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ganglions base
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Rle des noyaux gris centraux dans lapprentissage
Fadila HADJ-BOUZIANE
Institut des Sciences Cognitives CNRS UMR 5015
Plan
Anatomie les noyaux gris centraux ou ganglions de la
base les circuits des ganglions de la base
GGB et contrle moteur GGB et fonctions non-motrices
(apport de llectrophysiologie)
Noyaux gris centraux ou
Ganglions de la base (GGB)
= groupe de structures fonctionnellement liesorigine phylogntique et ontogntique diffrentes
Noyau caud Putamen Globus pallidus Substance noire Noyau sous-thalamique
StriatumNoyau Lenticulaire
GGB : le striatum
Striatum noyau caud(tte - corps - queue) putamen
Division arbitraire (spars par la caspule interne)
GGB
Globus pallidus segment externe (Gpe) segment interne (GPi) ventral (GPv)
Substance noire compacte (SNc) reticulat (SNr)
Noyau sous-thalamique (NST)
GGB
(from Graybiel, 2000)
Circuits des GGBCortexCortex
Striatum = entre des GGBStriatum = entre des GGB
TemporalParitalFrontal
St Cyr, 2003
Circuits des GGB
Striatum = entre des GGBStriatum = entre des GGB
CortexCortexTemporalParitalFrontal
Gpi/SNr = sortie des GGBGpi/SNr = sortie des GGB
GpeGpe
ThalamusThalamus
NSTNSTVoie directeVoie indirecte
Albin et al., 1989
Circuits des GGB
CortexCortex
StriatumStriatum
GPi/SNrGPi/SNr
ThalamusThalamusAlbin et al., 1989
GPeGPe
STNSTN
GABA
Glutamate
SNc
Dopamine
CortexCortex
StriatumStriatum
GPi/SNrGPi/SNr
ThalamusThalamus
Circuits des GGB
Albin et al., 1989
GPeGPe
STNSTN
GABA
Glutamate
SNc
Dopamine -+
SNc
Maladie de Parkinson
CortexCortex
StriatumStriatum
GPi/SNrGPi/SNr
ThalamusThalamus
SNcXGPeGPe
STNSTN
Dopamine
GABA
Albin et al., 1989Glutamate
Circuits des GGB
Alexander et al., 1986
Circuits des GGB
StriatumSM : Sensorimoteur
AS : AssociatifLI : Limbique
Parent & Hazrati, 1995
LimbicAssociatifSensorimotor
l-VAmcMDpl
DORSO-LATERAL
PREFRONTALMOTOR OCULO-
MOTOR
LATERALORBITO-FRONTAL
ANTERIORCINGULATE
APAMCSC
PALLIDUMS. NIGRA
CORTEX
STRIATUM
THALAMUS
DLCPPC
PPCAPA
STGITGACA
HCEC
STGITG
SMA
vl-GPicl-SNr
VLoVLm
FEF
CAUD(b)
cdm-GPivl-SNr
DLC
dl-CAUD(h)
ldm-GPirl-SNr
VApcMDpc
LOF
vm-CAUD(h)
mdm-GPirm-SNr
m-VAmcMDmc
ACA
rl-GPi-VPrd-SNr
PUT VS
Alexander et al., 1986
Parent & Hazrati, 1995
pm-MD
Nouvelles donnes ...
Structure dentre : Striatum + NSTcortex moteur, premoteur & prfrontal => NST
Structure de sortie : GPi/SNr + GPe Gpe => thalamus + Noyau pdonculopontin
(NPP) Boucles de rtrocontrle (ex...)
Thalamus => striatum Gpe striatum SNc striatum
Circuits des GGB
Models in science tend to reassure and appease researchers who do not like to wanderalone in the universe of knowledge. However, models may have a perverse effect, suchas the selective neglect of data that do not fit into the model (modellus deformansdisease). It would be unwise to rush into the formulation of a new basal ganglia model until the real significance of the enormous amount of new data on basal gangliabecomes clear. Furthermore, formulating models is a difficult task. On the one hand, efficient models have to be simple, but simple models can provide only part of thereality and are thus bound to be wrong (for example, current basal ganglia model). On the other hand, an elaborated model that would embody all the complexities of a givenreality (for example, any new basal ganglia model) is doomed to be useless. Wetherefore suggest to stay away from basal ganglia model for some time. This will giveus the opportunity to appreciate the real value of raw data and to realize that the beautyof nature lies in details.
Parent A. & Cicchetti F.Movement Disorders
Vol. 13, N2, 1998, pp. 199-202.
Elctrophysiologie : StriatumNeurones de projection = 95 %
GabaergiquesPAN : Phasically Active neurons
12 20 m
Interneurons 5%
CholinergiquesTAN : Tonically Active Neurons
20 35 m
dendrites trs longues couvertes d'pines (= spiny neurons)
dendrites lisses (neurones aspiny)
Activit spontane trs faible (0.01-1 Hz)
(activs par des influx excitateursconvergents)
Activit spontane tonique (2-10 Hz)
(Potentiel membranaire de repos trs prochedu seuil dmission des potentiels daction)
Elctrophysiologie : Striatum
Neurone de projection Interneurone Cholinergique
Apicella, 2003
GGB et contrle moteur
Niveau 1 : aires associatives corticales + GGB plans et stratgies motrices
Niveau 2 : Cortex moteur et cervelet paramtres du mouvement (amplitude, direction,
force ...)
Niveau 3 : Tronc crbral + moelle pinire Excution du mouvement
GGB et contrle moteur
Pathologies telles que la maladie de Parkinson (dgnrescence de la SNc), la maladie de Huntington (dgnrescence des PANs du striatum)...
GGB : impliqus dans tous les types de mouvement Ex. : microstimulation des neurones du putamen (40 A) = > mouvements de la face, des membres suprieures et infrieurs ...
(Alexander & DeLong, 1985) Activation des neurones du striatum pendant la programmation et
lexcution de mouvements (ex. Kimura, 1990)
=> rle du striatum et des GGB dans le contrle du mouvement ( systme extrapyramidal )
Flexion Extension
EMG
SI
Kimura, 1990
GGB et fonctions non motrices
Delayed alternation = PFdl Object reversal = PFo
Visual discrimination = TE
Rosvold & Delgado, 1956Divac et al., 1967
GGB et fonctions non motrices
PFdl => Anterodorsal caudatePFdl =>Posteroventral caudatePFo => Ventrolateral caudate
TE => Tail of caudate
Rosvold & Delgado, 1956Divac et al., 1967
GGB et Mmoire des habitudes
MEMOIRE A COURT TERME
MEMOIRE A LONG TERME
DECLARATIVE
NON-DECLARATIVELobe temporal mdian
MEMOIRE DES HABITUDES
(Mishkin et al., 1984)
STRIATUM
Striatum et Mmoire des habitudes
Etablissement lent et incrmentiel de liens automatiques entre un stimulus et une rponse ou un contexte et une habitude
Striatum = site de convergence
informations visuelles
informations motrices
-
SNc informations motivationnelles
S-RNcessite rptitions et
renforcement par rcompense
2 phasesAcquisitionRtention
Importance des influx dopaminergiques de la SNc
Rponse phasique < 200 ms50-110 msec aprs le SIRponse une rcompense, nouveaut, saillance (loud click, large picture)
= rponse strotype Pas de modulation en fonction de la nature de la rcompense
Schultz et al., 1993
Singe 1 Set 1Singe 1 Set 2
Singe 2 Set 1Singe 2 Set 2
Fiorillo et al., 2003
Striatum et Mmoire des habitudes
RETENTIONDonnes lectrophysiologiques
Rponse en relation avec le stimulus instructeur (SI) PANs1) rponse dpend de la valeur signifiante du SI = rponse
spcifique du contexte => slection dune association apprise entre une information
environnementale et une rponse particulire2) 5 10 % identique quelque soit le contexte => processus attentionnelTANs: pause aprs le SI
Enregistrements lectrophysiologiques PFdl PMd
Striatum
Boussaoud & Kermadi, 1997
0
25
50
75
PFdl Striatum PMd
Boussaoud & Kermadi, 1997
sensoriel sensori-moteur moteur
Le striatum : Rle dans la rtention%
de
neur
ones
Proprits des neurones striataux : rsum
Schutlz et al., 1995
Apprentissage implicite de probabilitsKnowlton et al., 1996
Patients parkinsoniensPatients amnsiquesContrles
Apprentissage implicite de probabilits
Knowlton et al., 1996 Apprentissage explicite
mmoire de reconnaissance
2 doubles dissociations entre les performances mnsiques explicites et implicites entre les patients amnsiques et les patients parkinsoniens
RponseTouner droite ou gauche
StimulusSON
Enregistrements lectrophysiologiques des PANs
Jog et al., 1999
RponseTouner droite ou gauche
StimulusSON
Jog et al., 1999
Apprentissage
Start
goal
turn
RT = temps de ractionTD = dure de lessai% : % rponses correctes
Cartes dactivitation Jog et al., 1999
Rponse conditionneStimulus
click
Jus de fruit
Enregistrements lectrophysiologiques des TANs
Aosaki et al., 1994
Rponse conditionneStimulus
click
Jus de fruit
Aosaki et al., 1994
Graybiel et al., 1994
Synchronization des rponses des TANs au sein du striatum au cours du conditionnement
Importance des inputs dopaminergiques de la SNcMPTP (1-mthyl-4-phnyl-1,2,3,6-ttrahydropyridine)
Kimura & Matsumoto, 1997
Striatum et apprentissage de squences
Miyachi et al., 1997
Lsions rversibles (muscimol) de rgions striatales caud et putamen antrieur (ANT) putamen posterior (PUT) caud posterieur (CD) saline (Cont)
Nouveaux sets Sets Familiers
Nb
der
reur
s
Miyachi et al., 1997
PAN 2PAN 1N
ouve
aux
sets
Sets
Fam
ilier
s
Gradient antro-postrieur
Miyachi et al., 2002
Striatum et tche de Go-noGo
Tremblay et al., 1998; Hollerman et al., 1998, Tremblay et al., 2003
11Raclopride-PET => rcp D2
Koepp et al., 1998
Apprentissage associatif conditionnel
Deux phases:
Action
Lien indirectarbitraire
Stimulus
ApprentissageExcution automatique
Apprentissage associatif conditionnel
Alors
Alors
Rle dun systme associant le cortex frontal et les ganglions de la base
SI
SI
Apprentissage associatif conditionnel
Cortex Prmoteur ?
Striatum ?
Cortex Prfrontal ?
Apprentissage ?et/ou
Rtention ?
Le cortex prfrontal ventrolatral
PFvlApprentissage
Murray & Wise, 1999Toni et al., 2001
Le cortex prmoteur dorsal
PMdApprentissage
Rtention
Halsband & Passingham, 1985Wise et al., 1991
But de ltude
Suivre les modifications de lactivit des neurones du STRIATUM au cours de
lAPPRENTISSAGE de rgles visuo-motricesconditionnelles
Protocole
Instruction
. . . 750 2000 ms
Signal GO
Correcte
Rcompense
Incorrectes
Mthodes
2 conditions
Familire4 associations parfaitement apprises
Nouvelle Apprentissage par essai erreur de 2 4 nouvelles associations
But : Identifier lactivit lie lapprentissage
Elctrophysiologie : Familire
70 % des neurones du striatum lis la tche
Dcharge phasique en relation avec un ou plusieurs vnements de la tche
Stimulus dinstruction (SI)Prparation du mouvementExcution du mouvementRcompense
Activit lie au SI
Fin mouvementSI Go
Nb
de potentiels daction/seconde
1 sec.
Activit mouvement et/ou rcompense
1 sec. Go
Nb
de potentiels daction/seconde
Neurone 1
Neurone 2
Elctrophysiologie : Familire
Dissocier lactivit neuronale en fonction des directions
Rponse des neurones varie en fonction de lassociation excute
Familire : codage slctif
DroiteGaucheHautBas
0
5
10
15
20
25
0 200 400 600-200
Stimulus
800
Act
ivit
(PA
/sec
.)
Temps (ms)
Familire : codage slctif
Act
ivit
(PA
/sec
)
0
10
20
0 200 400 600 800
GO
-200
Temps (ms)
DroiteGaucheHautBas
Conclusions : Familires
Dcharge phasique en relation avec diffrents vnements de la tche
Codage spcifique des associations
Elctrophysiologie : Nouvelles
Modifications de lactivit des neurones du striatumau cours de lapprentissage
Diffrents vnements Stimulus Mouvement Rcompense
Diffrents types de modulation Augmentation Diminution
Exemples Population
Nb
de potentiels daction/seconde
GoSI Fin mouvement
Dcharge phasique pendant lexcution du mouvement Activit stable
: FamilireExemple 1
Exemple 1 : Nouvelle appriseN
bde potentiels
daction/secondeGo
Exemple 1 : Nouvelle appriseGo
Incorrectes
Correctes
Exemple 2 : FamiliresFin mvt
SI GoN
bde potentiels
daction/secondeRcompense
Exemple 2 : Nouvelles
Fin mvtApprise Non apprise
Exemple 2 : Nouvelles
Apprise
0
20
4060
80
100
1 6 11 16 21 26 31 360
5
10
15
Essais
Activit
Performances (%)
Population
Activit des diffrents neurones standardise, moyenne et recale par
rapport aux performances
2 types de modulation
Transitoire Durable
Apprentissage : population 1A
ctiv
itSt
anda
dis
e
0
0,4
0,8
1,2
1 6 11 16 21 26 31 36 410
50
100
Perf
orm
ance
s (%
)
Activit
Performances
Essais
Modulation transitoirePhase prcoce de lapprentissage
Apprentissage : population 2
31
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
1 6 11 16 21 26 31 36 260
50
100
41
Number of blocs of trials
Act
ivit
Stan
dard
ise
Perf
orm
ance
s (%
)
Activit
Performances
Essais
Modulation durableQui sintalle graduellement avec lapprentissage
Population : Familires
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1 4 8 1250
70
90
110A
ctiv
itSt
anda
rdis
e
Perf
orm
ance
s (%
)
Essais
Activit des neurones du striatumstable au cours du temps
Exprience 1 : Conclusions
APPRENTISSAGE Modulation de lactivit des neurones du striatum
Transitoire Durable
RETENTION
Conclusion gnrale
STRIATUMApprentissage
Rtention
Apprentissage : 2 processus
Mmoire de travail
Formation des habitudes
Apprentissage : 2 processus
Mmoire de travail
Systme servant retenir temporairement les informations et les manipuler
ncessaire pour se souvenir des associations testes et de leurs consquences, ainsi que pour dvelopper des stratgies
Formation des habitudes
Apprentissage : 2 processus
Mmoire de travail
Systme servant retenir temporairement les informations et les manipuler
ncessaire pour se souvenir des associations testes et de leurs consquences, ainsi que pour dvelopper des stratgies
Formation des habitudes
Etablissement lent et incrmentiel de liens automatiques entre un stimulus et une rponse
Modle
PMdPFvl
STRIATUM
Formation des habitudes
Mmoirede travail
Apprentissage
PMdPFvl
STRIATUM
Formation des habitudes
Mmoirede travail
Apprentissage Rtention
PMd
STRIATUM
Formation des habitudes
Graybiel & Kimura, 1995
Graybiel & Kimura, 1995
Aosaki et al., 1994
Schultz et al., 1995
Rle des noyaux gris centraux dans lapprentissagePlanNoyaux gris centraux ou Ganglions de la base (GGB)GGB : le striatumGGBGGBCircuits des GGBCircuits des GGBCircuits des GGBCircuits des GGBCircuits des GGBApprentissage associatif conditionnelApprentissage associatif conditionnelApprentissage associatif conditionnelLe cortex prfrontal ventrolatralLe cortex prmoteur dorsalBut de ltudeProtocoleMthodesElctrophysiologie : FamilireActivit lie au SIActivit mouvement et/ou rcompenseElctrophysiologie : FamilireFamilire : codage slctifConclusions : FamiliresElctrophysiologie : NouvellesExemple 1Exemple 1 : Nouvelle appriseExemple 1 : Nouvelle appriseExemple 2 : FamiliresExemple 2 : NouvellesExemple 2 : NouvellesPopulationApprentissage : population 1Apprentissage : population 2Population : Familires
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