Image à 2 photons d’un neurone striatal (SPN) et de la pipette d’enregistrement. Crédit : Nicolas Morgenstern
L’apprentissage de nouvelles habiletés motrices est un aspect essentiel de notre vie. Qu’il s’agisse de jouer du piano ou de faire du vélo, il serait difficile d’imaginer la vie sans cet apprentissage. Mais comment le cerveau y parvient-il ? Une nouvelle étude publiée le 9 février 2022 dans le journal scientifique Science Advances fait la lumière sur un circuit cérébral récemment découvert qui pourrait nous doter de cette capacité remarquable.
Comment le cortex parle au striatum
Le cortex, qui constitue la couche externe de notre cerveau, est un organe multitâche par excellence, qui intervient dans tous les domaines, du langage et de la cognition à la mémoire et aux actions volontaires. Vous l’utilisez maintenant pour lire cette phrase. Mais il n’agit pas seul et établit des connexions étendues avec de nombreuses autres régions du cerveau.
“Nous nous sommes particulièrement intéressés à deux grands types de cellules dans le cortex, connues sous le nom de neurones IT (intratelencephaliques) et PT (tractus pyramidal)”, a déclaré Nicolas Morgenstern, le premier auteur de cette étude qui a été développée dans le groupe dirigé à l’époque par Rui Costa, à la Fondation Champalimaud, à Lisbonne, au Portugal. “Les cellules IT et PT envoient toutes deux des signaux du cortex à une autre zone enfouie plus profondément dans le cerveau, appelée le striatum. Ces connexions ‘cortico-striatales’ (c’est-à-dire des connexions du cortex vers le striatum) sont très importantes pour l’apprentissage moteur et ont été impliquées dans des troubles du mouvement comme la maladie de Parkinson.”
C’est ici qu’apparaît le troisième personnage majeur de notre histoire : les neurones de projection épineux (SPN), qui constituent 95% des neurones du striatum. Les SPN sont directement contactés par les cellules IT et PT. “Nous voulions comprendre les différents rôles des cellules IT et PT dans ce circuit cérébral, qui est si important pour l’apprentissage moteur et le comportement.”
Éclairer le cerveau pour découvrir de nouvelles voies
Pour mieux comprendre ces connexions corticostriatales, les auteurs ont eu recours à une technique présente dans la boîte à outils de (presque) tous les neuroscientifiques : l’optogénétique, une méthode permettant de contrôler l’activité des cellules à l’aide de la lumière. Comme l’explique Morgenstern, “Nous avons génétiquement modifié les cellules IT ou PT chez les souris, ce qui nous a permis d’activer ces types de cellules indépendamment en utilisant l’optogénétique, et de mesurer leurs différents effets sur les SPN dans le striatum.”
En utilisant cette approche, tout en enregistrant l’activité de neurones in vitroles auteurs ont mis en évidence une nouvelle voie corticostriatale. Dans cette voie, un quatrième acteur principal est apparu : les interneurones cholinergiques striataux (ChIs). Agissant comme l’homme du milieu dans un relais à trois personnes, les ChIs du striatum reçoivent des entrées des cellules PT et, à leur tour, excitent les SPNs. “Nous avons découvert que les cellules PT se connectent de préférence aux ChIs, qui activent indirectement les SPNs”, a déclaré Morgenstern.
En utilisant des méthodes pharmacologiques, les auteurs ont pu montrer précisément comment les ChIs excitent les SPNs. Lorsqu’ils sont activés par les neurones PT, les ChIs libèrent un neurotransmetteur appelé acétylcholine (ACh). Les neurotransmetteurs sont des messagers chimiques qui transmettent des signaux d’une cellule à une autre. Lorsque les inhibiteurs calciques libèrent de l’ACh, ils provoquent l’excitation des SPN par les fibres nerveuses des cellules voisines.
S’exciter deux fois
Ces résultats démontrent que les SPN sont excités deux fois : d’abord par les voies directes connues (ITSPN et PTSPN), puis par ce circuit indirect inconnu jusqu’alors (PTChISPN), qui amplifie l’excitation initiale. Quel est le but de cette double excitation ? Les auteurs supposent que la connexion directe ITSPN prépare initialement des actions motrices spécifiques, tandis que la connexion PTChISPN déclenche ensuite le mouvement.
“Outre l’exécution du mouvement”, note Nicolas Morgenstern, “cette deuxième phase excitatrice médiée par les neurones PT pourrait être importante pour induire des changements durables dans la force des connexions spécifiques, via le neurotransmetteur ACh. Cela pourrait être important pour le comportement, puisque l’apprentissage se produit lorsque les connexions entre les cellules du cerveau changent.”
Par conséquent, en plus de faire des percées dans le câblage des circuits cérébraux qui contrôlent les mouvements et le comportement, et de nous aider à comprendre les différents rôles des cellules IT et PT, cette étude pourrait également nous fournir une pièce importante dans le puzzle de la façon dont nous apprenons.
“Il y a encore beaucoup à explorer”, déclare l’auteur principal de l’étude, Rui Costa, professeur et directeur du Zuckerman Mind Brain Behavior Institute, Columbia University. ”For example, we are interested in understanding whether this circuit is affected in disorders like Parkinson’s or Huntington’s Disease.” While there’s still lots to unravel then, thanks to this study, we’ve learned a little bit more about learning.
Reference: “Pyramidal tract neurons drive amplification of excitatory inputs to striatum through cholinergic interneurons” by Nicolás A. Morgenstern, Ana Filipa Isidro, Inbal Israely and Rui M. Costa, 9 February 2022, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.abh4315
