Analyse fonctionnelle et par imagerie in vivo de réseaux neuronaux impliqués dans l'apprentissage olfactif et la mémorisation chez la drosophile – MemoNetworks

Nous proposons de réaliser un programme en quatre points qui doit permettre d'étudier de dégager une vision plus globale de la dynamique des réseaux impliqués dans l'apprentissage ou la mémorisation olfactive:
1) Etude de la dynamique spatiale de la voie de la protéine kinase A (PKA) dans le centre de la mémoire olfactive, les corps pédonculés. Grâce à l'introduction d'une sonde fluorescent permettant d'imager in vivo la dynamique de la voie de la PKA, nous avons montré récemment que la stimulation uniforme des corps pédonculés par la dopamine, neuromodulateur impliqué dans la voie du stimulus non conditionnel (choc électrique) conduisait à l'activation préférentielle des lobes verticaux (Gervasi et al. 2010). Grâce à de nouvelles formes du rapporteur fluorescent exprimées de façon ciblée à la membrane ou dans le noyau, nous étudierons de manière systématique la dynamique spatiale de la PKA dans les différents neurones des corps pédonculés.
2) Etude fonctionnelle des réseaux impliqués dans le rappel mnésique. Nous avons caractérisé les neurones efférents aux corps pédonculés et impliqués dans le rappel des différentes formes de mémoire olfactive aversive. Fait intéressant, ces neurones de rappel mnésique convergent vers la voie impliquée dans la réponse innée aux molécules odorantes répulsives. En utilisant de nouvelles approches combinant manipulation des corps pédonculés et étude par imagerie des voies en aval, nous génèrerons in vivo une carte fonctionnelle des circuits impliqués dans le rappel des souvenirs aversifs.
3) Etude du rôle des oscillations de deux paires de neurones dopaminergiques dans la formation de la mémoire à long terme (cf résultats).
4) Grâce à des techniques d'imagerie calcique nous étudierons la dynamique de la trace mnésique appétitive dans les corps pédonculés.

1) Nous avons identifié très récemment une paire de neurones dopaminergiques qui présentent une activité oscillante à basse fréquence et de façon spontanée. Fait capital, ces neurones projettent sur les corps pédonculés et nous avons montré par ailleurs qu'ils seraient impliqués dans le contrôle du niveau de consolidation de la mémoire associative (Plaçais et al. 2012). Nous avons étudié les modifications de ces oscillations dans des mouches conditionnées.
2) Dans une situation de manque de nourriture, un mécanisme fréquent est que le cerveau accapare les ressources disponibles à hauteur de ses besoins, au détriment du reste de l’organisme. Nous nous sommes demandé s’il existait en parallèle des mécanismes de plasticité adaptative permettant de réduire les dépenses métaboliques par le cerveau en cas de pénurie alimentaire. Nous avons montré que la formation de la mémoire à long terme, qui est coûteuse car elle requiert la synthèse de nouvelles protéines, était bloquée en cas de disette. Ce phénomène de plasticité adaptative est puissant puisque que le cerveau est capable de réduire son activité pour favoriser la survie de la mouche.

Nous étudierons les propriétés du réseau qui sous-tendent les oscillations des neurones dopaminergiques qui contrôlent la formation de la mémoire à long terme. Par ailleurs nous étudierons l'ensemble des circuits neuronaux qui sont connectés au corps pédonculés (le centre de la mémoire olfactive de la mouche) et qui sont impliqués dans la formation et le rappel de la mémoire à long terme.
Nos études sont basées sur la puissance des outils génétiques disponibles chez la drosophile, qui nous permettent non seulement d'étudier le rôle de neurone individuellement, mais aussi d'observer leur activité lorsque l'animal apprend grâce à des sondes calciques fluorescentes encodées génétiquement.

1- Plaçais, P.-Y., Trannoy, S., Isabel, G., Aso, Y., Siwanowicz, I., Belliart-Guérin, G., Vernier, P., Birman, S., Tanimoto, H. and Preat, T. (2012). Slow oscillations in two pairs of dopaminergic neurons gate long-term memory formation in Drosophila. Nature Neurosci, 15(4): 592-599.

Nous avons identifié dans cet article le mécanisme qui contrôle quelles informations méritent d'être stockées sous forme de mémoire à long terme chez la Drosophile.

2- Plaçais, P.-Y. and Preat, T. (2013). To favor survival under food shortage, the brain disables costly memory. Science, 339(6118): 440-442.

Nous montré que la drosophile, la mémoire à long terme ne fonctionne plus en cas de famine; et ceci permet à l’insecte de s'économiser et de rester vivante 30% de temps en plus. Autant de gagné pour trouver de la nourriture.

La drosophile est un organisme privilégié permettant l'étude de nombreuses fonctions physiologiques grâce à des outils génétiques en constante évolution. Le cerveau de la drosophile adulte comporte de l'ordre de 100 000 neurones et est hautement structuré. En particulier il existe un centre de la mémoire olfactive, les corps pédonculés, une structure symétrique de 2 000 neurones dont les projections axonales forment deux lobes verticaux et trois lobes médians. Nous utilisons un protocole de conditionnement qui consiste à associer une molécule odorante à des chocs électriques. Notre équipe a réalisé au cours des dix dernières années d'importantes études comportementales sur la dynamique des phases de mémoire consolidées. Nous avons par ailleurs identifié plusieurs protéines impliquées spécifiquement dans la formation de la mémoire à long terme.
Le présent projet se propose de faire des liens entre les niveaux moléculaires et comportementaux, et de caractériser fonctionnellement différents circuits neuronaux impliqués dans l'apprentissage associatif olfactif, la consolidation ou le rappel mnésique. Un des défis des études de la mémoire est de décrypter la dynamique des interactions au sein des circuits neuronaux. Un des points clés de nos études consistera à imager in vivo certains neurones impliqués dans la mémorisation olfactive tout en activant ou en inhibant d'autres neurones qui leur sont connectés. Plus précisément, nous proposons de réaliser un programme en quatre points qui doit permettre d'étudier de dégager une vision plus globale de la dynamique des réseaux impliqués dans l'apprentissage ou la mémorisation olfactive:

1) Etude de la dynamique spatiale de la voie AMPc/PKA dans les lobes des corps pédonculés. Grâce à l'introduction d'une sonde AKAR permettant d'imager in vivo la dynamique de la voie AMPc/PKA, nous avons montré récemment que la stimulation uniforme des corps pédonculés par la dopamine, neuromodulateur qui médie la voie du stimulus non conditionnel (choc électrique) conduisait à l'activation préférentielle des lobes verticaux. Grâce à de nouvelles formes du rapporteur AKAR exprimées de façon ciblée à la membrane ou dans le noyau, nous étudierons de manière systématique la dynamique spatiale de la PKA dans les différents neurones des corps pédonculés. En parallèle, nous étudierons en détail comment les différents neurones dopaminergiques afférents aux corps pédonculés permettent l'activation de la PKA dans des domaines restreints.

2) Etude fonctionnelle des réseaux impliqués dans le rappel mnésique. Nous avons caractérisé les neurones efférents aux corps pédonculés et impliqués dans le rappel des différentes formes de mémoire olfactive aversive. Fait intéressant, ces neurones de rappel mnésique convergent vers la voie impliquée dans la réponse innée aux molécules odorantes répulsives. En utilisant de nouvelles approches combinant manipulation des corps pédonculés et étude par imagerie des voies en aval, nous génèrerons in vivo une carte fonctionnelle des circuits impliqués dans le rappel des souvenirs aversifs.

3) Nous avons identifié très récemment une paire de neurones dopaminergiques qui présentent une activité oscillante à basse fréquence et de façon spontanée. Fait capital, ces neurones projettent sur les corps pédonculés et nous avons montré par ailleurs qu'ils seraient impliqués dans le contrôle du niveau de consolidation de la mémoire associative (résultats non publié). Nous étudierons les modifications éventuelles de ces oscillations dans des mouches conditionnées ainsi que les propriétés du réseau qui sous-tendent ces oscillations.

4) Grâce à des techniques d'imagerie calcique nous étudierons la dynamique de la trace mnésique appétitive dans les corps pédonculés. Enfin, en collaboration avec le groupe du Dr. H. Tanimoto (Max Planck Institute for Neurobiology, Martinsried), nous rechercherons les voies efférentes aux corps pédonculés et impliquées dans le rappel mnésique appétitif.