Cervelet, navigation et mémoire

Nous étudions les bases neurales de la mémoire spatiale grâce à des tests de navigation. La navigation est la capacité à se localiser dans un environnement et à trouver son chemin vers un but. La mémoire spatiale est une fonction centrale à cette capacité et son altération peut perturber la navigation. C’est par exemple le cas dans certaines pathologies de la mémoire telle que la maladie d'Alzheimer. 

Notre recherche est focalisée sur le rôle du cervelet à différents niveaux de la cognition spatiale: le traitement des informations sensori-motrices et l’influence sur l’activité neuronales de structures impliquées dans la mémoire spatiale et les fonctions exécutives (e.g., hippocampe ou cortex associatifs).

Notre projet comporte deux axes de recherche complémentaires menés à la fois chez l'humain et la souris :

  • Comprendre la dynamique du réseau cérébral impliqué dans la navigation par mesure de l'activité fonctionnelle du cervelet et des régions du cerveau antérieur pendant la navigation (imagerie cérébrale chez l'humain et électrophysiologie in vivo chez des souris obtenues par mutagénèse conditionnelle).
  • Développer des biomarqueurs comportementaux, en environnement réel ou virtuel, qui permettent de caractériser les déficits de cognition spatiale dans différentes pathologies humaines (maladie d’Alzheimer, autisme) et dans des modèles animaux.

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Notre équipe s’intéresse à la manière dont les animaux et les humains parviennent à se construire une représentation cohérente du monde dans lequel ils se déplacent. Nous abordons cette question dans une perspective de cognition spatiale, en étudiant comment les connaissances spatiales sont acquises, organisées (en mémoire) puis utilisées pour réaliser une navigation optimale vers un but. L’interaction avec l’environnement, lors d’une exploration active, est au cœur du processus d’acquisition de ces connaissances. La cognition spatiale requiert ainsi d’intégrer de nombreuses informations sensorimotrices provenant à la fois de l’environnement et des déplacements effectués dans cet environnement. Le traitement multimodal de ces informations repose sur l’interaction fonctionnelle de nombreuses régions cérébrales. Dans cette interaction, la contribution du cervelet, une structure particulièrement importante dans le traitement des informations sensorimotrices, a longtemps été négligée.

L’équipe cherche à élucider comment le cervelet, par sa capacité à intégrer les informations sensorimotrices, peut contribuer à la formation de cette représentation spatiale. Pour cela, nous utilisons une approche translationnelle multi-échelle, en mesurant l’activité de réseaux cérébro-cérébelleux pendant des tâches de navigation réelle ou virtuelle, en IRMf chez l’homme, et en électrophysiologie chez la souris.

Nous développons également des outils comportementaux permettant de caractériser la cognition spatiale non seulement dans des modèles de souris présentant des déficits ciblés de plasticité cérébelleuse mais aussi dans différentes pathologies humaines.

Résultats importants

Cervelet et Mémoire des lieux. Le cervelet est classiquement associé au contrôle et à l’apprentissage moteurs. De plus, son rôle dans la cognition spatiale a longtemps été comparé à celui d’un instrument de contrôle de la sortie motrice. Dans ce contexte, nos résultats révélant qu’une plasticité cérébelleuse fonctionnelle est nécessaire pour l’activité des cellules de lieu de l’hippocampe (Rochefort et al., 2011) et la correction de trajectoire pendant la navigation (Burguiere et al., 2005) ont été une découverte qui a changé la vision sur les interactions entre systèmes moteurs et cognitifs. Nous avons récemment renforcé ces résultats avec une étude montrant qu’une telle interaction entre cervelet et hippocampe existe également chez l’homme et sous-tend la mémoire du chemin (Igloi et al., 2015).

Développement de nouveaux biomarqueurs comportementaux. Laure Rondi-Reig a inventé le Starmaze permettant de tester et d'identifier les stratégies de navigation chez la souris (Rondi-Reig et al., 2006). Ce test de navigation, transformé en jeu vidéo, a ensuite été utilisé pour réaliser un diagnostique différentiel de la maladie d’Alzheimer par rapport à des démences fronto-temporales (Bellassen et al., 2012). Il nous a également permis de caractériser le réseau neuronal sous-tendant la mémoire des lieux et du chemin (Igloi et al., 2010 ; 2015). Nous avons par ailleurs développé des logiciels d’analyse du comportement de navigation associés au(x) Starmaze(s) souris et homme. L’équipe CeZaMe a ainsi développé NAT (Navigation Analysis Tool) (Jarlier et al., 2010) pour la souris et NATh pour l’homme afin d’extraire automatiquement et à l’échelle individuelle, des paramètres de navigation qui peuvent ainsi servir de marqueurs cognitifs. Ces différents logiciels sont déposés à l’Agence de protection des Programme” (APP) (NAT : n° IDDN.FR.001340015.000.S.P.2015.000.20700 - SATT Lutech).

Projets

Afin de caractériser la fonction du cervelet dans la navigation, notre équipe cherche à comprendre son rôle à différents niveaux de la cognition spatiale telle que l’intégration sensorielle, la construction d'une représentation spatiale et l’interaction avec l’environnement au cours des déplacements. Pour cela, nous développons en parallèle chez l’Homme et l’animal des outils comportementaux qui permettent de caractériser les performances de cognition spatiale dans des environnements réels et virtuels. 

Nous cherchons à identifier la dynamique des réseaux cérébraux impliqués lors de ces tâches en mesurant de l'activité du cervelet et des régions du cerveau antérieur (IRMf chez l'humain et électrophysiologie in vivo chez des souris obtenues par mutagénèse conditionnelle). Pour mettre en évidence la contribution déterminante des mécanismes synaptiques du cervelet dans la cognition spatiale, notre projet s’appuie sur une approche multi-échelle allant de la perturbation d’expression génique à l’étude de la dynamique de réseaux. 

Cette approche intégrative et translationnelle nous permet de proposer de nouveaux outils pour analyser les déficits de la représentation spatiale dans différentes pathologies (maladie d’Alzheimer, autisme) et à plus long-terme aidera à la conception de thérapies cognitives novatrices pour les troubles neurologiques ou psychiatriques.

Collaborations

Collaborations locales

  • The team is part of the Laboratory of excellence BioPsy (director: JA Girault). L. Rondi-Reig is member of the steering committee of the Labex.
  • The team is part of Neuroscience School of Paris (ENP-director: P. Gaspar) which aims at strengthening the synergy, competitiveness and visibility of the Île-de-France laboratories in Neuroscience.

Collaborations nationales

  • Institut des Systèmes intelligents et Robotiques (ISIR) (Paris)
  • Collège de Fance
  • ENS-Biology Department (Paris)
  • Pasteur Institute
  • Université Aix-Marseille (Marseille)
  • Sanofi-Aventis
  • Centres experts et Services cliniques (Robert Debré; Fernand Widal)

Collaborations internationales

  • CI De Zeeuw: Erasmus University (Netherland)
  • F. Battaglia: SILS Center (Netherland)
  • N. Burgess: UCL (London)

Développement informatique

Développements : Starmaze© et logiciels d’analyse de la navigation

  • Sedes G., Greiner A., Rondi-Reig L., Paradis A.L., Navigation Analysis Tool for humans (NATh), IDDN.FR.001.160024.000.S.P.2017.000.10000, 2017
  • Rondi-Reig L. and Paradis A.L., Virtual Starmaze, IDDN.FR.001.340006.000.S.P. 2016.000.10000, 20 juillet 2016
  • Jarlier F., Arleo A., Rondi-Reig L. Navigation Analysis Tool (NAT). IDDN.FR.001.340015.000.S.P. 2015.000.20700, 17 juillet 2015

StarMaze

Le StarMaze : Outil générique d'évaluation de la mémoire