L’hippocampe est une région importante dans les circuits neuronaux liés à la mémoire et la navigation spatiale. Lors de l’encodage de nouvelles informations (comportements exploratoires, dirigés vers un but) mais aussi lors de leur consolidation en une nouvelle mémoire (durant la veille et le sommeil), les cellules hippocampiques s’organisent en des réseaux, dits aussi assemblées neuronales, pouvant être ainsi identifiés par des séquences d’activation spécifiques. L’objectif de mon laboratoire est de définir le rôle exact que joue l’hippocampe mais aussi d’autre structures clés impliquées tel que le septum médian, qui par ses projections axonales massives sur l’hippocampe, module les performances d’apprentissages et de rappel.  Les travaux menés au sein du laboratoire visent à étudier l’activité de ces régions du cerveau, chez des animaux éveillés, libres de leurs mouvements, ainsi que durant le sommeil paradoxal ou « REM sleep ». Ce dernier étant impliqué dans la consolidation des informations en mémoires (Boyce et al., 2016). L’objectif global du laboratoire est de comprendre les mécanismes neuronaux sous-jacent au fonctionnement physiologique et pathologique du cerveaux, tel que visualisé chez les patients souffrant de la maladie d’Alzheimer.

En utilisant une combinaison de techniques sophistiquées, il est maintenant possible pour nous de visualiser en direct ces populations cellulaires en action et de déterminer les états du cerveau lors de tâches de mémoire réalisées par des animaux libres de leurs mouvements. Dans nos expériences, nous utilisons une combinaison de techniques allant de l’imagerie calcique avec la technologie des microscopes miniaturisés épifluorescent (aussi nommé UCLA miniscope), des enregistrements électrophysiologiques à la manipulation des circuits neuronaux ou de l’activité d’une population cellulaire donnée avec l’optogénétique.

Nos objectifs sont les suivant :

Comment les assemblées cellulaires codent-elles pour l’encodage et le rappel de la mémoire?

Si le rôle de l’hippocampe pour les processus mnésiques est aujourd’hui bien accepté, peu de chose sont encore connues quant aux propriétés spatio-temporelles de l’activité des régions et sous-régions hippocampiques engagées lors de l’encodage et du rappel. La dynamique des circuits neuronaux de CA1 ainsi que ceux constituant le subiculum se dissociant de celle des autres aires hippocampiques, nous portons particulièrement attention à ces deux régions au sein de nos recherches.

Quels sont les mécanismes neuronaux liés au processus de consolidation durant le sommeil ?

Le sommeil est un état décisif pour la consolidation des informations nouvellement acquises. Dans notre dernière étude publiée en 2016 (Boyce et al., 2016; Science), nous avons démontré toute l’importance de l’activité des neurones GABAergiques du septum qui projettent vers l’hippocampe, lors de cet état pour une consolidation opérante des informations en mémoire. Cependant, il existe au moins deux états différents caractéristiques du sommeil : le sommeil lent ou « slow-wave sleep » et le sommeil paradoxale « rapid-eye movement (REM) sleep ». Notre objectif est de déterminer comment ces deux états de sommeil contribuent au processus de consolidation de la mémoire.

Comment le septum intervient-il dans la mémorisation?

Le septum se divise en deux aires distinctes :  une partie médiale et latérale. Le septum médian fourni des entrées puissantes à la fois à l’hippocampe et au cortex entorhinal régulant ainsi les oscillations des assemblées neuronales. En retour, l’hippocampe projet massivement sur le septum latéral formant ainsi un circuit important pour l’association des indices environnementaux à une récompense, motivant ainsi l’ajustement des comportement dirigés vers un but sous-jacent à la formation d’une mémoire. Nos recherches visent à élucider la fonction des différents types cellulaires composant ces deux aires septales pour l’encodage et le rappel d’une mémoire.

Développement des nouvelles méthodes pour la visualisation et la manipulation des assemblées cellulaires liées à la mémoire.

Avec les développent techniques récentes d’imagerie des neurones et de la manipulation de leur activité durant le comportement, le monde des neurosciences connait une révolution.  Mon laboratoire a investi beaucoup d’effort dans le développement et l’équipement des techniques dernier cri et appareils les plus modernes : in vivo optogénétique, chimiogénétique, électrophysiologie, et plus récemment, l’imagerie calcique en utilisant les microscopes miniatures permettant ainsi de visualiser en temps réels l’activité de centaines de neurones chez l’animal libre de ses mouvements.

Comment les circuits neuronaux sont-ils altérés lors de la maladie d’Alzheimer ? Développement de nouvelles approches thérapeutiques pour inverser/prévenir les déficits de mémoire liés à cette pathologie du vieillissement.

Bien que certains mécanismes clés responsables de la dégénération des neurones liée à la maladie d’Alzheimer soient connus, la question de comment la dynamique des assemblées cellulaires se voit progressivement altérée lors du décours de la maladie reste d’actualité. Notre objectif est d’améliorer les performances mnésiques d’animaux modélisant cette neuropathologie du vieillissement en rétablissant le fonctionnement physiologique de la dynamique des assemblées cellulaires perturbées par la maladie grâce à une approche thérapeutique d’optogénétique.

Site web du labo Williams