Cartographie des représentations des vocalises sociales dans le cortex auditif des Souris

Le langage est une fonction cognitive centrale dans le fonctionnement de notre cerveau, qui nous permet de communiquer en société. C’est aussi un élément essentiel de notre vie intérieure et de nos raisonnements. Si l’on connait les aires cérébrales impliquées dans la perception et la reconnaissance du langage chez l’homme, très peu de choses sont connues de l’architecture et du fonctionnement des réseaux de neurones qui les constituent. Quels sont les calculs élémentaires effectués par les cellules de ces réseaux pour identifier les sons spécifiques du langage et les distinguer des autres bruits ? Quels mécanismes au sein de ces assemblées de neurones permettent d’associer ces sons pour percevoir des syllabes, des mots ou des phrases ? Les réponses à ces questions nous permettraient de mieux comprendre l’origine des troubles du langage tels que la dysphasie de compréhension ou la dyslexie. Mais elles nécessiteraient d’être capable d’observer l’activité des cellules à l’échelle individuelles au sein de ces vastes réseaux de plusieurs milliers de neurones pour saisir la logique de leurs circuits. Aucune technique applicable à l’homme ne permet à l’heure actuelle ce type d’observation. Chez la souris en revanche, le développement intense au cours des dernières décennies de nouvelles techniques de microscopie a permis de mesurer l’activité d’ensembles constitués de 1000 à 10 000 cellules simultanément sur l’animal éveillé et en comportement. Les souris émettent elles aussi des vocalises de communication, dans les fréquences ultrasonores, dont la richesse dans différents contextes a été étudiée depuis plus de vingt ans, et qui suggèrent qu’il pourrait s’agir d’un proto-langage. Pourtant, l’existence au sein de leur cortex d’aires spécialisées dans la détection et l’interprétation de ces vocalises sociales reste encore à établir. L’objectif de ce projet consiste à mettre en évidence de telles aires chez la souris et de les imager à l’aide de ces nouvelles approches de microscopie dans un contexte comportemental riche. Il ouvrira ainsi la voie vers une compréhension précise des mécanismes mis en place dans les réseaux de neurones de mammifères pour filtrer et traiter ces sons socialement si importants, et aidera à comprendre à terme l’origine des pathologies du langage chez l’homme.

Les bénéfices attendus du projet relèvent tout d’abord des avancées en neurosciences fondamentales et indirectement pour les applications à la santé humaine. Le projet va permettre de cartographier pour la première fois l’activité des neurones dans le cortex auditif des souris en réponse aux vocalises sociales. Il va permettre d’identifier, si elles existent, des subdivisions au sein du cortex auditif qui pourraient traiter spécifiquement ces vocalises. Dans ces subdivisions, et grâce à la résolution cellulaire de la microscopie infra-rouge, le projet permettra d’identifier les circuits élémentaires qui détectent les caractéristiques telles que la richesse spectrale des vocalises, leurs rythmes saccadés, ou leurs combinaisons au sein de « phrases » élaborées. En offrant l’accès à ces circuits et la possibilité de les manipuler par opto-génétique, le projet ouvre la porte vers une meilleure compréhension des mécanismes d’encodage du langage ou des proto-langages, en contexte normal et pathologique. Du point de vue du développement des méthodes en expérimentation animale, et en particulier des méthodes d’imagerie optique de l’activité cérébrale chez le rongeur en comportement, les bénéfices attendus du projet sont, là aussi, majeurs. L’approche en boîte automatisée s’affranchit des interactions homme-animal, ce qui contribue à réduire le stress engendré chez les animaux (notion de Raffinement dans la règle des 3Rs). Cela contribue aussi à limiter la variabilité des résultats des expériences en éliminant une source importante de variabilité due à l’opérateur humain, et en réduisant le nombre des cohortes nécessaires (notion de Réduction dans la règle des 3Rs). L’entrainement en groupe avec maintien des relations sociales est aussi un facteur de raffinement. Enfin, l’efficacité des protocoles d’entrainement automatisés et collectifs développés dans le projet devrait rapidement les positionner comme méthode de référence chez la souris.

Les animaux seront impliqués dans une chirurgie sous anesthésie et analgésie. Deux types de chirurgie, durant 40 minutes pour l’une et 90 minutes pour l’autre seront appliquées, chaque animal n’étant soumis qu’à un seul type de chirurgie. Après récupération, ils suivent un protocole d’apprentissage comportemental. Ce protocole a lieu dans un dispositif connecté à leur cage d’hébergement, dans lequel les animaux peuvent s’engager volontairement aux moments qu’ils choisissent, à la fréquence qui leur convient, et pour des sessions individuelles qui pourront durer de 10 secondes à 10 minutes. Pour une partie des animaux, des mesures d’imagerie sont effectuées pendant certaines sessions comportementales, à l’aide d’un microscope infra-rouge capable d’imager les milieux diffusants. Cumulées sur 24h, ces sessions d’imagerie dureront typiquement 20 minutes. D’autres sessions comportementales seront associées à des interventions optogénétiques susceptibles d’identifier les fonctions cognitives à l’œuvre lors de ces comportements. Ces interventions optogénétiques utilisent un mode « sans contact », uniquement basé sur l’application de lumière sur les animaux. Ces sessions optogénétiques cumulées sur 24h dureront environ 1 minute. Le protocole d’apprentissage, les sessions d’imagerie et d’optogénétique s’étaleront sur une période pouvant aller jusqu’à 2 mois.

Les nuisances ou effets indésirables attendus ou envisageables sont les suivants. Stress (estimé faible) lié à l’hébergement, à la manipulation pendant la période précédant le protocole comportemental, à la contrainte d’être maintenu immobile pendant certaines phases du protocole comportemental, à la gêne due à l’implant. Frustration des animaux due à leur évacuation imposée du système comportemental après un temps déterminé (10 sec – 10 min selon les étapes du protocole). Pendant la chirurgie, des évènements rares : anesthésie insuffisante, douleur, écart de température, saignement. En période post-opératoire, des évènements rares : douleur, écart de température, infection, notamment des plaies autour de l’implant, signes neurologiques dus à l’injection de virus. Avant l’anesthésie, des évènements rares : anesthésie insuffisante, douleur.

L’euthanasie de tous les animaux dans toutes les procédures est nécessaire afin de permettre le prélèvement du cerveau pour les analyses histologiques post-mortem.

La souris est un mammifère, dont l’architecture cérébrale est plus proche de celle de l’homme que celle des modèles aviaires chantants. Comparées aux autres mammifères sociaux vocalisants, comme les marmousets, la souris présente deux avantages. Premièrement c’est une espèce pour laquelle les outils d’imagerie calcique sont matures : les rapporteurs fluorescents d’activité neuronale y sont très optimisés et leur petite taille permet une immobilisation sous le microscope efficace. Deuxièmement la disponibilité de souris transgéniques offre des outils puissants pour identifier la composition des circuits neuronaux en manipulant certains types cellulaires (optogénétique), et comprendre leur rapport structure – fonction. La souris représente donc le meilleur compromis entre proximité avec l’architecture de mammifère du cerveau humain, et adaptation aux méthodes optiques d’enregistrement et de manipulation les plus puissantes. Les souris utilisées seront des souris adultes exclusivement, âgées de 8 semaines au moment des chirurgies et de 9-10 semaines au démarrage de l’apprentissage. Le projet vise à comprendre les mécanismes d’apprentissage de l’adulte, et cherche à cartographier les régions corticales auditives telles qu’elles existent chez l’adulte ayant développé une large gamme de vocalises sociales.