Couplage anatomique et fonctionnelle du cervelet et du cortex sensoriel vibrissal chez la souris

par Hind Baba AÏSsa

Projet de thèse en Neurosciences

Sous la direction de Daniela Popa et de Clément Lena.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Cerveau, cognition, comportement , en partenariat avec Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure (laboratoire) et de Ecole normale supérieure (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-09-2016 .


  • Résumé

    De nombreuses études se sont focalisées sur la contribution du cervelet au contrôle moteur. Cependant, de nouvelles données suggèrent l'implication de cette structure dans des processus plus complexes, tels que l'intégration sensorimotrice pour la discrimination sensorielle active, mais le détail de ces processus est actuellement inconnu. Une étude récente a montré que le cervelet contribue à la coordination des activités corticales sensorimotrices, en particulier dans la cohérence dans la bande gamma des potentiels de champs locaux entre les cortex sensoriel et moteur au cours de l'exploration vibrissale (Popa et al. 2013)/ Cette étude suggère la présence d'une voie parallèle ascendante projetant directement sur les cortex moteur et sensorimoteur. Au cours de mon M2, nous avons donc décidé d'explorer l'existence de cette projection en employant des traçages anatomiques et des enregistrements fonctionnels. A l'aide de traceurs antérogrades, nous avons d'abord trouvé que le noyau denté, qui reçoit les projections depuis Crus I où les informations vibrissales sont processées, projette vers différents noyaux thalamiques. Des marquages rétrogrades depuis le cortex sensoriel et moteur primaire des vibrisses ont montré des colocalisations avec les terminaisons cérébelleuses dans les noyaux thalamiques ventroantérolatéral (VAL), le ventromédial (VM), le centrolatéral (CL) et le postérieur médial (POm), suggérant que ces quatre noyaux thalamiques sont des relais potentiels du cervelet au cortex somatosensoriel. Nous avons aussi exploré la connectivité fonctionnelle entre le cervelet et le cortex sensoriel à l'aide de stimulations optogénétiques du noyau denté, en enregistrant simultanément les cortex moteur et sensoriel. Nous avons obtenu des réponses en cortex moteur et sensoriel avec une courte latence similaire, suggérant une voie parallèle directe entre le cervelet et le cortex sensoriel. Finalement, ces données anatomiques et fonctionnelles suggèrent l'existence d'une voie disynaptique du cervelet au cortex sensoriel, soulignant le rôle potentiel du cervelet dans le traitement des informations sensorielles. Pendant ma thèse, je vais identifier les acteurs de cette voie grâce à des traçages anatomiques et des transparisations de cerveau, pour déterminer si cette voie est composée d'une ou plusieurs projections. Je vais aussi effectuer des enregistrements électrophysiologiques couplés à des stimulations optogénétiques pour explorer la connectivité fonctionnelle entre le cervelet, le cortex sensoriel et le cortex moteur. Enfin, j'essayerai d'associer un corrélat comportement à cette voie fonctionnelle, telle que son implication dans des tâches de discrimination tactile associé une imagerie haute fréquence du mouvement des vibrisses.

  • Titre traduit

    Anatomical and functional coupling of the cerebellum and the whisker sensory cortex in the mouse


  • Résumé

    Many studies have focused on the cerebellar contribution to motor control. However, new data suggest that this structure is also involved in more complex processes, such as sensorimotor integration in active sensory discrimination, but the detail of the processes are yet unknown. Recent data have shown that the cerebellum contributes to coordinated sensorimotor cortical activities, in particular in gamma-band coherence of local field potential between the sensory and the motor cortices during whisking (Popa et al. 2013). This study suggests the presence of parallel ascending pathways projecting directly to the motor and to the sensory cortices. During my M2 internship, we decided to study the existence of this projection using anatomical tracing and functional recordings. Using anterograde tracing, we first found that the dentate nucleus which receives the input from Crus I where whisker related information is processed, project to different nuclei of the thalamus. Retrograde staining from the whisker sensory and motor primary cortices have shown colocalization with cerebellar terminals in the ventral anterolateral (VAL), the ventromedial (VM), the centrolateral (CL) and the posterior medial (POm) thalamic nuclei, suggesting that these four nuclei could relay cerebellar output to the sensorimotor cortices. We also explored the functional connectivity between the cerebellum and the sensory cortex using optogenetic stimulations of the dentate nucleus while recording in sensory and motor cortices. We found responses in the motor cortex and in the sensory cortex with a similar short latency, suggesting a direct parallel connection between the cerebellum and the sensory cortex. Altogether, these anatomical and functional results suggest the existence of a disynaptic pathway from the cerebellum to the sensory cortex, thus highlighting the potential role of the cerebellum in sensory information processing. During my thesis, I'll dissect this pathway through anatomical tracings and brain clarifications to find out if this pathway consists in one or multiple projections. I'll also proceed to electrophysiological recordings coupled with optogenetic stimulations to explore the functional connectivity between the cerebellum, the sensory cortex and the motor cortex. Finally, i'll try to assess a behavioral correlate to this pathway through behavioral tests such as texture discrimination task combined with high frequency imaging of the whisker movements.