Rôle du sommeil dans la consolidation de la mémoire: un dialogue entre structures cérébrales

Transcription

1 Laboratoire Neurobiologie des Processus adaptatifs, UMR 7102, Université Pierre et Marie Curie Ecole Thématique CNRS, Berder 7 avril 2011 Rôle du sommeil dans la consolidation de la mémoire: un dialogue entre structures cérébrales K a r i m B e n c h e n a n e

2 La mémoire : Donald Hebb

3 Donald Hebb, The Organization of Behavior, 1949 "The general idea is an old one, that any two cells or systems of cells that are repeatedly active at the same time will tend to become 'associated', so that activity in one facilitates activity in the other." (p. 70) "When one cell repeatedly assists in firing another, the axon of the first cell develops synaptic knobs (or enlarges them if they already exist) in contact with the soma of the second cell." (p. 63) Assemblée cellulaire

4 Donald Hebb, The Organization of Behavior, 1949 "If the inputs to a system cause the same pattern of activity to occur repeatedly, the set of active elements constituting that pattern will become increasingly strongly interassociated. That is, each element will tend to turn on every other element and (with negative weights) to turn off the elements that do not form part of the pattern. To put it another way, the pattern as a whole will become 'auto-associated'. We may call a learned (auto-associated) pattern an engram." (p. 44)

5 Hebb avait raison: Spike 'ming dependent plas'city PA PPS (d après Bi & Poo 1998)

6 Tetrode 1 Tetrode 2 Tetrode 3 Tetrode 4 Tetrode 5 Harris et al., 2002 Assemblées cellulaires: neurones qui déchargent ensemble dans un intervalle de temps compa'ble avec la STDP

7 Et la mémoire...

8 Patient H.M. bilateral resection of both hippcampi anterograde and retrograde amnesia Normal Brain Memory is separated from other cognitive capabilities and is localized Henry Molaison (H.M.),

9 L hippocampe chez l homme chez le rongeur

10 Patient H.M. bilateral resection of both hippcampi anterograde and retrograde amnesia Normal Brain Memory is separated from other cognitive capabilities and is localized Existence of different forms of memory (declarative/procedural)

11 Les différents types de mémoire

12 Enregistrements chez l homme (patients épileptiques)

13 Quian Quiroga et al., Nature 2005

14 Quian Quiroga et al., Nature 2005

15 Quian Quiroga et al., Nature 2005

16 Support neuronal de la mémoire sémantique 1/ Présentation de plusieurs séries de clips vidéos de différentes personnalités 2/ L expérimentateur demande au sujet de se rappeler des différentes vidéos Texte Texte Texte Gelbard-Sagiv, et al., Science, 2008

17 Recording in freely moving rodents Film

18 Représentation interne de l espace dans l hippocampe Cellules de lieu : Jung, Wiener et McNaughton,1994

19 Représentation interne de l espace dans l hippocampe Cellules de lieu : La position de l animal peut être déduite de l activité des neurones de l hippocampe Fyhn et al., 2004

20 L hippocampe et le concept de carte cognitive

21 cellule de lieu = mémoire?

22 Remapping une même cellule de lieu code pour des endroits différents dans des environnements différents

23 Contexte A Contexte B time time

24 cellule de lieu = mémoire? hippocampe donne un contexte

25 Patient H.M. bilateral resection of both hippcampi anterograde and retrograde amnesia Normal Brain Memory is separated from other cognitive capabilities and is localized Existence of different forms of memory (declarative/procedural) Transfert of memory trace from the hippocampus to the Cortex for long-term storage : Systemic consolidation

26 Memory Consolidation Transfert from hippocampus to prefrontal cortex for long term storage ( lidocaïne ) Inactivations Maviel et al., 2004 Early Hippocampus Late PFC learning Hpc-dependent Pfc-dependent Day 1 Inactivation Hpc or Pfc Hpc Pfc Day 30 Inactivation Hpc or Pfc Hpc Pfc

27 Memory Consolidation - Reactivation - Consolidation - Transfer Hpc-Ctx Offline transfer learning Hpc-dependent Pfc-dependent Day 1 Inactivation Hpc or Pfc Day 30 Inactivation Hpc or Pfc Hpc Offline transfer Pfc

28 Sommeil sommeil a ondes lentes SWS sommeil paradoxal REM Diekelmann & Born 2010

29 Sommeil et mémoire L apprentissage modifie le sommeil La privation de sommeil diminue l apprentissage Le sommeil améliore les performances Sommeil à ondes lentes (SWS) mémoire déclarative Sommeil paradoxal (REM sleep) mémoire procédurale

30 Extracellular recording in hippocampus!!!!!"!!###! " Sharp waves - Ripples

31 Extracellular recording in mice hippocampus Filtered signal : spikes 50 ms

32 Memory Consolidation Replay of waking experience during subsequent sleep ripples encoding theta (5-10Hz) reactivation - consolidation sharp-wave ripples (200Hz) Girardeau & Zugaro 2011

33 1- Les ripples sont-elles importantes pour l apprentissage? 2 - Y a-t-il des réactivations dans le cortex préfrontal au moment des ripples? 3 - Comment sont selectionnées les informations qui seront transférées de l Hpc vers le Cpf pendant le sommeil? Selection of information Reactivation and consolidation

34 1- Les ripples sont-elles importantes pour l apprentissage? 2 - Y a-t-il des réactivations dans le cortex préfrontal au moment des ripples? 3 - Comment sont selectionnées les informations qui seront transférées de l Hpc vers le Cpf pendant le sommeil? Selection of information Reactivation and consolidation

35 Suppression of reactivations during sleep encoding theta (5-10Hz) reactivation - consolidation sharp-wave ripples (200Hz) Girardeau & Zugaro 2011

36 Enregistrement dans la couche CA1 de l hippocampe: ripples détection en ligne des ripples stimulations (VHC) (suppression des ripples)

37 Ripples and learning Recording CA1 pyramidal layer Stimulation VHC Suppression of ripples through stimulation of the ventral hippocampal commissure

38 Ripples and learning OR Test Control 3 trials per day sleep

39 Ripples and learning Radial maze 8 arms Jarrard, Behav Brain Res 1995 Suppression of Ripples : impaired performance in spatial memory task Girardeau*, Benchenane*, Wiener, Buzsaki, Zugaro Nat Neurosci 2009.

40 Apprentissage 1 Apprentissage 2 Texte Texte Karlsson, & Frank 2009

41 Et chez l homme...

42 Diekelmann & Born 2010

43 Marshall et al., 2006

44 Les protocole de stimulation qui augmentent les oscillations du sommeil améliorent l apprentissage Marshall et al., 2006

45 le sommeil, uniquement de la consolidation?

46 !"!!!!!!###!" Gupta et al., 2010

47 Hippocampal Replay Is Not a Simple Function of Experience Gupta et al., 2010

48 Sleep inspires insight 60% Subjects gaining insight 40% 20% SWS 0% Wake/ Day Wake/ Night Sleep/ Night Wagner et al., 2004

49 Maquet & Ruby 2004

50 Observation corrélation causalité?

51 Optogénétque

52 Adrien Peyrache Mehdi Khamassi Gabrielle Girardeau Michael Zugaro Sidney Wiener Alain Berthoz LPPA Collège de France UMR CNRS 7152 Yves Gioanni Patrick Tierney INSERM Collège de France Thanks Francesco Battaglia Amsterdam University Gyorgy Buzsaki Rutgers University