Stabilisation du regard chez la souris : adaptation visuo-vestibulaire et signalisation prédictive pendant la locomotion

Gaze stabilization in mice : visuo-vestibular adaptation and predictive motor signaling during locomotion

• Auteur / Autrice : Filipa França de Barros
• Direction : Mathieu Beraneck
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 04/09/2020
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Neurosciences intégratives et cognition (Paris ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Thérèse Collins
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thérèse Collins, Megan Carey, Muriel Thoby-Brisson, Pierre Pouget, Andrew John Murray, Hans Straka
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Megan Carey, Muriel Thoby-Brisson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Regard

Processus perceptivomoteurs

Réflexe optocinétique

Réflexe vestibulo-oculaire

Mots clés libres

Stabilisation du regard

Réflexe vestibulo-oculaire

Réflexe optocinétique

Tronc cérébral

Sensorimoteur

Copie d’efférence

Générateur central du patron locomoteur

Couplage moteur

Gaze stabilization

VOR

OKR

Brainstem

Sensorimotor

Efferent copy

Central pattern generators

Motor-to-motor coupling

Vestibular

Résumé

L'information visuelle est cruciale pour que les espèces animales agissent, interagissent et s'orientent dans leur environnement. La stabilisation du regard permet une acuité visuelle adéquate en garantissant que la scène visuelle est maintenue immobile sur la rétine, même pendant le mouvement. Les systèmes sensorimoteurs sont responsables de la stabilisation du regard grâce à l'utilisation d'entrées complémentaires qui finissent par déplacer l'œil dans l'espace et / ou la tête dans l'espace. Cette thèse présente toute d'abord des études qui concernent les deux voies sensorimotrices convergentes du tronc cérébral qui permettent la stabilisation du regard chez la souris. Plus précisément, nous étudions comment les réflexes d’origine visuelle (réflexe optocinétique ou OKR) et vestibulaire (réflexe vestibulo-oculaire ou VOR) s'adaptent en réponse à une perturbation visuelle persistante. Cela a été réalisé au moyen d'un protocole de conflit visuo-vestibulaire de 2 semaines chez des souris libres de leurs mouvements (França de Barros et al., 2019). Dans un premier temps, nous avons démontré que le protocole de conflit visuo-vestibulaire à long terme conduit à une plasticité en dehors du cervelet, notamment dans la voie directe du VOR (Carcaud, França de Barros et al., 2017). Des modifications plastiques ont été mises en évidence dans la transmission synaptique entre les afférents vestibulaires et les neurones vestibulaires centraux d’une part, et dans les propriétés intrinsèques de certains neurones vestibulaires centraux d’autre part. Ensuite, la dynamique d'adaptation et de récupération des réflexes OKR et VOR a été comparée dans deux mésappariements qui différaient dans la quantité de glissement rétinien (França de Barros et al., 2020). Nous avons constaté que les deux conditions étaient comparables, entraînant toutes deux des changements plus importants dans le VOR que dans l'OKR. La dynamique de ces changements plastiques est très largement dépendante de la fréquence, avec une récupération retardée pour les fréquences inférieures à 1 Hz. Dans l'ensemble, ces données fournissent des données expérimentales concernant les cascades séquentielles de plasticité dans les voies réflexes de stabilisation du regard et montrent les interdépendances fonctionnelles entre le VOR et l’OKR. En plus des voies sensorimotrices classiques, des preuves récentes ont démontré chez les têtards de Xénope le rôle de la signalisation motrice prédictive dans la réduction des perturbations visuelles pendant la locomotion. Nous avons exploré si ce signal prédictif, couplant les mouvements oculaires à la locomotion, est phylogénétiquement conservé chez les mammifères (França de Barros et al., en préparation). En utilisant une préparation précolliculaire et prémamillaire décérébrée de souris adultes, maintenues tête fixe, nous avons montré que la locomotion entraînée par le tapis roulant provoque des mouvements des yeux bilatéraux et conjugués. Pour déterminer l'influence des CPG (Central Pattern Generator) locomoteurs des rachis cervical et lombaire sur les noyaux moteurs de l'œil, l'activité des nerfs moteurs rachidiens et abducens a été enregistrée simultanément ex vivo dans des préparations isolées de tronc cérébral et de moelle épinière de souris néonatales. Une décharge couplée rythmique a été trouvée entre les activités du membre et du nerf moteur abducens lors d'épisodes locomoteurs fictifs provoqués par une stimulation électrique ou pharmacologique. Pour cartographier la voie neuronale qui couple le CPG cervical et les noyaux abducens, le virus de la rage (RV) a été injecté dans le muscle droit latéral des souris adultes. Nous avons trouvé des motoneurones infectés (RV+) (révélés par le marquage ChAT) dans le noyau abducens ipsilatéral ainsi que des interneurones RV + le long de la moelle épinière cervicale. (...)

Visual information is crucial to animal species to act on, interact with and orientate in their environment. Gaze stabilization allows adequate visual acuity by ensuring that the visual scene is held stationary on the retina, even during movement. Sensorimotor systems are responsible for gaze stabilization through the use of complementary inputs that ultimately move the eye in space and/or the head in space. This thesis first reports studies of two brainstem-converging sensorimotor pathways that enable gaze stabilization in mice. Specifically, it investigates how visual (OKR) and vestibular (VOR) reflexes adapt in response to a long-term visual perturbation. This was performed by means of a 2 weeks visuo-vestibular mismatch protocol in freely-behaving mice (França de Barros et al., 2019). At a first instance, we demonstrated that the long term visuo-vestibular mismatch protocol lead to plasticity outside the cerebellum, namely in the direct VOR pathway (Carcaud et al., 2017). Neural changes occurred in the synaptic transmission and intrinsic properties of central vestibular neurons. Next, the adaptation and recovery dynamics of the OKR and VOR reflexes were compared in two mismatches that differed in the amount of retinal slip (França de Barros et al, 2020). We found that the two conditions were comparable, both leading to larger changes in the VOR than in the OKR. The dynamic of these plastic changes was largely frequency-dependent, with a delayed recovery for frequencies lower than 1Hz. Overall, these data provide evidence for sequential cascades of plasticity in the OKR/VOR pathways. In addition to classical sensorimotor pathways, recent evidence demonstrated in Xenopus tadpoles the role of predictive motor signaling in helping minimize visual disturbances during locomotion. This thesis proceeds by exploring whether that predictive signal, coupling eye movements to locomotion, is phylogenetically preserved in mammals (França de Barros et al. in preparation). Using a precollicular and premamillary decerebrated head-fixed adult mouse preparation, we found consistent correlation between treadmill locomotion evoked in dark and conjugated eye movements. To determine the influence of the cervical and lumbar spinal locomotor CPGs on the eye’s motor nuclei, the activity of spinal and abducens motor nerves was recorded simultaneously ex vivo in isolated brainstem-spinal cord preparations of neonatal mice. Rhythmic coupled discharge was found between limb and abducens motor nerve activities during fictive locomotor bouts elicited by electrical or pharmacological stimulation. To map the neuronal pathway that couples the cervical CPG and the abducens nuclei, rabies virus (RV) was injected in the lateral rectus muscle of adult mice. We found infected (RV+) motoneurons (revealed by ChAT labelling) in the ipsilateral abducens nucleus as well as RV+ interneurons along the cervical spinal cord. This study for the first time demonstrated that a cervical CPG-driven efference copy directly couples eye movements with forelimb movement during vigorous locomotion in mice. Overall, this thesis provides insight to the functional complementarity of reflexive pathways participating in gaze stabilization as well as their adaptation to different behavioral and environmental contexts.