ganglions base

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


PAN 2PAN 1N

ouve

aux

sets

Sets

Fam

ilier

s

Gradient antro-postrieur


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


Alors

Alors

Rle dun systme associant le cortex frontal et les ganglions de la base

SI

SI


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


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


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


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



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


Etablissement lent et incrmentiel de liens automatiques entre un stimulus et une rponse

Modle

PMdPFvl

STRIATUM


Mmoirede travail

Apprentissage

PMdPFvl

STRIATUM


Mmoirede travail

Apprentissage Rtention

PMd

STRIATUM


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

ganglions base

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