Dynamique du traitement cortical de l’information sensorielle

Cortex somesthesique

Nous nous intéressons au traitement cortical sous-jacent au phénomène illusoire d’entonnoir ou « funneling » initialement décrit par von Békésy (1967) : la présentation simultanée de stimuli brefs à de multiples points de la peau produisent une sensation focale unique au centre du pattern de stimulation même si aucune stimulation physique n’y est effectuée.

Cette illusion tactile pose la question des opérations neuronales qui sous-tendent la formation des percepts et suggère que le traitement effectué dans les aires sensorielles primaires, par ailleurs essentielles à l’élaboration des représentations somatotopiques du corps, est également la source d’expériences perceptives complexes.

La dynamique spatiotemporelle des activités corticales générées dans le cortex somatosensoriel lors du « funneling » est étudiée par la technique d’imagerie optique extrinsèque (colorant voltage-dépendant, VSD) et par des enregistrements électrophysiologiques par matrice de microélectrodes. Cette étude va nous permettre d’appréhender l’intégration corticale d’informations sensorielles complexes, de mieux comprendre et de révéler l’étendue des connexions latentes entre des aires fonctionnelles interconnectées.

Cortex auditif

  • Le système auditif groupe les informations à la fois dans le domaine fréquentiel (les composantes d’un son complexe harmonique sont perçues de manière groupées) mais aussi dans le domaine temporel (ce qui nous permet de suivre un locuteur unique dans le temps). Nous étudions les mécanismes corticaux putatifs de ces processus à partir de deux techniques complémentaires que sont l’électrophysiologie multi-site et l’imagerie optique à colorant voltage-dépendant.
  • Plasticité expérience-dépendante : Le système auditif doit ajuster ses réponses aux propriétés statistiques de l’environnement acoustique, par exemple dans la perspective d’optimiser le codage neuronal de l’intensité. Un environnement acoustique calme requiert une sensibilité accrue permettant de détecter des sons de faibles intensités, alors qu’un environnement bruyant nécessite au contraire une réduction de la sensibilité de sorte que les réponses neuronales ne soient pas saturées. Ces aspects de plasticité à court-terme sont appréhendés à partir de l’électrophysiologie corticale multi-site et de l’imagerie optique.

Neuroplasticité et la récupération fonctionnelle postlésionnelle.

Dysfonctionnements auditifs

  • L’audition et ses anomalies (surdité et acouphènes)
  • Corrélats neuronaux des perceptions aberrantes

L’audition et ses anomalies (surdité et acouphènes)

Chez l’homme nos travaux récents ont porté sur la décomposition de la parole en modulations d’amplitude et en modulation de fréquence pour essayer de distinguer quelles modulations transmettent quels indices perceptifs et dans quelle mesure les deux modulations sont altérées dans les surdités neuro-sensorielles. Une autre étude chez l’homme a concerné la suppression durable d’acouphènes produite par l’usage de prothèses auditives transposition fréquentielle linéaire par octave.

En expérimentations animales nos études examinent si des approches pharmacologiques combinées peuvent avoir des effets additifs pour diminuer les surdités par trauma sonore.

Lésions du cortex somesthesique

  • Modifications métaboliques et hémodynamyques dans la zone péri-lésionnelle, et corrélats fonctionnels
  • Plasticité structurale et fonctionnelle dans l’hémisphère sain controlatéral

Modifications métaboliques et hémodynamyques dans la zone péri-lésionnelle, et corrélats fonctionnels <-lorsqu'il y a plusieurs onglets, ceux-ci sont dans des boîtes de texte différentes

Les accidents vasculaires cérébraux constituent une part importante des atteintes neurologiques. L’étendue et la localisation des territoires affectés conditionnent la nature et l’importance des déficits observés. Le devenir du tissu cérébral qui entoure la région ischémiée , encore appelée zone de pénombre, influe sur les niveaux d’atteintes fonctionnelle.

Nous avons développé un modèle de ces pathologies basé sur la compression transitoire unilatérale du cortex somesthésique primaire et caractérisé par des atteintes sensorimotrices spécifiques.

Nous développons actuellement des études visant à comprendre les changement dans le temps des processus métaboliques et hémodynamiques dans les tissus ischémiés versus épargnés par la compression.

D’un point de vue de la réhabilitation fonctionnelle nous étudions également les réorganisation corticales sous tendues par la modulation de l’activité sensorimotrice (entraînement ou élevage en milieu enrichi).

Lésions de la moelle épinière

  • Optimisation des récupérations sensorimotrices et respiratoire après atteinte médullaire
  • Plasticité post-lésionnelle et réparation du tissu nerveux central après traumatisme, à l’aide de stratégies à vocation « réparatrice » (Pontages nerveux, Transplantation cellulaire).

Optimisation des récupérations sensorimotrices et respiratoire après atteinte médullaire

Les lésions médullaires affectent plus de 2,5 millions d’individus, avec environ 170000 nouveau cas par an. Ces atteintes, le plus souvent partielles et situées majoritairement dans les régions cervicales, se traduisent par des pertes de fonction végétatives et sensorimotrices importantes dont les niveaux de récupération dans le temps sont extrêmement limitées.

Nous travaillons sur des modèles de lésion médullaire cervicale unilatérale chez le rat adulte. Nous avons caractérisé les déficits et les récupérations spontanées des fonctions respiratoire et sensorimotrices.

Nos axes de recherche visent à développer des stratégies de réhabilitations fonctionnelles basées une double approche, combinant la greffe de cellules engainantes olfactives ou de cellules souches olfactives et la modulation des processus inflammatoires injection de cytokines pro- en anti-inflammatoires . Ces études reposent sur une approche multidisciplinaire qui englobe des approches cellulaires, électrophysiologiques, d’imagerie corticale et de comportement.

Plasticité vestibulaire

  • Modulation de la neurogénèse vestibulaire par les facteurs du microenvironnement cellulaire
  • Rôle de la neurogenèse hippocampique
  • Nature excitatrice-inhibitrice des neurones GABAergiques néoformés dans les structures vestibulaires désafférentées.
  • Pharmacologie du vertige d’origine vestibulaire. Modèle animal de Vertige d’origine vestibulaire

Modulation de la neurogénèse vestibulaire par les facteurs du microenvironnement cellulaire

Les modifications du microenvironnement cellulaire (facteurs neurotrophiques, médiateurs de l’inflammation,…) consécutives à la neurectomie vestibulaire pourraient participer à l’induction de la neurogenèse réactionnelle chez l’animal adulte. Elle repose sur les données de la littérature montrant que certains de ces facteurs modulent la prolifération des cellules souches neurales. La ré-expression des facteurs neurotrophiques (BDNF, NGF, EGF) et des facteurs de l’inflammation (TNF, IL1) a été décrite après lésion du SNC.

Ils interviendraient dans la survie neuronale et les réorganisations structurales. Nos perspectives sont d’étudier la cinétique de ré-expression post-lésionnelle de ces facteurs proneurogènes. Le niveau d’expression de la neurogenèse ainsi que le décours de la restauration des fonctions vestibulaires sera également apprécié par le blocage ou l’activation in vivo de ces différents facteurs.

Biologie des Cellules souches et thérapie cellulaire des surdités neurosensorielles

A. Lopez, H. Lahlou, M. Flores, A. Fontbonne, A. Zine

Thème de recherche

La surdité neurosensorielle représente le déficit sensoriel le plus commun chez l’homme et un problème majeur en santé publique. Elle affecte 1 enfant sur 1000 à la naissance ainsi qu’une proportion significative des personnes âgées. Dans la plupart des cas, elle est associée à une perte irréversible des cellules ciliées (CCs) de la cochlée qui peut être causée par des facteurs environnementaux (bruit, médicaments ototoxiques, âge,..) ou génétiques. L’objectif de ce projet serait de faciliter l’émergence d’une thérapie cellulaire, basée sur la greffe des cellules souches pour traiter les surdités neurosensorielles qui sont encore actuellement hors de porté thérapeutique.

Recherche actuelle

Notre activité actuelle est centrée sur le développement et la biologie des cellules souches de l’oreille interne. Le but est de développer une stratégie de thérapie cellulaire pour régénérer les CCs. Nous travaillons sur des protocoles d’induction/différenciation cellulaire pour une production in vitro des cellules ciliées pro génitrices à partir des cellules souches pluripotentes in vitro. Ensuite, nous explorons leur capacité à promouvoir une régénération des CCs fonctionnelles après transplantation dans des modèles in vitro et in vivo de la surdité neurosensorielle. Cette activité de recherche est actuellement financée dans le cadre d'un programme Européen FP7-Health-2013-Innovation (http://www.otostem.org)

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Physiopathologie vestibulaire : mécanismes et marqueurs

Les pathologies vestibulaires se caractérisent par des épisodes imprévisibles de vertiges accompagnés de déséquilibres posturaux et d’une difficulté de contrôle du regard pendant le mouvement. Souvent accompagnées d’étourdissements, de désorientations et de nausées ces pathologies peuvent se révéler extrêmement invalidantes. En France, comme aux USA, le vertige représente le 3e motif de consultation chez le généraliste et 5% des urgences hospitalières. Malgré leur forte prévalence, on ne dispose aujourd’hui que ne peu d’information sur les mécanismes à l’origine des atteintes vestibulaires.

 

Notre groupe étudie depuis plusieurs années les modalités d’élaboration et de transfert de l’information sensorielle vestibulaire au sein des organes vestibulaires de l’oreille interne. Notre objectif est aujourd’hui de mieux comprendre comment une atteinte vestibulaire se développe au sein de l’oreille interne et comment ses caractéristiques gouvernent l’hétérogénéité des symptômes du vertige (Projet VERTIDIAG).

 

Grace au développement de modèles d’étude originaux (cultures et co-cultures d’épithélia sensoriels et de ganglion de Scarpa, cultures organotypiques d’explants et de tranches vestibulaires, modèles animaux d’atteintes vestibulaires) et d’approches cellulaires et comportementales, nous étudions tout particulièrement les propriétés de la neurotransmission vestibulaire et des mécanismes de plasticité qui lui sont associés. Notre objectif est à terme d’identifier des biomarqueurs des différents types et stades d’atteintes vestibulaires. Cette démarche délibérément tournée vers le transfert clinique et industriel entend impacter significativement sur la prise en charge des pathologies vestibulaires.

 

Collaborateurs & Partenaires :

Brezun JM (MConf AMU)                                                          Beraneck M (UMR8119, Paris)

Cassel R (postdoc)                                                                       Besnard S (INSERM1075, Caen)

Chabbert C (CR1 CNRS)                                                             Fraysse MJ (PH CHU Purpan Toulouse)

Péricat D (AI CNRS expérimentation animale)                Llorens J (PU Barcelone)

Tighilet B (MConf AMU)                                                            Vidal PP (UMR8194, Paris)

Watabe I (T AMU)

 

Développements récents :

 

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Principales Publications :

  • Maltret A, Wiener-Vacher S, Denis C, Extramiana F, Morisseau-Durand MP, Fressart V, Bonnet D, Chabbert C. Type 2 Short QT syndrome and vestibular dysfunction: mirror of the Jervell and Lange-Nielsen syndrome? International Journal of cardiology (2014) 171(2): 291-293.
  • Dyhrfjeld-Johnsen J, Gaboyard-Niay S, Broussy A, Saleur A, Brugeaud A, Chabbert C. Ondansetron reduces lasting vestibular deficits in a model of severe peripheral excitotoxic injury. Journal of Vestibular Research (2013) 23(3): 177-86.
  • Dalet A, Bonsacquet J, Gaboyard-Niay S, Calin-Jageman I, Chidavaenzi RL, Venteo S, Desmadryl G, Goldberg JM, Lysakowski A, Chabbert C. Glutamate transporters EAAT4 and EAAT5 are expressed in vestibular hair cells and calyx endings. PLosOne (2012) 7(9): e46261.
  • Albert ES, Bec JM, Desmadryl G, Chekroud K, Travo C, Gaboyard S, Bardin F, Marc I, Dumas M, Lenaers G, Hamel C, Muller A, Chabbert C. TRPV4 channels mediate the infrared laser-evoked response in sensory neurons. Journal of Neurophysiology (2012) 107(12): 3227-34.
  • Desmadryl G, S Gaboyard-Niay, A Brugeaud, C Travo, A Saleur, J Dyhrfjeld-Johnsen, Chabbert C. Histamine H4 receptor antagonists as potent modulator of mammal vestibular function. British Journal of Pharmacology (2012) 167(4): 905-16.
    • Travo C, Gaboyard-Niay S, Chabbert C. Plasticity of Scarpa's Ganglion Neurons as a Possible Basis for Functional Restoration within Vestibular Endorgans. Frontier in Neurology (2012) 3:91.
    • Bartolami S, Gaboyard S, Quentin J, Travo C, Cavalier M, Barhanin J, and Chabbert C. Critical roles of transitional cells and Na/K-ATPase in the formation of vestibular endolymph. Journal of Neuroscience (2011) 31(46): 16541-9.
    • Ruel J & Chabbert C, Nouvian R, Bendris R, Eybalin M, Leger C, Bourien J, Mersel M, Puel JL. Salicylate enables cochlear arachidonic acid sensitive NMDA receptor responses. Journal of Neuroscience (2008) 29: 7313-23
    • Brugeaud A, Travo C, Dememes D, Lenoir M, Llorens J, Puel JL and Chabbert C. Control of hair cell excitability by vestibular primary neurons. Journal of Neuroscience (2007) 27: 3503-3511.

Bases multisensorielles des représentations cognitives du corps et de l’espace

Codage sensoriel

La perception et la régulation de nos mouvements repose sur des messages sensoriels en provenance de récepteurs périphériques. Ces messages sensoriels peuvent être enregistrés chez l’homme grâce à la technique microneurographique. Une microélectrode insérée dans un nerf superficiel est finement déplacée pour isoler l’activité d’une seule fibre sensorielle. En général, cette fibre provient d’un mécanorécepteur situé soit dans un muscle squelettique, fuseau neuromusculaire, soit dans la peau.

Le retour sensoriel en provenance des fuseaux neuromusculaires joue un rôle majeur dans la perception des mouvements. La sensibilité des fuseaux neuromusculaires peut être modulée par le système nerveux central via le système fusimoteur gamma. Chez l’homme, le rôle du système gamma a longtemps été débattu. Nos travaux les plus récents et les études en cours suggèrent que cette modulation centrale sert à ajuster le retour musculaire au contexte comportemental. Ces études ouvrent des perspectives cliniques telles que le développement de thérapies conservatives chez les myopathes, notamment.

En enregistrant le retour sensoriel en provenance des récepteurs tactiles, nous avons montré que ces récepteurs activés par la déformation des tissus entourant les articulations fournissent des informations sensorielles utiles aussi à la perception des mouvements. Les travaux en cours concernent à la fois la contribution des informations tactiles à la régulation des mouvements et au toucher haptique.

Kinesthésie

Anne Kavounoudias, Caroline Blanchard

La perception du mouvement chez l’homme repose sur le traitement d’informations sensorielles différentes mises en jeu conjointement au cours de l’action. Notre démarche vise à mieux comprendre comment les sensibilités - proprioceptive musculaire, tactile et visuelle –interagissent pour assurer cette perception unifiée de notre corps et quelles sont les structures cérébrales impliquées.

Nos interventions expérimentales consistent à utiliser des leurres sensoriels spécifiques de chacune des modalités, qui sont susceptibles de générer des sensations illusoires de mouvement chez un sujet immobilisé. Par des approches psychophysiques, nous tentons d’établir les règles de cette fusion multisensorielle dans le cadre d’une modélisation de type Bayésienne.

Au moyen de la technique IRMf, nous recherchons également les activités cérébrales associées à la perception d’un mouvement et aux processus d’intégration multisensorielle qui la sous-tendent. Nous nous intéressons également à l’évolution de la fonction kinesthésique chez le sujet vieillissant ainsi qu’aux possibles extensions de notre recherche dans le domaine de la santé et de la rééducation.

Fonctions vestibulaires

Liliane Borel, Christophe Lopez, Arnaud Devèze

Nous étudions la contribution des signaux vestibulaires aux représentations du corps et de l’espace extra-corporel. Les approches incluent des paradigmes de navigation dans des environnements réels et virtuels, des tâches d’imagerie mentale égo-centrées et allocentrées et des paradigmes de jugement du droit devant et de la verticale. Nous étudions les traitements cérébraux des informations vestibulaires en combinant des approches d’électroencéphalographie et d’IRMf.

Ces approches sont réalisées chez des volontaires sains pendant des stimulations vestibulaires caloriques et galvaniques et chez des patients avec des lésions du système vestibulaire (maladie de Menière). Dans les pathologies vestibulaires, nous distinguons les processus adaptatifs rapides – basés sur une représentation dynamique de l’espace – restreint à la période post-lésionnelle précoce de ceux présents jusqu’à des délais plus tardifs de la compensation vestibulaire.

Nous étudions les mécanismes cérébraux et sensori-moteurs à la base de différentes expériences corporelles pertinentes pour la conscience de soi corporelle et pour l’élaboration du soi. Nous décrivons par des approches en neuroimagerie et en neuropsychologie les mécanismes cérébraux permettant de différencier son propre corps du corps d’autrui et ses propres mouvements de ceux d’autrui et de l’environnement.

Nous étudions également les bases multisensorielles et neurales du sentiment d’incarnation (le fait de se sentir localisé dans les limites de son corps) et de la prise de perspective en première et en troisième personne.

Mécanismes cognitifs et neurobiologiques associés au dysfonctionnement cérébral et à la restauration cognitive

Fonction exécutives

Béatrice Alescio-Lautier, Véronique Paban, Marie-Hélène Ferrer, Patricia Romaiguère

Les fonctions exécutives regroupent des fonctions de contrôle cognitif et comportemental. Du fait de leur complexité et de leur haut niveau de gestion, ces fonctions sont sensibles au vieillissement et à certaines pathologies.

Nous caractérisons et étudions chez le sujet adulte et âgé sain les composantes mnésiques et les processus de créativité adaptative qui interviennent dans les fonctions exécutives. Nous recherchons également les substrats cérébraux qui sous-tendent ces processus par IRMf.

Les pathologies que nous étudions sont la phase prodromale et clinique de la maladie d’Alzheimer, le traumatisme crânien et la maladie de Menière. Notre approche consiste à caractériser les dysfonctionnements cognitifs chez ces sujets avec un intérêt particulier pour les altérations des fonctions mnésiques et exécutives. Ces données sont corrélées aux modifications des réseaux cérébraux mis en évidence par IRMf. Les bases neurobiologiques de ces dysfonctionnements sont abordées à l’aide de modèles animaux. Les outils d’aide à l’analyse des données de transcriptomique et proétomique sont utilisés.

Restauration cognitive

Béatrice Alescio-Lautier, Marie-Hélène Ferrer, Patricia Romaiguère, Véronique Paban

Un environnement mental enrichi améliore le fonctionnement cognitif au cours du vieillissement et diminue le risque de démence. Dans ce cadre, nous caractérisons et développons des méthodes d’entraînement cognitif en portant un intérêt particulier pour les mécanismes exécutifs qui participent aux processus de créativité adaptative.

Nous évaluons la restauration du fonctionnement mental à la suite d’entraînements spécifiquement conçus pour répondre au dysfonctionnement cognitif observé au cours du vieillissement et des pathologies que nous étudions (voir paragraphe pathologie).

Nous cherchons à mettre en évidence les mécanismes cérébraux et cognitifs responsables de cette restauration ainsi que les mécanismes cellulaires qui les sous tendent dans des modèles animaux.

Influences cognitives sur les processus sensoriels et moteurs

Gestion attentionnelle et contrôle postural

Chez l’adulte en bonne santé, le contrôle postural ne nécessite que peu de ressources attentionnelles. Cependant, leur mise en jeu peut devenir nécessaire chez des sujets dont les capacités sensorimotrices et/ou cognitives sont réduites. L’objectif de cet axe de recherche est de clarifier les relations entre contrôle postural et cognition et de spécifier la manière dont ces interactions régulent les stratégies posturales et modulent la prise d’information sensorielle au cours du vieillissement ou après atteinte sensorielle.

Le paradigme de double tâche posturo-cognitive permet d’évaluer les conséquences du partage des ressources attentionnelles sur chacune de ces tâches. Nous testons chez le sujet âgé sain les conséquences d’un entraînement spécifique de l’attention et de son contrôle sur la gestion simultanée des deux tâches et la capacité d’équilibration des sujets. Ce projet trouve une application dans le domaine de la rééducation de l’équilibre et de la prévention de la chute chez la personne âgée et chez les patients présentant une atteinte sensorielle.

Emotions et codage sensoriel

Les muscles sont des organes moteurs, mais ce sont aussi des organes sensoriels. Ils sont en effet à l’origine de messages sensoriels qui informent le système nerveux central (SNC) sur nos attitudes posturales et sur les mouvements que nous exécutons. Nous étudions, par microneurographie, comment cette sensibilité musculaire est contrôlée par le SNC pour rendre ces messages le plus parfaitement adaptés au contexte attentionnel et/ou émotionnel dans lequel est exécutée une action.

Sensibilité proprioceptive musculaire et contrôle postural

Une modification du codage proprioceptif pourrait perturber le contrôle postural voire les processus impliqués dans la relation corps-espace. Cette hypothèse est testée dans le cas d’une visuo-dépendance exacerbée, chez les sujets anxieux et/ou porteurs d’une atteinte vestibulaire non compensée.