Conditionnement des paupières - Eyeblink conditioning
Le conditionnement des paupières ( EBC ) est une forme de conditionnement classique qui a été largement utilisée pour étudier les structures et mécanismes neuronaux qui sous-tendent l' apprentissage et la mémoire . La procédure est relativement simple et consiste généralement à associer un stimulus auditif ou visuel (le stimulus conditionné (CS)) à un clignement des yeux provoquant un stimulus inconditionnel (US) (par exemple, une légère bouffée d'air sur la cornée ou un choc léger). Les organismes naïfs produisent initialement une réponse réflexive inconditionnée (UR) (par exemple clignement ou extension de la membrane nictitante) qui suit l'apparition de l'échographie. Après de nombreux appariements CS-US, une association est formée de telle sorte qu'un clignement appris, ou réponse conditionnée (CR), se produit et précède l'apparition de l'US. L'ampleur de l' apprentissage est généralement mesurée par le pourcentage de tous les essais CS-US appariés qui aboutissent à une RC. Dans des conditions optimales, des animaux bien entraînés produisent un pourcentage élevé de RC (> 90 %). Les conditions nécessaires et les mécanismes physiologiques qui régissent l'apprentissage de la CR des clignements des yeux ont été étudiés chez de nombreuses espèces de mammifères , notamment des souris, des rats, des cobayes, des lapins, des furets, des chats et des humains. Historiquement, les lapins ont été les sujets de recherche les plus populaires.
Contingence CS-US
L'ordre dans lequel les stimuli sont présentés est un facteur important dans toutes les formes de conditionnement classique . Le conditionnement direct décrit un format de présentation dans lequel le CS précède les États-Unis dans le temps. C'est-à-dire que, du point de vue du sujet de recherche, l'expérience des États-Unis dépend du fait d'avoir simplement expérimenté le CS. L'EBC est généralement, mais pas toujours, menée de cette manière. D'autres contingences de stimulus incluent le conditionnement en arrière , dans lequel US vient avant CS, et le conditionnement simultané , dans lequel CS et US sont présentés en même temps. Dans tous les cas, le temps entre le début du CS et le début de l'US est l' intervalle interstimulus (ISI). Les animaux sont généralement entraînés avec un ISI plus court que les humains, ce qui peut rendre les comparaisons interspécifiques difficiles.
Les procédures de retard et de traçage
Dans le retard EBC, l'apparition de CS précède l'apparition des États-Unis et les deux stimuli se chevauchent et se terminent, les stimuli convergeant dans le cortex cérébelleux et le noyau interpositus. Dans le tracé EBC, le CS précède l'US et il y a une période sans stimulus (intervalle de trace) entre le décalage du CS et le début de l'US. Alors que ces deux procédures nécessitent le cervelet , la procédure de traçage nécessite également l' hippocampe et le cortex préfrontal médial.
Circuits neuronaux
Le réflexe de clignement
Lorsqu'une échographie est délivrée à la cornée de l'œil, les informations sensorielles sont transmises au noyau du trijumeau et relayées à la fois directement et indirectement (via la formation réticulaire ) aux noyaux abducens accessoires et moteurs abducens (voir Noyau du nerf crânien ). La sortie de ces noyaux contrôle divers muscles oculaires qui travaillent en synergie pour produire une réponse de clignement inconditionnelle à la stimulation cornéenne (revue, Christian & Thompson, 2003). L' activité de l' électromyogramme (EMG) du muscle orbiculaire des paupières, qui contrôle la fermeture des paupières, est considérée comme la composante la plus importante et la plus sensible du clignement (Lavond et al., 1990) et est donc la variable dépendante comportementale la plus courante chez études d'EBC.
La voie américaine
Le noyau du trijumeau envoie également des projections efférentes à l' olive inférieure (IO), ce qui représente la voie américaine pour EBC. La région critique de l'IO pour le conditionnement du clignement des yeux est l'olive dorsale accessoire (Brodal, 1981), et les fibres grimpantes (CF) de cette région envoient des informations sur les États-Unis au cervelet (Brodal, Walberg & Hoddevik, 1975; Thompson, 1989) . Les fibres grimpantes se projettent finalement à la fois vers les noyaux cérébelleux profonds et les cellules de Purkinje (PC) dans le cortex cérébelleux .
Le parcours CS
Les noyaux pontiques (PN) peuvent prendre en charge différentes modalités de CS (ton auditif, lumière, etc.) Pandia, 1989; 1991; 1993). Lorsque le CS est un son, l'information auditive est reçue via les noyaux cochléaires (Steinmetz & Sengelaub, 1992). La donnent lieu PN à fibre moussue (MF) axones qui transportent des informations liées CS-(Steinmetz et al, 1987;. Lewis et al, 1987;.. Thompson et al, 1997) au cervelet par le pédoncule cérébelleux moyen , et se terminent à la fois dans les noyaux cérébelleux et au niveau des cellules granulaires (GR) du cortex cérébelleux (Steinmetz & Sengelaub, 1992). Les cellules granulaires donnent naissance à des axones à fibres parallèles (PF) qui se synapsent sur les PC.
Convergence CS-US dans le cervelet
Deux sites cérébelleux de convergence CS-US sont 1) les cellules de la région nucléaire profonde du cervelet et 2) les CP du cortex. En plus de recevoir des entrées convergentes CS et US via les PN et IO, respectivement, les cellules des noyaux cérébelleux reçoivent des entrées inhibitrices GABA- ergiques des PC du cortex cérébelleux. La sortie du noyau interpositif comprend des projections vers le noyau rouge , et le noyau rouge envoie des projections vers les noyaux facial et abducens. Ces noyaux alimentent la composante de sortie motrice du clignement réflexif. Par conséquent, en plus d'être un site de convergence des stimuli, les noyaux profonds sont également la structure de sortie du cervelet.
Rôle critique du noyau interposé
Le professeur Richard F. Thompson et ses collègues ont initialement identifié le cervelet comme la structure essentielle pour l'apprentissage et l'exécution des CR de clignement des yeux. Certains scientifiques pensent que le noyau interposé est le site critique pour l'apprentissage, la conservation et l'exécution de la réponse de conditionnement du clignement.
Études des lésions
La première preuve du rôle du cervelet dans l'EBC est venue de McCormick et al. (1981). Ils ont découvert qu'une lésion cérébelleuse unilatérale qui comprenait à la fois le cortex et les noyaux profonds abolissait définitivement les RC. Dans des études ultérieures, il a été déterminé que les lésions de l'interpositus latéral et des noyaux dentés médians étaient suffisantes pour empêcher l'acquisition de RC chez les animaux naïfs (Lincoln et al., 1982) et ont aboli les RC chez les animaux bien entraînés (McCormick & Thompson, 1984) . Enfin, l'utilisation de lésions d' acide kaïnique , qui détruisent les corps cellulaires neuronaux et épargnent les fibres passantes, a fourni la preuve d'une région très localisée de cellules nucléaires cérébelleuses essentielles à l'apprentissage et à l'exécution des RC (Lavond et al., 1985). La population de cellules critiques pour EBC semble être limitée à une zone d'environ 1 mm3 d'INP dorsolatéral antérieur ipsilatéral à l'œil conditionné. Les lésions de cette zone de l'INP entraînent une incapacité à acquérir des CR de clignement des yeux chez les animaux naïfs. De plus, la permanence de l'effet lésionnel localisé est remarquable. Chez les animaux bien entraînés, les RC abolies à la suite d'une lésion ne sont pas réacquises, même après un entraînement intensif qui s'étend sur 8 mois (Steinmetz et al., 1992). Ces résultats démontrent qu'une région très localisée du cervelet doit être intacte pour que l'apprentissage de la RC se produise dans l'EBC.
Études d'inactivation réversible
L'inactivation réversible de l'INP a fourni une preuve supplémentaire de son rôle dans la CE. Les méthodes utilisées pour inactiver temporairement le tissu nerveux comprennent l'utilisation d'une sonde de refroidissement (< 10 °C) et la perfusion locale de Muscimol ou de Lidocaïne . Ces méthodes sont avantageuses principalement parce que l'expérimentateur peut essentiellement activer et désactiver le tissu neutre, en soi . L'effet de chacun de ces protocoles d'inactivation sur l'apprentissage et l'exécution de la RC a été testé dans tout le cervelet et les structures associées du tronc cérébral. Lorsqu'elle est appliquée à l'INP, l'inactivation temporaire empêche complètement l'apprentissage des CR chez les animaux naïfs, et l'apprentissage se produit normalement pendant la formation post-inactivation (Clark et al., 1992 ; Krupa et al., 1993 ; Nordholm et al., 1993 ; Krupa & al. Thompson, 1997). De plus, l'inactivation de l'INP chez les animaux bien entraînés entraîne une dépression complète de la réponse conditionnée, qui revient à des niveaux de plateau lorsque l'INP revient en ligne (Clark et al., 1992).
Études d'enregistrement neuronal
Des enregistrements de l'activité neuronale à unités multiples de l'INP de lapin pendant le conditionnement du clignement des yeux ont été possibles avec des implants d'électrodes chroniques et ont révélé une population de cellules qui se déchargent avant l'initiation du clignement oculaire appris et se déclenchent selon un schéma de fréquence de réponse accrue qui prédit et modélisé la forme temporelle du CR comportemental (McCormick et al., 1981; 1982; 1983; Thompson, 1983; 1986; Foy et al., 1984; McCormick & Thompson, 1984a; b; Berthier & Moore, 1990; Gould & Thompson, 1984a; b; Berthier & Moore, 1990; Steinmetz, 1996). Des résultats similaires ont été trouvés chez le rat INP (Freeman & Nicholson, 2000; Stanton & Freemen, 2000; Rogers et al., 2001), démontrant ainsi que les circuits sous-jacents pour cette forme d'apprentissage peuvent être conservés à travers les espèces. Bien que des échantillons d'activité unitaire de l'INP et des noyaux environnants aient révélé une multitude de modèles de réponse au cours de l'EBC (Tracy, 1995), de nombreuses cellules de l'INP dorsolatéral antérieur augmentent considérablement leur taux de décharge dans un modèle temporel précis qui est retardé du début de la CS et précède le début de la CR (Foy et al., 1984; Berthier & Moore, 1990). Ce modèle de réponse indique une structure capable de coder l'apprentissage et/ou d'exécuter des réponses comportementales apprises.
Sites critiques pour l'apprentissage en aval
Des sites alternatifs de plasticité synaptique critique pour EBC ont été postulés pour exister en aval du cervelet. Certains loci proposés incluent le noyau rouge (Tsukahara, Oda et Notsu, 1981), le noyau trijumeau et les structures associées (Desmond & Moore, 1983) ou le noyau moteur facial (Woody et al., 1974). Toutes ces structures ont été exclues en tant que sites potentiels de plasticité critiques pour l'apprentissage du clignement des yeux (Krupa, Thompson et Thompson, 1993 ; Clark et Lavond, 1996 ; Krupa, Weng et Thompson, 1996).
Sommaire
Pris ensemble, les résultats des études sur les lésions, l'inactivation et l'enregistrement neuronal semblent démontrer que la partie dorsolatérale du noyau interpositif antérieur (INP) du cervelet, ipsilatéral à l'œil entraîné, est un site essentiel pour l'acquisition et l'expression de la CR dans l'EBC ( Lincoln et al., 1982; Lavond et al., 1984a,b). Cependant, des études récentes (Nilaweera et al., 2006) ont montré qu'un blocage temporaire de la production cérébelleuse empêchait l'acquisition normale de réponses conditionnées. Les auteurs ont conclu que cette forme d'apprentissage associatif dans le système du clignement des yeux du lapin nécessite un apprentissage extra-cérébelleux et/ou un apprentissage cérébelleux qui dépend du fonctionnement des boucles de rétroaction cérébelleuses.
Rôle du cortex cérébelleux
Deux zones du cortex connues pour être impliquées dans le conditionnement du clignement des yeux sont le lobule HVI (Lavond et al., 1987; Lavond et Steinmetz, 1989; Yeo et Hardiman, 1992) et le lobe antérieur ((ANT) Garcia, Steele et Mauk , 1999). L'importance du cortex cérébelleux dans l'EBC, par rapport à l'INP, est un sujet de débat dans la communauté scientifique.
Études des lésions
Plusieurs études ont tenté d'évaluer le rôle du cortex cérébelleux dans l'apprentissage du clignement des yeux, et les premières études se sont concentrées sur les grandes lésions d'aspiration du cortex cérébelleux. Lavond et Steinmetz (1989) ont complètement éliminé les lobules HVI/HVIIa et des portions significatives d'ANT, épargnant l'INP, et ont trouvé des déficits d'acquisition significatifs. Par rapport aux témoins, les animaux lésés ont mis sept fois plus de temps pour atteindre le critère d'apprentissage. Des pourcentages significatifs de RC ont finalement été atteints par les animaux atteints de lésions corticales, mais les RC étaient de faible amplitude et mal synchronisés. Enfin, les grandes lésions du cortex cérébelleux après apprentissage n'abolissent pas les RC apprises (Lavond et al., 1987). Un facteur commun à toutes ces études d'ablation corticale était que des portions de cortex étaient épargnées ; permettant de supposer que d'autres zones du cortex compensaient la perte de tissu.
La souris pcd
Le conditionnement classique d'une souche de souris mutante déficiente en cellules de Purkinje a permis de déterminer dans quelle mesure les régions épargnées du cortex cérébelleux compensaient les régions lésées dans les études mentionnées ci-dessus. Ces souris naissent avec des PC qui meurent après environ 3 semaines de vie. Parce que les PC sont le seul neurone de sortie du cortex, ce modèle endommage efficacement tout le cortex cérébelleux. Les résultats du conditionnement étaient similaires à ceux des souris à aspiration corticale. Les souris ont mis beaucoup plus de temps à produire des CR, et le timing et le gain de la réponse ont été déformés (Chen et al., 1996). Par conséquent, bien que les déficits d'apprentissage de la CR par clignement des yeux soient associés à des lésions du cortex cérébelleux, la structure ne semble pas, en fin de compte, être essentielle pour l'apprentissage ou la rétention de la CR.
Études d'inactivation réversible
Les résultats des études d'inactivation corticale cérébelleuse sont similaires à ceux rapportés pour les études sur les lésions. Par exemple, Krupa (1993) a inactivé le lobule HVI avec l' agoniste du récepteur GABA A Muscimol et a trouvé des déficits d'acquisition significatifs, mais les animaux ont finalement appris. Clark et al. (1997) ont reproduit ces résultats avec une sonde de refroidissement dans HVI. Attwell, Rahman et Yeo (2001) ont découvert une perturbation similaire avec l'inactivation du HVI. Ils ont infusé l'antagoniste des récepteurs AMPA CNQX dans HVI au cours de la formation à l'acquisition et ont découvert que les lapins infusés par CNQX n'apprenaient pas le CR du clignement des yeux. Cependant, les perfusions de CNQX post-acquisition n'ont pas affecté la rétention. Ces résultats sont déroutants, étant donné que les animaux ont finalement appris la CR du clignement des yeux dans toutes les autres études sur les lésions corticales cérébelleuses et l'inactivation. L'une des raisons pour lesquelles cet effet est si fort peut être qu'Attwell et al., (2001) ont entraîné des animaux pendant seulement 4 jours à un ISI qui est en dehors d'une plage connue pour être optimale pour l'apprentissage [150-300 ms est un CS- optimal. L'intervalle US et l'ampleur de l'apprentissage diminuent à mesure que l'ISI augmente (Schneiderman et Gormezano, 1964 ; Smith, Coleman et Gormezano, 1969)].
Études d'enregistrement neuronal
Des études d'enregistrement électrophysiologique du cortex cérébelleux ont permis de mieux comprendre le rôle que jouent les PC dans le processus d'apprentissage de la CR des clignements des yeux. McCormick et Thompson (1984b) ont enregistré l'activité du PC pendant l'entraînement au clignement des yeux et ont trouvé des populations de cellules qui se déchargeaient selon un schéma apparemment lié au CR comportemental, tandis que d'autres populations de PC se déchargeaient selon des schémas qui coïncidaient avec la présentation du CS ou de l'US. Des résultats similaires ont été trouvés par Berthier et Moore (1986) avec l'enregistrement d'une seule unité de CP dans le lobule HVI. Ils ont découvert que les populations de neurones se déclenchent en relation avec divers aspects de l'entraînement au clignement des yeux, y compris la présentation CS et US et l'exécution CR. (Berthier et Moore, 1986; Gould et Steinmetz, 1996). Récemment, une activité PC similaire liée au stimulus et à la réponse a été trouvée dans l'ANT (Green et Steinmetz, 2005). Enfin, les enregistrements électrophysiologiques des PC dans HVI et ANT ont révélé une différence dans les réponses globales de la population des PC. La majorité des CP présentent des schémas d'activité excitateurs pendant le conditionnement du clignement des yeux dans l'IVH (Berthier et Moore, 1986 ; Gould et Steinmetz, 1996 ; Katz et Steinmetz, 1997) et des schémas d'activité inhibiteurs dans l'ANT (Green et Steinmetz, 2005).
Dans une étude d'enregistrement d'une seule unité où les cellules de Purkinje individuelles se sont avérées situées dans la zone contrôlant les clignements et recevaient des fibres grimpantes lors des présentations américaines, seules des réponses inhibitrices ont été trouvées. Dans une étude récente de cellules de Purkinje caractérisées de manière similaire qui ont été suivies pendant plus de quinze heures, il a été constaté que des présentations répétées de la CS et de l'US provoquaient le développement progressif d'une pause dans la décharge des cellules de Purkinje. Cette réponse de pause, appelée CR cellulaire de Purkinje, a également été obtenue lorsque la stimulation directe des fibres moussues était utilisée comme CS et la stimulation directe des fibres grimpantes aux États-Unis. Les présentations non appariées du CS et des États-Unis ont provoqué l'extinction de la cellule de Purkinje CR. Lorsque les présentations appariées ont été réintroduites après l'extinction, les CR des cellules de Purkinje sont réapparues rapidement, reflétant le phénomène d'« économie » démontré au niveau comportemental. Les CR des cellules de Purkinje ont également été chronométrés de manière adaptative.
Contrôle par rétroaction de l'apprentissage
Il a été démontré que les noyaux cérébelleux profonds inhibent l'olive inférieure et cette inhibition sert probablement une fonction de rétrocontrôle négatif. Au fur et à mesure que l'apprentissage progresse, l'olive devient inhibée et il a été démontré que cette inhibition a des propriétés temporelles qui la rendent parfaitement adaptée pour servir de signal de rétroaction pour contrôler l'apprentissage. La stimulation de cette voie lors de présentations CS-US appariés provoque l'extinction. Les enregistrements des cellules de Purkinje montrent que l'olive est déprimée pendant la CR des cellules de Purkinje.
Sommaire
Pris ensemble, les résultats des études sur les lésions, l'inactivation et l'enregistrement neuronal semblent démontrer que le cortex cérébelleux n'est pas essentiel à l'apprentissage ou à la rétention de base de la CR, mais que des contributions importantes du cortex sous-tendent l'apprentissage normal.
Mécanismes synaptiques sous-jacents à EBC
La fibre parallèle – Synapse cellulaire de Purkinje
La dépression à long terme (LTD) au niveau de la synapse PF-PC est supposée avoir des conséquences fonctionnelles importantes pour l'apprentissage de la CR comportementale dans l'EBC (Ito, 1984). Par exemple, à la suite de l'entraînement, les cellules INP se déchargent avant l'exécution du CR et se déclenchent selon un schéma de fréquence de réponse accrue qui prédit la forme temporelle du CR comportemental (McCormick & Thompson, 1984). Ce modèle d'activité indique clairement que l'INP est capable de générer une réponse conditionnée. Les cellules de Purkinje du cortex cérébelleux inhibent toniquement les cellules nucléaires profondes. Par conséquent, une diminution de l'activité PC induite par LTD au moment approprié pendant un intervalle CS-US pourrait libérer l'INP de l'inhibition tonique et permettre l'exécution d'un CR. Une augmentation de l'activité du PC pourrait avoir l'effet inverse, interdisant ou limitant l'exécution de CR. Il a été émis l'hypothèse que les CR sont générés par l'INP à la suite de la libération de l'inhibition de PC (c'est-à-dire Perrett et al., 1993).