A causal role for the hippocampo-cortical dialogue in memory consolidation : temporal coupling of rhythmic patterns and cortical network reorganization during sleep in rats

par Nicolas Maingret

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Michaël Zugaro.

Soutenue le 20-09-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris) .

Le président du jury était Philippe Faure.

Le jury était composé de Xavier Leinekugel, Karim Benchenane.

Les rapporteurs étaient Matt Jones, Bruno Poucet.

  • Titre traduit

    Mise en évidence d'un rôle causal du dialogue hippocampo-cortical dans la consolidation mnésique : couplages oscillatoires et réorganisation des réseaux corticaux pendant le sommeil chez le rat


  • Résumé

    La théorie de la formation de la mémoire "en deux étapes" postule que la consolidation mnésique repose sur un dialogue pendant le sommeil entre l'hippocampe, où les traces mnésiques sont initialement formées, et le néocortex (notamment le cortex préfrontal médian, CPm), où elles seraient stockées à long terme. En particulier, la coordination entre oscillations au sein du réseau hippocampo-cortical pendant le sommeil apparaît comme un mécanisme plausible pour la consolidation. Nous avons augmenté la coordination temporelle entre ces deux structures pendant le sommeil suivant un apprentissage d'une tâche de mémoire spatiale limité en temps n'induisant pas de consolidation. Les rats ayant suivi le protocole permettant l'augmentation des intéractions entre ondulations hippocampiques, ondes delta corticales et fuseaux thalamo-corticaux par le biais d'impulsions électriques intra-corticales ont fait preuve d'un haut niveau de performance de rappel 24 h plus tard, contrairement à des rats de contrôle qui ne faisaient pas mieux que le hasard. Ainsi, cette augmentation des intéractions hippocampo-corticales pendant le sommeil a-t-elle stabilisé des traces mnésiques qui autrement n'auraient pas subsisté entre l'entraînement et le test. De plus, nous avons observé une réorganisation des réseaux neuronaux du CPm pendant le sommeil, ainsi qu'une réponse accrue du CPm à la tâche le lendemain. Ces travaux constituent une mise en évidence directe du rôle causal du dialogue hippocampo-cortical pendant le sommeil dans la consolidation mnésique, dont les mécanismes sous-jacents impliquent une coordination temporelle précise entre ondulations, ondes delta et fuseaux (Maingret et al., 2016).


  • Résumé

    The `two-stage' theory of memory posits that memory consolidation involves a dialogue during sleep between the hippocampus, where traces are initially formed, and the neocortex (notably the prefrontal cortex), where they are stored for long-term retention. Temporally coordinated oscillations in the hippocampo-cortical network could be a key mechanism for sleep-dependent memory consolidation. We dynamically manipulated the temporal coordination between the two structures during sleep following training on a spatial memory task specifically designed to trigger encoding, but not memory consolidation. Reinforcing the endogenous coordination between hippocampal sharp wave-ripples, cortical delta waves and spindles by timed electrical stimulation resulted in a high recall performance on the next day, contrary to control rats which performed at chance levels. Thus, this enhancement of hippocampo-cortical interactions during sleep stabilized memory traces that would have otherwise vanished between training and test. In addition, we observed a reorganization of prefrontal cortical networks during sleep, along with subsequent increased prefrontal responsivity to the task on the next day. These results provide direct evidence for a causal role of a hippocampo-cortical dialogue during sleep in memory consolidation, and indicate that the underlying mechanism involves a fine-tuned coordination between sharp wave-ripples, delta waves and spindles (Maingret et al., 2016).

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