Organization of cerebellar neuronal activity during motor action and rest in freely-moving rats
Organisation de l'activité neuronale cérébelleuse lors de d'une tâche de préhension et reste dans des rats déplaçant librement
Résumé
The cerebellum is a brain structure involved in coordination complex motor actions such as voluntary movements. To achieve this function, the precise temporal control of a large population of neurons is required. While a large number of patterned population activity has been characterized in many major brain structures (thalamo-cortical system, basal ganglia, hippocampal formation, etc...), very little is currently known in the cerebellum. Therefore, I investigated the presence and characteristics of such an organization in freely-moving rats, especially when they perform a reach-and-grasp task. The cerebellar cortex has a strong topographical organization, such that neighboring cells share similar input sources and output targets. Therefore, studying the local network properties in the cerebellar cortex allows to access to functionally-relevant population activity. First, I demonstrated that multi-wire electrodes, tetrodes, may be used to record multiple neighboring cells in chronic recordings of freely behaving animals using a custom-made microdrive. Second, I examined in the area of the cerebellar cortex controlling limb movements how the principle cells (the Purkinje cells) coordinate their firing during rest and fast forelimb motor action. Using simultaneous electrophysiological recordings of multiple single cells, I found that neighboring Purkinje cells exhibit consistently a co-modulation of their firing rate at time scale of a few milliseconds. This correlated firing is observed during sleep and active exploration, and increases during motor execution. Our results thus indicate that during a fast and complex movement, local assemblies of Purkinje cells form dynamically at short time scales and will produce very transient episodes of inhibition in the deep cerebellar nuclei. Third, in a collaboration with the group of Richard Courtemanche, we studied the link between neuronal firing and slow local field oscillations that are observed in the cerebellum at rest. We found that a large proportion of Golgi cells and Purkinje cells are modulated during the oscillations. These results indicate that these slow oscillations, that may be also observed in the motor cortex, are propagated in the cerebellar cortex. Overall, my work has identified and characterized a number of state-dependent population activity patterns in the cerebellar cortex. How these patterns impact on the motor system largely remains to be understood and should be examined in future studies.
Le cervelet est une structure du cerveau impliquée dans la coordination des actions motrices complexes telles que les mouvements volontaires. Pour remplir cette fonction, le contrôle temporel précis d'une large population de neurones est nécessaire. Alors qu'un grand nombre d'études ont été consacrées à l'étude de l'activité de réseau dans la plupart des grandes structures cérébrales (système thalamo-cortical, les noyaux gris centraux, hippocampe, etc ...), le cervelet reste très peu étudié. Par conséquent, j'ai examiné la présence et les caractéristiques d'une telle organisation chez les rats libres de leurs mouvements, en particulier lorsqu'ils accomplissent une tâche de préhension. Le cortex cérébelleux a une organisation topographique marquée, de sorte que les cellules voisines reçoivent les mêmes afférences et ont des efférences convergentes. Par conséquent, l'étude des propriétés du réseau local dans le cortex cérébelleux permet d'accéder à une activité populationnelle qui est fonctionnellement pertinente. Tout d'abord, j'ai démontré que les multi-électrodes et particulièrement les tétrodes peuvent être utilisées, grâce à un " micro-drive " que j'ai conçu et réalisé, pour enregistrer plusieurs cellules voisines dans des enregistrements chroniques de comportement de rongeurs libres de leurs mouvements.Deuxièmement, j'ai examiné dans la zone du cortex cérébelleux qui contrôle les mouvements des membres la façon dont les cellules principales (les cellules de Purkinje) coordonnent leur décharge pendant le repos et durant une action motrice des membres antérieurs. Par des enregistrements électrophysiologiques simultanés de plusieurs cellules individuelles, j'ai trouvé que les cellules de Purkinje voisines présentent toujours un co-modulation de leur taux de décharge à l'échelle de quelques millisecondes. Cette décharge corrélée est observée pendant le sommeil et d'exploration active, mais elle est accrue au cours de l'exécution de mouvements. Nos résultats indiquent donc que lors d'un mouvement rapide et complexe, les assemblées locales des cellules de Purkinje se forment dynamiquement à des échelles de temps courtes et produisent donc des épisodes très transitoires d'inhibition dans leur cible postsynaptique dans les noyaux cérébelleux. Troisièmement, dans une collaboration avec le groupe de Richard Courtemanche, nous avons étudié le lien entre la décharge neuronale et les oscillations lentes du potentiel de champ local qui sont observées dans le cervelet au repos. Nous avons constaté qu'une grande proportion de cellules de Golgi et les cellules de Purkinje sont modulées pendant les oscillations. Ces résultats indiquent que ces oscillations lentes, qui peuvent également être observées dans le cortex moteur, se propagent dans le cortex cérébelleux. Dans l'ensemble, mon travail a identifié et caractérisé un certain nombre de patrons d'activité populationnelle dans le cortex cérébelleux. L'impact de ces patrons sur le système moteur reste en grande partie à être compris et devrait faire l'objet de futures travaux.