Interplay of thalamo- and corticostriatal plasticity in procedural learning and behavioral flexibility
Interaction des plasticités cortico-striatales et thalamo-striatales lors d'un apprentissage procédural et de l'adaptation sensorimotrice
Résumé
The proper action selection, initiation and execution of movement, orchestrated by the brain, is necessary for the survival of any organism. Such processes largely rely on the basal ganglia-thalamo-cortical loops. The striatum constitutes the main input nucleus of the basal ganglia and the acquisition of a behavioral repertoire has been associated with striatal plasticity. Thus, the striatum appears as a key structure for memory formation. The dorsal striatum is composed of two main anatomical-functional regions, the dorsomedial striatum (DMS) and the dorsolateral striatum (DLS), based on topographic cortical glutamatergic afferents. Two main glutamatergic inputs onto the striatum have been identified to convey striatal activity for action initiation and execution: corticostriatal (CS) and thalamostriatal (TS) inputs (mostly from the parafascicular nucleus (Pf)). The striatal-projecting neurons (the medium-sized spiny neurons, MSNs) act as coincidence detectors of cortical and thalamic activity. While extensive research addressed the contribution of CS projections, little is known about the role of TS projections. Therefore, characterizing the TS plasticity and its interactions with the CS plasticity is essential for a better understanding of the role of the striatum in procedural. In order to investigate the interaction of TS and CS plasticity at the level of a single MSN. We characterized input timing-dependent plasticity (ITDP) at CS and TS synapses in brain slices, and we explored supra- and sub-threshold regimes in ITDP protocols for the first time, as opposed to previous studies have focus only on subthreshold activities. We found that most combinations of activities induced LTP at both CS and TS synapses, with the exception of cases when supra-threshold thalamic activity preceded cortical activity. In these situations, LTD was observed, highlighting the crucial impact of synchronizing cortical and thalamic activities for the memory engram at striatal synapses. Next, we used the horizontal ladder set-up to develop a behavioral task that would involve the cortex and the Pf. To address this question, we performed electrophysiological recordings within the DLS while optogenetically activating TS and CS terminals. Therefore, we were able to record in vivo plasticity in mice engaged in procedural learning of a horizontal ladder and found CS-LTP of ChR2-evoked LFP upon learning on a rung pattern #1 (without modification of TS-evoked-LFP), whereas this plasticity was reversed upon novelty (sudden change for a rung pattern #2) to the profit of a TS-LTP. Finally, ex vivo occlusion experiment showed that CS and TS plasticity were engaged during motor learning and novelty, respectively. The ability of TS plasticity to override CS plasticity could enable flexible behavior, aiding the exit of an existing motor program in favor of a novel behavioral strategy. The results presented in this manuscript further extend our knowledge on the interplay between cortico-/thalamo-striatal plasticity and the striatal synaptic plasticity process involved in procedural memory and its reprogramming.
La planification, l'initiation et l'exécution correcte des mouvements, orchestrées par le cerveau, sont nécessaires à la survie de tout organisme. De tels processus reposent sur les boucles cortex – thalamus-ganglion de la base. Le striatum constitue la principale entrée des ganglions de la base. L'acquisition d'habileté et d’automatismes cognitivo-moteurs ont été associés à la plasticité synaptique striatale. Ainsi, le striatum apparaît comme une structure clé dans l’encodage de la mémoire procédurale. Le striatum dorsal est composé de deux principales régions anatomiques-fonctionnelles, le striatum dorsomédial (DMS) et le striatum dorsolatéral (DLS), en fonction des afférences (anatomo-fonctionnelles) corticales reçues. Le striatum reçoit deux majeures entrées glutamatergiques : les entrées cortico-striatales (CS) et thalamo-striatales (TS) (principalement du noyau parafasciculaire (Pf)). Les neurones de sortie du striatum (les neurones épineux de taille moyenne, MSN) agissent comme des détecteurs de coïncidence des activités corticale et thalamique et appartiennent à deux voies trans-striatales anatomiques distinctes, la voie directe avec les D1-MSNs et la voie indirecte avec les D2-MSNs. Alors qu'un grand nombre de publications ont documenté la contribution des projections CS, le rôle des projections TS reste mal connu. Par conséquent, la caractérisation de la plasticité TS et de ses interactions avec la plasticité CS est essentielle pour une meilleure compréhension du rôle du striatum dans l'apprentissage procédural. Afin d'étudier l'interaction des plasticités TS et CS au niveau d'un MSN, nous avons caractérisé la plasticité de type input-timing-dependent plasticity (ITDP) au niveau des synapses CS et TS dans des tranches de cerveaux de souris en distinguant les D1- et D2-MSNs ; nous avons exploré pour la première fois les régimes supra- et sub-liminaires dans les paradigmes d’ITDP. Nous avons constaté que la plupart des combinaisons d'activités induisent une LTP aux synapses CS et TS, sauf lorsque l'activation supra-liminaire du Pf précède l'activité corticale. Dans ces situations, une LTD est observée dans les deux voies. Par la suite, nous avons utilisé la tâche comportementale de l’échelle horizontale pour développer une tâche qui implique le cortex et le Pf. Nous avons effectué des enregistrements électrophysiologiques dans le DLS tout en réalisant des stimulations optogénétiques des synapses TS et CS. Nous avons enregistré l’évolution des poids synaptiques CS et TS in vivo chez des souris engagées dans un apprentissage procédural sur l’échelle horizontale et nous avons constaté que le poids synaptique CS augmente lors de l'apprentissage du pattern #1 (sans modification au niveau TS), tandis que cette plasticité est inversée lorsque la souris est exposée à un changement de motif de l’échelle (changement soudain pour un pattern #2) au profit d'une augmentation du poids synaptique TS. Enfin, des expériences d'occlusion ex vivo indiquent que les plasticités CS et TS sont engagées lors de l'apprentissage procédural et de l’exposition à la nouveauté respectivement. La capacité de la plasticité TS à moduler la plasticité CS pourrait permettre un comportement flexible, en facilitant la sortie d'un programme moteur existant en faveur d'une nouvelle stratégie comportementale. Les résultats présentés dans ce manuscrit approfondissent nos connaissances sur l'interaction entre la plasticité cortico-/thalamo-striatale et les processus de plasticité synaptique striatale impliqués dans la mémoire procédurale et sa reprogrammation.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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