In Vivo Optical Calcium Imaging of Learning-Induced Synaptic Plasticity in Drosophila melanogaster In Vivo Optical Calcium Imaging of Learning-Induced Synaptic Plasticity in Drosophila melanogaster In Vivo Optical Calcium Imaging of Learning-Induced Synaptic Plasticity in Drosophila melanogaster In Vivo

Déchiffrer où et comment l’information est acquise dans le cerveau par l’apprentissage et ensuite stocké comme mémoire constitue l’une des tâches les plus difficiles en neurosciences¹. La recherche neuroscientifique a mené au concept d’un changement dans la transmission synaptique comme substrat neuronal qui sous-tend l’apprentissage et la formation de mémoire^2,3. On suppose que, pendant l’apprentissage, les connexions synaptiques entre les ensembles neuronaux qui sont actifs pendant la perception d’un stimulus sont modifiées de telle sorte que leur modèle d’activité combiné peut être récupéré pendant le rappel de mémoire, instruisant ainsi future action comportementale⁴. Ces « cellules d’engramme » et leurs synapses sont souvent distribuées entre les régions du cerveau et les niveaux de traitement, ce qui rend difficile d’attribuer les changements observés dans la transmission synaptique à l’apprentissage d’une tâche ou d’un stimulus. Pour localiser et visualiser les changements synaptiques qui sont causalement liés à une tâche d’apprentissage spécifique, il faut un système modèle approprié qui permet de confiner précisément ces synapses.

Pour une telle entreprise, Drosophila melanogaster est particulièrement approprié parce qu’il combine la simplicité relative du cerveau, la richesse comportementale, et l’accessibilité expérimentale. Parmi les organismes modèles bien établis, Drosophila est situé entre le nématode C. elegans et les mammifères génétiquement traitables comme les souris en termes de complexité neuronale. Le nombre stéréotypé de neurones (300 euros) et le répertoire comportemental limité sont observés chez C. elegans. Les mammifères, d’autre part, ont des millions de neurones et la complexité comportementale stupéfiante. Le cerveau de la mouche des fruits est, avec ses 100 000 euros, des neurones significativement plus petits que le cerveau de la plupart des vertébrés, et beaucoup de neurones sont individuellement identifiables⁵. Pourtant, Drosophila démontrer un large éventail de comportements complexes, y compris une capacité à montrer l’apprentissage olfactif associatif robuste et la formation de la mémoire, d’abord décrit il ya 40 ans⁶. Au cours de cette procédure de conditionnement classique, les groupes de mouches sont soumis à une odeur comme le stimulus conditionné (CS⁾alors qu’ils reçoivent un choc électrique punissant comme le stimulus non conditionné (US). Une deuxième odeur (CS^–) est alors présentée sans aucune punition. Par conséquent, les animaux apprennent à éviter l’odeur associée à la punition, qui peut être testé dans une situation de choix ultérieure entre les deux odeurs,^CS et CS^–. Les travaux de dissection du substrat neuronal sous-jacent à ce comportement dans Drosophila ont identifié les corps de champignons (MB) comme le site principal de l'”engramme”^7,8,9,10 et, par conséquent, les circuits de cette région du cerveau a été et fait l’objet d’intenses recherches afin de découvrir la logique par laquelle un engramme de mémoire est acquis et stocké (récemment examiné en^11,12).

Le Drosophila MB se compose de 2 000 neurones intrinsèques (cellules Kenyon) par hémisphère, organisés en projections axonales parallèles¹³. Les axones des neurones de projection olfactive sont étendus au protocerebra latéral et aux calyces de MB, le site principal d’entrée dendritique du MB et reçoivent l’entrée olfactive des lobes d’antenne. Le long faisceau parallèle d’axones des cellules de Kenyon constitue le pédoncule et les lobes. La plupart des cellules de Kenyon bifurquent formant des lobes horizontaux en tendant une garantie vers la ligne médiane du cerveau, et les lobes verticaux en prolongeant la deuxième projection collatérale dans la direction dorsale-antérieure. L’autre groupe de cellules Kenyon forme les lobes horizontaux¹³ du Mb où le processus d’apprentissage et la formation de mémoire à court terme ultérieure pourraient être localisés¹⁰. Les lobes MB reçoivent une entrée afférente et fournissent une production efferent, qui sont généralement limitées à des sous-régions compartimentées distinctes le long des axones de cellules Kenyon^14,15,16. En particulier, les neurones d’entrée dopaminergiques afférents de MB ont été montrés pour mimériser la valeur-basée, par exemple, punitif, renforçant des effets dans l’apprentissage olfactif associatif^15,17. Les neurones de sortie stéréotypiques et individuellement identifiables de MB des lobes de corps de champignon intègrent l’information à travers un grand nombre de cellules de Kenyon, ciblent les secteurs divers du cerveau et portent l’information appetitive ou aversive de comportement-instructive¹⁵ . Cette architecture neuronale a conduit à un concept d’organisation de l’engramme associatif. Les odeurs sont relativement précisément codées par des ensembles peu activés de cellules Kenyon. L’activité coïncidente de ces ensembles cellulaires Kenyon et la libération de dopamine – évoquée par des stimuli punissants – module la transmission des présynapses de cellules de Kenyon sur les neurones de sortie de MB de sorte que les animaux éviteront plus tard cette odeur particulière^{10 ,12}. Nous utilisons cet engramme plutôt précisément défini et localisé comme un cas paradigmatique pour illustrer comment ces changements dépendants de l’apprentissage dans l’activité synaptique peuvent être déterminés et surveillés.

La valeur de Drosophila en tant que système modèle repose fortement sur la boîte à outils génétique inégalée qui permet d’exprimer des transgènes pour identifier, surveiller et contrôler les neurones uniques dans les circuits complexes¹⁸. L’avènement de techniques de surveillance de l’activité neuronale – comme l’imagerie calcique, discutée ici – a permis de déterminer les modèles d’activité neuronale en réponse à un stimulus spécifique. En combinant l’expression spécifique Gal4-conduite des indicateurs de calcium génétiquement codés (GECIs) avec la stimulation olfactive, on peut visualiser la dynamique de calcium odorante-évoquée des neurones d’intérêt^19. Dans ce protocole, il est démontré qu’en associant davantage cette technique à un paradigme de conditionnement classique, il est possible d’examiner ces réponses olfactives dans le contexte de l’apprentissage. La plasticité induite par l’apprentissage peut être disséquée à l’aide d’ISGE qui sont non seulement localisées à un seul neurone spécifique, mais aussi à des sous-compartiments spécifiques d’un neurone. Pech et coll.²⁰ ont établi une sélection d’outils qui permettent exactement cela. En ciblant GCaMP3²¹ à la pré- ou la postsynapse – par liaison avec le vertébré Synaptophysin ou dHomer, respectivement²⁰– la modulation différentielle de ces sites peut être distinguée. Cette localisation confère, dans ce contexte, un avantage par rapport à la plupart des GECI qui sont omniprésents présents dans tout le cytosol – par exemple, GCaMP²², GCaMP3²¹, ou GCaMP6²³ – parce que cela signifie que les transitoires pré- et postsynaptiques peuvent être distingué de l’afflux intégré global de calcium qui se produit en raison de l’activation de neurone. Cela peut fournir des indices sur l’emplacement et les types de plasticité qui se produisent à la suite ou qui causent l’apprentissage et la formation de la mémoire. À titre d’exemple, le protocole fourni ici montre la valeur de cet outil dans le déchiffrement de la modulation des neurones de sortie MB au cours de l’apprentissage associatif olfactif en ciblant l’expression du capteur de calcium à seulement la postsynapse. En surveillant, au sein d’une mouche individuelle, l’activité odorante avant et après le conditionnement olfactif peut être établie entre une réponse naïve d’odeur et une réponse d’odeur apprise. Bien que fixées dans la même chambre d’imagerie, les mouches sont exposées à une sélection d’odeurs. Ensuite, ils reçoivent un protocole de conditionnement associatif aversif dans lequel l’une de ces odeurs est jumelée à un choc électrique (devenant le^CS)et une autre odeur est présentée sans renfort (devenant le CS^–). Enfin, les mouches sont à nouveau exposées aux mêmes odeurs que dans la première étape. La dynamique du calcium est observée à l’aide de la microscopie à deux photons.