Documents de cours destinés aux étudiants de la licence de psychologie L3S Plasticité nerveuse et mémoire.

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1 Documents de cours destinés aux étudiants de la licence de psychologie L3S Plasticité nerveuse et mémoire Références bibliographiques Page 1

2 PLAN DU COURS Plasticité nerveuse et mémoire I. Introduction 1. Le tissu nerveux : un réseau extraordinairement complexe 2. La plasticité cérébrale : Définition 3. Neuroplasticité et mémoire 4. Contributions majeures dans le domaine de la plasticité II. III. Plasticité et Développement A. La construction des circuits nerveux en sept étapes 1. Neurogénèse 2. Migration cellulaire 3. Différentiation cellulaire 4. Maturation a. croissance dendritique et axonale b. Synaptogénèse c. Mort cellulaire d. Myélogénèse B. Modifications des circuits cérébraux sous l effet de l expérience 1. La notion de période critique 2. Privation visuelle et développement visuo-moteur 3. Le Postulat de Hebb 4. Rôle du calcium dans la plasticité dépendante de l activité 5. Développement et environnement enrichi Plasticité post-développementale A. Le rôle des synapses dans l apprentissage et la mémoire 1. Plasticité synaptique à court terme et mémoire non déclarative a. L habituation b. La sensibilisation c. Rappel sur le fonctionnement de la synapse d. Bases moléculaires de la plasticité à court terme chez l aplysie e. La potentialisation post-tétanique chez le mammifère 2. Plasticité à long terme et mémoire déclarative a. Les synapses de L hippocampe b. Les bases moléculaires de la PLT c. PLT et mémoire déclarative d. La dépression à long terme e. Changements moléculaires et structuraux dans la PLT tardive Page 2

3 B. Plasticité dans le cortex cérébral adulte IV. Les circuits de la mémoire 1. Théorie des assemblées cellulaires de Hebb 2. Le cas du patient H.M 3. Structures cérébrales impliquées dans la mémoire déclarative 4. Structures cérébrales impliquées dans la mémoire non déclarative Quelques diapos de cours et documents I. Introduction Page 3

4 II. Plasticité et développement A. La construction des circuits nerveux Les principales étapes de l ontogénèse cérébrale Le cortex commence à se former vers l âge de 6 semaines (post-fécondation), la neurogénèse étant achevée en grande partie vers l âge de 20 semaines. La migration neurale et la différenciation cellulaire démarrent vers l âge de 8 semaines. Elles sont en grande partie terminées à l âge de 29 semaines. La maturation des neurones qui inclut la formation des dendrites et des axones, commencent vers l age de 20 semaines et continue bien après la naissance. La masse du cerveau comme celle du corps croissent rapidement et en parallele, pendant la periode prénatale. (Cerveau et comportement, Kolb et Wishaw) Page 4

5 La migration cellulaire Production programmée de différents types de neurones à différents moments à partir des cellules précurseurs ou progénitrices en cours de division du cortex cérébral du cerveau d un mamifère. Près d une face du neuroépithelium cortical, les cellules progénitrices se divisent de façon répétitive comme une cellule souche, pour produire des neurones. Les neurones migrent vers l exterieur en direction de la face opposée de l épithélium le long de la surface des cellules radiales de la glie. Les neurones nés les premiers s établissent le plus près de leur lieu de naissance tandis que les neurones nés plus tard migrent et les dépassent pour s établir plus loin. Des générations succéssives de neurones occupent ainsi différentes couches du cortex et ont différents caractères intrinsèques selon leur date de naissance. (Biologie Moléculaire de la cellule, Alberts et al.) Page 5

6 Le cône de croissance répond aux molécules signaux Réponses du cône de croissance à la gamme de signaux disponibles dans son environnement ( Neurosciences, Purves) Principales étapes de la synaptogénèse Page 6

7 B. Modification des circuits nerveux sous l effet de l expérience Dans le système visuel adulte, les axones qui propagent les informations provenant de l œil droit (en rouge) et de l œil gauche (en bleu) sont séparés. Dans chaque rétine, les axones des cellules ganglionnaires voisines, sont connectés à des neurones voisins des corps genouillés latéraux. Les axones des neurones de ce dernier système se prolongent jusque dans les couches du cortex visuel. Les informations provenant des 2 yeux sont intégrées tout d abord au niveau du cortex visuel primaire. Avec les deux yeux ouverts, les champs visuels des 2 yeux présentent un large recouvrement. Ils consistent en deux hémi-champs visuels symétriques l un droit, l autre gauche. L hémi-champ binoculaire gauche comprend le champ visuel nasal de l œil droit et le champ visuel temporal de l œil gauche. L hémi-champ droit comprend le champ visuel temporal de l œil droit et le champ visuel nasal de l œil gauche. La vision de la périphérie du champ visuel est strictement monoculaire et met en jeu la partie la plus médiane de la rétine (Cerveau et comportement, Kolb et Wishaw). Page 7

8 L organisation du cortex primaire en colonnes de dominance oculaire (A)Dans toutes les couches, la réponse des neurones corticaux aux afférences venant de chaque œil varie en importance, allant de la domination complète d un œil à une égalité des influences des deux yeux.(b)une électrode pénétrant tangentiellement à travers les couches superficielles du cortex enregistre des neurones qui présentent un changement graduel de dominance oculaire. Par contre tous les neurones rencontrés au cours d une pénétration Page 8

9 verticale (à part les neurones de la couche IV) ont tendance à avoir la même dominance oculaire. (Neurosciences, Purves) Effet de l occlusion précoce d un œil sur la distribution des neurones corticaux activés par la stimulation de chaque œil. (A) Distribution de la dominance oculaire d un grand nombre de neurones enregistrés dans le cortex visuel primaire de chats adultes normaux : les neurones de la classe 1 sont activés exclusivement par l œil controlatéral alors que ceux de la classe 7 sont activés par l œil ipsilatéral (les neurones de la classe 4 sont activés autant par l œil controlatéral que par l œil ipsilatéral). (B) Distribution des neurones corticaux après occlusion d un œil, d une semaine après la naissance jusqu 2,5 mois : aucun neurone ne peut être activé par l œil (controlatéral) privé d expérience visuelle ; certains neurones ne peuvent être activés par aucun des deux yeux (classe 00). (C) Distribution des neurones corticaux après une privation monoculaire réalisée chez l adulte (entre l âge de 12 mois et l âge de 38 mois) : la privation, bien que beaucoup plus longue, n a que peu d effet sur la dominance oculaire proprement dite, bien que l activité corticale soit globalement diminuée. Page 9

10 Les schémas situés sous les histogrammes montrent le procédé expérimental utilisé, les barres indiquent en violet la durée de la privation visuelle. «Exp» = moment où ont été faites les observations expérimentales ; noter que l œil occlus est réouvert au moment de ces observations et que les enregistrements ne sont pas limités à une couche corticale particulière. (Neurosciences, Purves) Effets de l induction d un strabisme sur la distribution des neurones du cortex visuel primaire (A) Distribution de la dominance oculaire le chat adulte normal. (B) Distribution des neurones corticaux d un animal chez qui on a induit un strabisme pendant la période post natale ; (Neurosciences, Purves) Page 10

11 Les arborisations terminales des fibres du corps genouillé latéral dans le cortex visuel peuvent se modifier rapidement en réponse à une privation visuelle monoculaire durant la période critique. (A) Après seulement une semaine de privation monoculaire, les fibres correspondant à l œil occlus ont fortement réduit le nombre de leurs ramifications par rapport à celles qui correspondent à l œil actif. (B) Une privation visuelle de plus longue durée n entraine pas de modifications plus importantes. Les chiffres romains, à gauche de chaque figure, indiquent les couches corticales. (Neurosciences, Purves) Page 11

12 Représentation de la façon dont le postulat de Hebb pourrait rendre compte de la mise en place des colonnes de dominance dans la couche IV du cortex visuel primaire. La cellule représente un neurone postsynaptique de la couche IV. Au début du développement, des afférences issues des deux yeux convergent sur cette même cellule postsynaptique. Mais les deux groupes d afférences présynaptiques ont des profils d activité différents (visualisés par les barres verticales). Si on suppose que les afférences correspondant à l œil gauche sont plus aptes à activer la cellule postsynaptique ; le profil d activité électrique de cette dernière prendra le même profil que celui des afférences venant de l œil gauche. En conséquence, les activités des afférences en provenance de l œil gauche et celle de la cellule postsynaptique sont fortement corrélées ; ce qui, d après le postulat de Hebb, renforce les synapses concernées. Par contre, les afférences correspondant à l œil droit ayant un profil d activité différent, il existe une faible corrélation avec le profil de décharge de la cellule postsynaptique. Les synapses correspondant à ces afférences vont progressivement s affaiblir et finir par être éliminées alors que les afférences «corrélées» vont se renforcer et former éventuellement des synapses supplémentaires. (Neurosciences, Purves) Page 12

13 Corrélats cellulaires et moléculaires de la plasticité dépendante de l activité au cours des périodes critiques. Transduction de l activité électrique en changements cellulaires par signalisation mettant en jeu le Ca2+. (A) Neurone cible présentant deux sites possibles d augmentation de la signalisation calcique dépendante de l activité : le corps cellulaire et les dendrites distaux. (C) Des accroissements localisés de la signalisation calcique au niveau des dendrites distaux, sous l effet d une activité corrélée ou durable, peuvent entraîner des accroissement localisés du taux de Ca2+. Ceux-ci par mise en jeu de kinases telles que la CamkIV vont modifier des éléments du cytosquelette (structures reposant sur l actine ou la tubuline) et provoquer ainsi des changements localisés de la structure des dendrites. ((Neurosciences, Purves) Page 13

14 Environnement enrichi, activation du développement, modifications corticales (A) Lorsqu ils sont dans un environnement «enrichi» ou complexe, les rats sont groupés par six dans une grande cage où ils ont la possibilité de se déplacer librement et d interagir avec des jouets et des objets qui sont changés sur une base hebdomadaire, voire quotidienne (B) Neurones typiques du cortex pariétal d un rat élevé selon les conditions standardisées du laboratoire (à gauche) ou dans un environnement complexe (à droite). Le second neurone présente une organisation plus complexe et l espace disponible pour l établissement de connexions synaptiques est de 25% supérieur à celui d un neurone de rat élevé dans des conditions standardisée. (Cerveau et comportement, Kolb et Wishaw) Page 14

15 IV. Plasticité post-développementale C. Le rôle des synapses dans l apprentissage et la mémoire L habituation peut être utilisée pour étudier la perception chez les nouveaux nés. Quand un nouveau carré bleu est présenté à un jeune enfant, son attention est attirée par le stimulus, sa fréquence cardiaque et sa fréquence respiratoire diminue. Si le carré bleu lui est présenté de façon répétée, l enfant apprend à ignorer le stimulus familier et ses réponses montrent qu il s habitue. Cependant, quand on lui montre un carré rouge, son attention est immédiatement attirée par ce stimulus et la fréquence cardiaque et la fréquence respiratoire diminue à nouveau. De cette façon, des scientifiques ont montré qu un jeune enfant peut distinguer une couleur d une autre. (Cerveau et comportement, Kolb et Wishaw) Page 15

16 Le réflexe du retrait de la branchie chez l aplysie En haut : circuit de la sensibilisation du réflexe de retrait de la branchie chez l aplysie (un seul neurone de chaque type est représenté par souci de simplification).un stimulus nociceptif appliqué sur la queue active les neurones sensoriels qui excitent les interneurones modulateurs. Les signaux de ces interneurones réalisent des contacts synaptiques avec les neurones sensoriels du siphon et augmentent la libération de neurotransmetteur. En bas : Une seule connexion synaptique peut contribuer à deux formes de stockage mnésique : l habituation et la sensibilisation. Le potentiel synaptique produit dans le motoneurone de la branchie par un neurone sensoriel du siphon subit une depression quand l animal s habitue jusqu à ce qu un choc appliqué sur la queue sensibilise l animal, et que la réponse soit restaurée. (Cerveau et comportement, Kolb et Wishaw) Les récepteurs post synaptiques appartiennent à deux grandes classes Page 16

17 A gauche : Les récepteurs ionotropiques contrôlent directement un canal ionique qui permet l entrée de sodium (Na + ) dans la cellule et la sortie de potassium (K+). Ainsi, ces récepteurs médiatisent des réponses synaptiques extrêmement rapides. A droite : Un récepteur métabotropique implique toute une machinerie moléculaire à l intérieur de la cellule qui transmet l information de la surface à l intérieur de la cellule. Dans ce cas, en activant l effecteur enzymatique (adenylate cyclase) le récepteur active un second messager, l AMPc, qui à son tour active une protéine kinase, la PKA. Cette kinase phosphoryle ensuite un certain nombre de protéines cibles incluant un canal ionique, pouvant entrainer sa fermeture. Cette action amplifie le potentiel d action et permet, davantage d entrée de calcium et de libération de neurotransmetteur par la terminaison pré synaptique. (Cerveau et comportement, Kolb et Wishaw) Le réflexe de rétraction branchiale en cas d habituation s atténue après l application répétée d un jet d eau, du fait de la diminution de la quantité de calcium qui pénètre dans la terminaison axonique du neurone sensoriel ; il y aura donc moins de neurotransmetteur libéré dans la fente synaptique. Page 17

18 Le réflexe de rétraction branchiale en cas de sensibilisation : la facilitation ou le rétablissement de la réponse branchiale à l issue de l application d un choc électrique est due à l augmentation du flux entrant de calcium et par voie de répercussion, à une libération plus importante du neurotransmetteur Etapes biochimiques de la facilitation présynaptique du neurone sensoriel. La sérotonine se lie à un récepteur métabotropique ce qui, après une série d étapes impliquant le couplage avec une protéine Gs, conduit à l activation de l effecteur enzymatique adénylate cyclase, à une augmentation du niveau d AMPc, et finalement à l activation de la protéine kinase AMPc-dépendant (la PKA). La PKA ferme les canaux les canaux K+, provoquant une augmentation du flux entrant de Ca2+ au travers des canaux calciques. L amplification du potentiel d action augmente à son tour la libération de neurotransmetteurs. (Cerveau et comportement, Kolb et Wishaw) Page 18

19 Plasticité synaptique à court terme au niveau de la jonction neuromusculaire. L enregistrement électrophysiologique d une fibre musculaire isolée montre le potentiel de plaque motrice (PPM = potentiel de membrane exprimé en millivolts, mv) déclenché par la stimulation électrique du nerf présynaptique. Lors d une stimulation répétitive, une facilitation du PPM a lieu au début de la salve de stimulation ; cette facilitation est transitoire et suivie d une dépression. Après arrêt pendant un certain temps des stimulations, une nouvelle stimulation, même unique, engendre un PPM d amplitude supérieure à ce qu elle était au tout début des stimulations répétitives. Ce phénomène est appelé potentialisation post-tétanique. Page 19

20 L hippocampe humain : données anatomiques L hippocampe humain est une petite structure, de la taille d environ un pouce d enfant, située en profondeur dans la partie interne du lobe temporal. L information entre et sort de l hippocampe par l intermédiaire de trois voies principales indiquées sur la coupe de gauche : la voie perforante qui part du cortex enthorinal vers les cellules granulaires du gyrus denté ; la voie des fibres moussues, qui va des cellules granulaires du gyrus denté aux cellules pyramidales de la région CA3 de l hippocampe ; et la voie collatérale de Schaffer, qui va de la région CA3 à la région CA1. Page 20

21 Potentialisation à long terme PLT enregistrée dans la voie collatérale de Schaffer de la région CA3 à la région CA1 de l hippocampe. Potentialisation à long terme (PLT) enregistrée dans la voie collatérale de Schaffer de la région CA3 à la région CA1 de l hippocampe. En haut : Le dispositif expérimental. Une salve de stimulations électriques est appliquée sur la voie collatérale de Schaffer pendant une seconde à 100Hz (100 impulsions par seconde) et une micro-électrode enregistre les potentiels post synaptiques excitateurs (PPSE) produits par une population de cellules du champ CA1. En bas : La salve de stimuli, délivrée à l endroit de la flèche, augmente le gain de la connexion synaptique entre les neurones CA3 et CA1, pendant plus d une heure. Page 21

22 Propriétés de la PLT Les propriétés de PLT sont ici résumées de façon schématique au niveau d un neurone de la couche CA1 de l hippocampe, ce neurone recevant des terminaisons axonales provenant de deux populations de neurones de la couche CA3.(A) Une forte activité provoque une PLT aux synapses actives (voie 1) mais non aux synapses voisines inactives (voie 2).(B) Une faible stimulation de la voie 2 seule ne provoque aucune PLT ; mais lorsque la même stimulation faible de la voie 2 est délivrée en même temps qu une forte stimulation de la voie 1, les deux ensembles de synapses sont renforcés. Page 22

23 «La rose est une rose, et pas un oignon» Page 23

24 Bases moléculaires de la PLT Mise en jeu des récepteurs au glutamate dans le déclenchement d une PLT Quand la membrane du neurone postsynaptique est au repos, les canaux NMDA sont bloqués par un ion Mg ++ ; le glutamate libéré par la terminaison présynaptique n a d action que sur les récepteurs AMPA qui sont des récepteurs canaux classiques, ligand-dépendants, laissant entrer du Na +, ce qui entraîne une dépolarisation de la cellule sans plus. Quand la membrane du neurone postsynaptique est déjà dépolarisée par rapport à son potentiel de repos normal, les canaux NMDA sont libérés de leur «bouchon» de Mg ++, le glutamate, libéré par la terminaison présynaptique, agit alors sur les récepteurs AMPA mais aussi sur les récepteurs NMDA entraînant une entrée de Ca ++ dans le neurone postsynaptique. C est cette entrée de Ca ++ qui est considérée comme déclencheur de la PLT. Les récepteurs NMDA sont actuellement considérés comme étant des «détecteurs de coïncidence» nécessaires à la facilitation synaptique et donc à la formation des souvenirs Page 24

25 Potentialisation à long terme et dépression à long terme : les mécanismes Mécanismes de la PLT. Durant la libération de glutamate, le canal NMDA ne s ouvre que si la cellule post synaptique est suffisamment dépolarisée. Les ions calcium qui pénètrent dans la cellule par ce canal activent des protéines kinases post-synaptiques. Ces kinases peuvent agir au niveau post synaptique pour insérer de nouveaux récepteurs AMPA dans l épine post synaptique et augmenter ainsi la sensibilité au glutamate. Mécanismes de la dépression synaptique à long terme. Une augmentation modérée de la concentration du Ca2+ dans le neurone post synaptique de CA1 active des protéines phosphatases post synaptiques : ceci provoque l internalisation de récepteurs AMPA post Page 25

26 synaptique et de ce fait, une diminution de la sensibilité au glutamate libéré par les collatérales de Schaffer. Modèle des phases précoces et tardives de la PLT Modèle présentant comment une augmentation de la concentration intracellulaire de calcium peut engendrer : une potentialisation à court terme via l activation de protéines kinases qui induiront la libération d un signal rétrograde (voie 1 du schéma précédent) et permettront la phosphorylation des récepteurs AMPA (voie 2 du schéma précédent). une potentialisation à long terme via l activation de protéines kinases-ampc dépendantes (PKA) qui agissent dans le noyau de la cellule pour activer, à leur tour, une protéine régulatrice (MAP kinase) et aboutir ainsi à la phosphorylation du facteur Page 26

27 de transcription CREB-1 ; facteur de transcription permettant l expression de gènes codant pour la synthèse des protéines nécessaires à une modification structurale des contacts synaptiques (voie 3 du schéma précédent). Changements structuraux susceptibles d être induits par la PLT Page 27

28 B.La plasticité dans le cortex cérébral adulte Modifications fonctionnelles du cortex somesthesique d un singe hibou après amputation d un doigt (A) Schéma du cortex somesthesique du singe hibou indiquant la position approximative de la représentation de la main. (B) Représentation de la main avant amputation ; (C) carte corticale déterminée chez le même animal deux mois après l amputation du troisième doigt. La carte s est profondément modifiée ; les neurones de la région répondant antérieurement à la stimulation du troisième doigt répondent désormais à la stimulation des doigts 2 et 4. Page 28

29 Expansion fonctionnelle d une représentation corticale par répétition d une tache comportementale. La figure montre la représentation des doigts sur le cortex somesthesique avant l entrainement. Après plusieurs mois de pratique, les neurones activés par les doigts impliqués dans la tache occupent une région plus étendu Stockage des informations mémorisées suivant la théorie des assemblées cellulaires de Hebb Activation simultanée des neurones de l assemblée Activité réverbérante entre les neurones de l assemblée Renforcement des connexions entre les neurones de l assemblée L assemblée de neurones forme alors l engramme du stimulus Page 29

30 Engramme : trace physique du stimulus Après apprentissage : Activation partielle de l assemblée de neurones Représentation complète du stimulus Page 30

31 IV.Les circuits de la mémoire Schématisation des structures du lobe temporal médian : (a) vues latérale et médiane montrant la localisation de l hippocampe au niveau du lobe temporal. (b) coupe frontale permettant de distinguer l hippocampe et le cortex du lobe temporal médian Page 31

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33 Etapes du processus de mémorisation Page 33

34 Un circuit nerveux unidirectionnel au service de la mémoire implicite. (A) Les structures anatomiques intervenant dans la mémoire implicite.(b) Diagramme présentant le flux de l information au sein du circuit. L information part des systèmes moteurs et sensoriels qui n appartiennent pas au circuit mémoriel en question Page 34

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