entrée <strong>des</strong> GGBVoie indirecteGpeNSTVoie directeGpi/SNr = sortie <strong>des</strong> GGBAlbin et al., 1989Thalamus
Circuits <strong>des</strong> GGBCortexSNc SNcStriatumGPeSTNDopamine + GPi/SNr-GABAGlutamateThalamusAlbin et al., 1989
Maladie de ParkinsonCortexXSNcStriatumGPeSTNDopamineGABAGlutamateGPi/SNrThalamusAlbin et al., 1989
Circuits <strong>des</strong> GGBAlexander et al., 1986
Circuits <strong>des</strong> 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 <strong>des</strong> 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 <strong>des</strong> influx excitateursconvergents)Activité spontanée tonique (2-10 Hz)(Potentiel membranaire de repos très prochedu seuil d’émission <strong>des</strong> 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 <strong>des</strong> PANs dustriatum)...• GGB : impliqués dans tous les types de mouvement– Ex. : microstimulation <strong>des</strong> neurones du putamen (40 µA)= > mouvements de la face, <strong>des</strong> membres supérieures et inférieurs ...(Alexander & DeLong, 1985)– Activation <strong>des</strong> neurones du striatum pendant la programmation etl’exécution de mouvements (ex. Kimura, 1990)=> rôle du striatum et <strong>des</strong> 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 <strong>des</strong> habitu<strong>des</strong>
MEMOIRE A COURT TERMEMEMOIRE A LONG TERMEDECLARATIVELobe temporal médianNON-DECLARATIVEMEMOIRE DESHABITUDES(Mishkin et al., 1984)STRIATUM
Striatum et Mémoire <strong>des</strong> habitu<strong>des</strong>Etablissement 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 <strong>des</strong> 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 <strong>des</strong> habitu<strong>des</strong>• 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 <strong>des</strong> neurones striataux : résuméSchutlz et al., 1995
Knowlton et al., 1996Patients parkinsoniensPatients amnésiquesContrôles<strong>Apprentissage</strong> implicite de probabilités
<strong>Apprentissage</strong> implicitede probabilitésKnowlton et al., 1996<strong>Apprentissage</strong> 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 <strong>des</strong> PANs
Jog et al., 1999StimulusSONRéponseTouner à droite ou à gauche
<strong>Apprentissage</strong>goalStartturnRT = temps de réactionTD = durée de l’essai% : % réponses correctesCartes d’activitation Jog et al., 1999
Réponse conditionnéeStimulusclickJus de fruitEnregistrementsélectrophysiologiques <strong>des</strong> TANs
Réponse conditionnéeStimulusclickJus de fruit
Synchronization <strong>des</strong> réponses <strong>des</strong> TANs au sein dustriatum au cours du conditionnementGraybiel et al., 1994
Importance <strong>des</strong> 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
<strong>Apprentissage</strong> associatif conditionnelLien indirectarbitraireStimulusActionDeux phases: <strong>Apprentissage</strong> Exécution automatique
<strong>Apprentissage</strong> associatif conditionnelSIAlorsSIAlorsRôle d’un système associant le cortexfrontal et les ganglions de la base
<strong>Apprentissage</strong> associatifconditionnelCortex Préfrontal ?Cortex Prémoteur ?<strong>Apprentissage</strong> ?et/ouRétention ?Striatum ?
Le cortex préfrontal ventrolatéralPFvl<strong>Apprentissage</strong>Murray & Wise, 1999Toni et al., 2001
Le cortex prémoteur dorsalPMd<strong>Apprentissage</strong>RétentionHalsband & Passingham, 1985Wise et al., 1991
But de l’étudeSuivre les modifications de l’activité <strong>des</strong>neurones du STRIATUM au cours del’APPRENTISSAGE de règles visuo-motricesconditionnelles
Protocole
Instruction. . . 750 à 2000 ms
Signal GO
CorrecteRécompense
Incorrectes
Métho<strong>des</strong>2 conditions Familière4 associations parfaitement apprises Nouvelle<strong>Apprentissage</strong> par essai erreur de 2 à 4nouvelles associationsBut : Identifier l’activité liée à l’apprentissage
Eléctrophysiologie : Familière70 % <strong>des</strong> 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 <strong>des</strong>directionsRéponse <strong>des</strong> 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 <strong>des</strong> associations
Eléctrophysiologie : NouvellesModifications de l’activité <strong>des</strong> 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 <strong>des</strong> différents neuronesstandardisée, moyennée et recalée parrapport aux performances2 types de modulation• Transitoire• Durable
<strong>Apprentissage</strong> : population 1Activité Standadisée1,20,80,401 6 11 16 21 26 31 36 41EssaisPerformancesActivité100500Performances (%)Modulation transitoirePhase précoce de l’apprentissage
<strong>Apprentissage</strong> : 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 <strong>des</strong> neurones du striatumstable au cours du temps
Expérience 1 : Conclusions• APPRENTISSAGE– Modulation de l’activité <strong>des</strong> neurones du striatum• Transitoire• Durable• RETENTION
Conclusion généraleSTRIATUM<strong>Apprentissage</strong>Rétention
<strong>Apprentissage</strong> : 2 processus• Mémoire de travail• Formation <strong>des</strong> habitu<strong>des</strong>
<strong>Apprentissage</strong> : 2 processus• Mémoire de travailSystème servant à retenir temporairement les informationset à les manipuler nécessaire pour se souvenir <strong>des</strong> associations testées et de leursconséquences, ainsi que pour développer <strong>des</strong> stratégies …• Formation <strong>des</strong> habitu<strong>des</strong>
<strong>Apprentissage</strong> : 2 processus• Mémoire de travailSystème servant à retenir temporairement les informationset à les manipuler nécessaire pour se souvenir <strong>des</strong> associations testées et de leursconséquences, ainsi que pour développer <strong>des</strong> stratégies …• Formation <strong>des</strong> habitu<strong>des</strong>Etablissement lent et incrémentiel de liens automatiquesentre un stimulus et une réponse
ModèlePFvlPMdFormation <strong>des</strong>habitu<strong>des</strong>Mémoirede travailSTRIATUM
<strong>Apprentissage</strong>PFvlPMdFormation <strong>des</strong>habitu<strong>des</strong>Mémoirede travailSTRIATUM
<strong>Apprentissage</strong> RétentionPMdFormation <strong>des</strong>habitu<strong>des</strong>STRIATUM
Graybiel & Kimura, 1995
Graybiel & Kimura, 1995
Aosaki et al., 1994
Schultz et al., 1995