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
La mémoire : Donald Hebb
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) 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Assemblée cellulaire
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)
Hebb avait raison: Spike 'ming dependent plas'city PA PPS (d après Bi & Poo 1998)
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
Et la mémoire...
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.), 1926-2008
L hippocampe chez l homme chez le rongeur
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)
Les différents types de mémoire
Enregistrements chez l homme (patients épileptiques)
Quian Quiroga et al., Nature 2005
Quian Quiroga et al., Nature 2005
Quian Quiroga et al., Nature 2005
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
Recording in freely moving rodents Film
Représentation interne de l espace dans l hippocampe Cellules de lieu : Jung, Wiener et McNaughton,1994
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
L hippocampe et le concept de carte cognitive
cellule de lieu = mémoire?
Remapping une même cellule de lieu code pour des endroits différents dans des environnements différents
Contexte A Contexte B time time
cellule de lieu = mémoire? hippocampe donne un contexte
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
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
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
Sommeil sommeil a ondes lentes SWS sommeil paradoxal REM Diekelmann & Born 2010
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
Extracellular recording in hippocampus!!!!!"!!###! " Sharp waves - Ripples
Extracellular recording in mice hippocampus Filtered signal : spikes 50 ms
Memory Consolidation Replay of waking experience during subsequent sleep ripples encoding theta (5-10Hz) reactivation - consolidation sharp-wave ripples (200Hz) Girardeau & Zugaro 2011
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
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
Suppression of reactivations during sleep encoding theta (5-10Hz) reactivation - consolidation sharp-wave ripples (200Hz) Girardeau & Zugaro 2011
Enregistrement dans la couche CA1 de l hippocampe: ripples détection en ligne des ripples stimulations (VHC) (suppression des ripples)
Ripples and learning Recording CA1 pyramidal layer Stimulation VHC Suppression of ripples through stimulation of the ventral hippocampal commissure
Ripples and learning OR Test Control 3 trials per day sleep
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.
Apprentissage 1 Apprentissage 2 Texte Texte Karlsson, & Frank 2009
Et chez l homme...
Diekelmann & Born 2010
Marshall et al., 2006
Les protocole de stimulation qui augmentent les oscillations du sommeil améliorent l apprentissage Marshall et al., 2006
le sommeil, uniquement de la consolidation?
!"!!!!!!###!" Gupta et al., 2010
Hippocampal Replay Is Not a Simple Function of Experience Gupta et al., 2010
Sleep inspires insight 60% Subjects gaining insight 40% 20% SWS 0% Wake/ Day Wake/ Night Sleep/ Night Wagner et al., 2004
Maquet & Ruby 2004
Observation corrélation causalité?
Optogénétque
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