Functional analysis and live imaging of neuronal networks involved in drosophila olfactory learning and memory – 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.

Drosophila is a powerful organism for the study of many physiological functions as it provides a large panel of constantly upgrading genetic tools. Adult drosophila brain contains about 100,000 neurons and is highly structured. In particular, it includes an olfactory memory center, the mushroom bodies, a symmetrical structure of 2,000 neurons whose axonal projections define two vertical and three medial lobes. The conditioning protocol that we utilize consists in pairing an aversive odorant molecule to electric shocks. Over the past decade our group has performed important behavioral studies on the dynamics of consolidated memories. In addition, we identified several proteins that are specifically involved in the formation of long-term memory.
We now project to link the molecular and behavioral levels, and functionally characterize various neural networks involved in associative olfactory learning, memory consolidation or retrieval. One of the challenges in memory studies is to decipher the dynamics of interactions between neuronal circuits. A key feature of our work will reside in the combination of in vivo imaging of memorization-involved neurons and simultaneous activation or inhibition of connected neurons. Our program, which is based on many important preliminary results, should enable a more global picture of memory networks dynamics in drosophila:

1) Study of the spatial dynamics of the cAMP/PKA pathway in the mushroom body lobes. Thanks to the implementation of an AKAR probe allowing in vivo imaging of the dynamics of the cAMP/PKA pathway, we recently showed that evenly stimulating the whole mushroom bodies with dopamine, the neuromodulator mediating the unconditioned stimulus (electric shock), results in a preferential PKA activation in the vertical lobes. Making use of new versions of the AKAR reporter whose expression is targeted to the membrane or the nucleus, we will systematically investigate PKA spatial dynamics in mushroom body subpopulations. In parallel, we will direct detailed studies on the mechanisms by which mushroom body-afferent dopaminergic neurons enable a compartmentalized PKA activation in constrained subdomains.

2) We will pursue our functional study of the networks involved in memory retrieval. We have characterized the mushroom body-efferent neurons mediating the retrieval of all forms of aversive olfactory memory. Noticeably, these memory output neurons converge towards the pathway responsible for the innate avoidance of repulsive odorant molecules. Using new approaches combining manipulation of the mushroom bodies and imaging studies of downstream neural routes, we will establish in vivo a functional map of the circuits involved in the recall of aversive experiences.

3) We identified very recently a pair of dopaminergic neurons featuring a spontaneous, i.e. unprovoked, low frequency oscillatory activity in naive flies. Strikingly, these neurons innervate mushroom bodies and we showed recently that they could take part in controlling the level of aversive memory consolidation (unpublished results). We will investigate potential alteration of these oscillations in conditioned flies, and analyze the network properties that underlie the oscillatory process.

4) We will study the dynamics of the appetitive memory trace in the mushroom bodies by live calcium imaging techniques (association of an odorant with sugar). Last, in collaboration with the group of Dr. H. Tanimoto (Max Planck Institute for Neurobiology, Martinsried), we will look for circuits efferent to the mushroom bodies and involved in appetitive memory retrieval.