Assemblées de neurones : recrutement de réseaux hétérogènes et mécanismes de lecture

How do billions of neurons cooperate to process information and mediate cognitive function such as learning, planning or memory? An influential hypothesis is that groups of neurons can synchronize within brief time windows to represent a cognitive entity or a concept (e.g. an apple, a sonata, the thought of my grand-mother; Hebb 1949). These groups, called `cell assemblies’ are thought to be the functional units of the brain. Recent advances in large-scale neuronal recordings enabled to investigate such synchronous activity within single areas of the brain. Yet, the functional relevance of these ensembles remains largely unexplored, especially in higher order brain areas. To address this question, we designed two research projects based on extracellular recordings in rats. First, we demonstrated and characterized synchronous activity spanning different parts of the prefrontal cortex and the striatum, constituting the cortico-basal ganglia loop. These distributed cell assemblies exhibited behaviorally correlated activation during a set-shifting task, and synchrony emerged when assembly members shifted their phase relative to ongoing brain rhythms. We propose that cross-structural assemblies are likely to be a general mechanism that can span across multiple brain areas and networks, therefore underlying highly integrated representations. Second, we analyzed the neural activity from hundreds of single units in the prefrontal-amygdalar networks during sleep to investigate the functional relevance of cell assemblies from the perspective of a downstream neuron. Our results suggest that the synchronous activity of cell assemblies facilitate and amplify the discharge of downstream neurons, termed ‘readers’ of the assembly. Interestingly, we showed that the assembly-reader communication changes with learning.Par quels moyens des milliards de neurones coopèrent et communiquent afin de sous-tendre des fonctions cognitives telles que la planification, l’apprentissage ou bien la mémoire ? Selon l’hypothèse influente de Donald O. Hebb (1949), de petits groupes de neurones se synchroniseraient, sur une courte échelle de temps, afin de représenter une entité ou bien un concept (par exemple, une pomme, une sonate ou bien le souvenir de notre grand-mère). Ces groupes de neurones, « des assemblées cellulaires», constitueraient ainsi les unités fonctionnelles du cerveau. De récents progrès techniques et expérimentaux ont permis de mettre en lumière l’existence de telles assemblées au sein de certaines régions du cerveau. Pourtant, le rôle et la pertinence fonctionnelle de ces ensembles restent largement inexplorés, en particulier dans les aires cérébrales qui sous-tendent des fonctions cognitives complexes. Pour étudier cette problématique, nous avons conçu deux projets de recherche à partir d’enregistrements éléctrophysiologiques extracellulaires chez le rat. Premièrement, nous avons démontré et caractérisé des assemblées cellulaires incluant des neurones de différentes parties du cortex préfrontal et du striatum. Le mécanisme de formation de telles assemblées implique un changement de phase de leurs membres, par rapport aux rythmes cérébraux du cortex préfrontal. Lors d’une tâche de flexibilité cognitive, ces assemblées cellulaires distribuées s’activent sélectivement selon le comportement de l’animal (par exemple, lors de la prise de décision). Pour conclure, il est très probable que de telles assemblées distribuées reflètent un mécanisme général par lequel des neurones issus de différentes régions et réseaux du cerveau se synchronisent, pour sous-tendre des représentations intégrant de multiples informations. Dans un second temps, nous avons analysé l'activité de centaines de neurones dans le réseau cortico-amygdalien, enregistrés lors du sommeil, afin d’étudier la pertinence fonctionnelle des assemblées cellulaires du point de vue d'un neurone post-synaptique. Nos résultats suggèrent que l'activité synchrone des assemblées cellulaires facilite et amplifie la décharge de neurones post-synaptiques, appelés «lecteurs» de l’assemblée. Enfin, nous avons montré que la communication entre une assemblée et son ou ses lecteurs change avec l’apprentissage