Soutenance de thèse de AMROUNE Kenza
Titre de thèse
Connectivité Fonctionnelle des Projections Corticostriatales Somatosensorielles et Plasticité Induite par l'Apprentissage
Functional Connectivity of Somatosensory Corticostriatal Projections and Learning-Induced Plasticity
Résumé de la thèse
Les animaux utilisent les informations sensorielles de leur environnement pour guider leur comportement et prendre des décisions adaptatives. Chez les rongeurs, le système vibrissal fournit des informations tactiles essentielles pour la navigation. Ces signaux sont traités dans le cortex des vibrisses, au sein du cortex somatosensoriel primaire, puis transmis aux centres de décision comme les ganglions de la base (GB). Le striatum dorsolatéral (DLS), une région clé des GB, reçoit des afférences glutamatergiques denses du cortex via les projections corticostriatales (CS) et joue un rôle crucial dans le contrôle moteur et la sélection des actions. Le DLS est principalement composé de deux populations de neurones de projection striataux (SPNs), formant les voies directe (D1 SPNs) et indirecte (D2 SPNs). L'activation de ces voies a des effets opposés sur le mouvement : les D1 SPNs facilitent le comportement tandis que les D2 SPNs le suppriment. Ainsi, les projections sensorielles CS sur les D1/D2 SPNs déterminent les sorties des GB. Le grand nombre de neurones corticaux par rapport à leurs cibles striatales suggère un traitement convergent des informations corticales. Cependant, les réponses des neurones du DLS aux stimuli sensoriels montrent une sélectivité inattendue, soulevant des questions sur la convergence fonctionnelle des entrées CS.
Cette thèse explore l'organisation des projections CS sensorielles vers les D1/D2 SPNs et comment cette organisation est modulée par le comportement. Nous avons utilisé des enregistrements ex vivo en patch-clamp dans le DLS et le dégagement de glutamate avec photostimulation laser dans le cortex des vibrisses pour cartographier les connexions aux SPNs chez des animaux naïfs et ceux entraînés à une tâche de recherche guidée par les vibrisses.
1) Chez les animaux naïfs, nous avons observé une faible convergence des entrées CS : les SPNs recevaient des projections d'un petit nombre de colonnes corticales du cortex à barils, et les SPNs voisins partageaient peu d'entrées communes. Malgré cette innervation clairsemée, la projection restait topographiquement organisée. Les D1 et D2 SPNs ne montraient pas de différences de schémas de connectivité. Nos résultats suggèrent une faible connectivité entre le cortex sensoriel et les neurones du DLS, permettant peut-être un ajustement fin de la connectivité selon les comportements sensorimoteurs.
2) Comme l'activation des D1 et D2 SPNs module le mouvement dans des directions opposées, il est supposé que des actions plus rapides et stéréotypées résulteraient d'une connectivité renforcée des D1 SPNs et diminués des D2 SPNs. Pour tester cela, nous avons entraîné des souris à courir le long des murs de tours carrées dans l'obscurité et à effectuer des virages de 90° pour obtenir des récompenses, tirant profit de l'observation que l'activation unilatérale des D1 et D2 SPNs induit des rotations opposées (respectivement controlatéraux et ipsilatéraux). À notre surprise, la comparaison entre animaux naïfs et entraînés n'a montré aucun changement significatif du nombre ou de la force des connexions vers les D1 ou D2 SPNs. Cependant, des changements plastiques ont été observés dans l'hémisphère ipsilatéral, non sollicité pendant la tâche. Le nombre de colonnes corticales innervant les SPNs ipsilatéraux a augmenté, ainsi que la force synaptique globale. En outre, l'excitabilité des neurones pyramidaux du S1 controlatéral a augmenté par rapport aux animaux naïfs et à l'hémisphère ipsilatéral. Ces résultats montrent une asymétrie dans la réorganisation des circuits CS après l'apprentissage d'une tâche latéralisée. Nous supposons que le déséquilibre de l'excitation corticale provoque une réorganisation des projections CS pour maintenir des niveaux d'entrée similaires vers les SPNs dans les deux hémisphères.
Thesis resume
Animals rely on sensory input from their environment to guide their behavior and make adaptive decisions. In rodents, the whisker system provides tactile information crucial for navigation. These sensory signals are processed in the barrel cortex (S1), part of the primary somatosensory cortex, and relayed to decision-making centers like the basal ganglia (BG). The dorsolateral striatum (DLS) is a key region within the BG that receives dense glutamatergic inputs from the cortex via corticostriatal (CS) projections and plays a critical role in motor control and action selection. The DLS is mainly composed of two populations of striatal projection neurons (SPNs), forming the direct (D1 SPNs) and indirect (D2 SPNs) BG pathways. Activation of these pathways has opponent effects on movement, with D1 SPNs facilitating behavior and D2 SPNs suppressing it. Thus, the sensory CS projection onto D1/D2 SPNs is one important determinant of striatal activity. The much larger number of cortical neurons compared to their fewer striatal targets suggests highly convergent processing of cortically-derived information within sensory modalities. However, DLS neuronal responses to sensory stimuli exhibit unexpected selectivity, raising questions about the functional convergence of CS inputs.
This thesis explores the functional organization of sensory CS projections onto individual D1/D2 SPNs and how this organization is shaped by behavior. We used ex vivo patch-clamp recordings in the DLS, combined with glutamate uncaging for focal stimulation in the barrel cortex, to assess the synaptic strength of CS inputs and to investigate the exact location of presynaptic neurons connected to individual SPNs in both naïve animals and animals trained in a whisker-guided foraging task.
1) In naive animals, we found low convergence of CS inputs: SPNs received projections from either a single or a small number of whisker cortical columns scattered across the barrel field, and neighboring SPNs shared few inputs. Despite this sparse and unique innervation of individual SPNs, the overall projection was topographically organized. D1 and D2-type SPNs did not segregate in different connectivity patterns. Our results are consistent with low connectivity and weak convergence between the sensory cortex and individual projection neurons of the DLS, that might allow fine-tuning of corticostriatal functional connectivity according to sensorimotor behaviors.
2) Because the activation of D1 and D2 SPNs bidirectionally modulates movement, it is expected that faster and more stereotyped rewarded action arise from a strengthened (weakened) connectivity on movement-facilitating (inhibiting) D1-SPNs (D2-SPNs). To test this hypothesis, we designed a lateralized whisker guided foraging task that required mice to make unidirectional 90 degree turns to obtain rewards, based on the well-established observation that activation of D1-SPNs and D2-SPNs have opposing effects on rotational behavior (respectively contralateral and ipsilateral to the stimulated hemisphere), and designed a whisker guided foraging task that required mice to make unidirectional 90 degree turns to obtain rewards. Surprisingly, comparing naïve and trained animals, we found no significant changes in CS connections to D1 or D2 SPNs. However, we observed plastic changes in the ipsilateral hemisphere, unengaged in task execution. The number of cortical columns innervating SPNs in this hemisphere increased, along with the sum of synaptic inputs. In contrast, S1 pyramidal neurons in the contralateral hemisphere had an increased excitability compared to naïve animals and the ipsilateral side. These findings suggest an asymmetric reorganization of CS circuits following lateralized learning. We hypothesize that the imbalance in cortical excitation induced by the task leads to a rearrangement of corticostriatal projections to maintain balanced excitation level to SPNs in the two hemispheres.