Blocage de la neurogenèse - : Neurogenèse adulte et mémoire

Chapitre 3 : Neurogenèse adulte et mémoire

II. Blocage de la neurogenèse

Les études de blocage de la neurogenèse adulte ont permis d’affiner le lien possible entre le niveau de neurogenèse adulte et les performances mnésiques. Trois approches ont été développées : l’approche pharmacologique par injection systémique d’un antimitotique (Tableau 1), l’irradiation totale ou focale par rayons X ou γ (Tableau 2) et l’utilisation de

modèles transgéniques (Tableau 3). Les résultats obtenus après altération de la neurogenèse adulte sont contrastés et parfois contradictoires selon la méthode de blocage, sa durée et selon le type de tâche étudié. Nous avons synthétisé les résultats dans les tableaux 1, 2 et 3 ci-après.

La première technique de blocage de la neurogenèse a consisté à utiliser un agent

antimitotique, l’acétate de méthyl-azoxy-méthanol (MAM), chez le rat adulte (Shors et al., 2001). Le MAM est un agent méthylant capable de tuer spécifiquement les cellules en division par apoptose, tout en préservant l’intégrité des cellules post-mitotiques environnantes (Johnston & Coyle, 1979; Bejar et al., 1985; Ferrer et al., 2001). Shors et coll. montrent que l’injection quotidienne de MAM durant 14 jours consécutifs chez le rat adulte entraîne une réduction significative mais non totale (environ 80%) de la neurogenèse adulte dans l’hippocampe, associée à des déficits d’apprentissage dans une tâche de conditionnement de trace du clignement palpébral dans sa version dépendante de l’hippocampe (Shors et al., 2001). Ces résultats indiquent que le traitement par le MAM n’empêche pas les rats d’apprendre à associer un stimulus conditionnel (SC) avec un stimulus inconditionnel (SI) mais que les nouveaux neurones formés dans le GD sont requis pour l’acquisition de cette association lorsqu’elle est dépendante de l’hippocampe. Ces auteurs montrent également que l’inhibition de la neurogenèse par le MAM est transitoire tout comme les déficits mnésiques associés puisque les rats sont à nouveau capables d’acquérir ce conditionnement 3 semaines après la fin du traitement (Shors et al., 2001). Ceci suggère que durant ce délai, les nouveaux neurones qui ont été à nouveau générés sont suffisants pour la restauration des capacités mnésiques. Par contre, alors que 6 jours de traitement au MAM réduisent de 80% le niveau de neurogenèse adulte hippocampique, cette durée de traitement n’est pas suffisante pour altérer les performances mnésiques dans la tâche de clignement palpébral (Shors et al., 2001). Ceci suggère que les nouveaux neurones doivent atteindre un niveau de maturation suffisant, entre 1 et 2 semaines après leur naissance, pour influencer les fonctions mnésiques de l’hippocampe, même s’ils ne présentent pas encore un niveau de maturation comparable à celui des cellules granulaires préexistantes. Ceci indique toutefois que des nouveaux neurones encore immatures (âgés de 14 jours ou moins) sont capables de participer à l’apprentissage d’une tâche dépendante de l’hippocampe. Ces mêmes auteurs montrent également qu’un traitement au MAM durant 2 semaines conduit à des déficits dans une tâche de conditionnement de peur son-choc dans un protocole de trace (Shors et al., 2002), confirmant l’implication des nouveaux neurones de cet âge pour l’association de deux stimuli séparés temporellement. De même, Goodman et coll. montrent que l’inhibition de la production de nouveaux neurones pendant 2 semaines induit un déficit de rétention d’une mémoire spatiale en piscine de Morris 1 ou 30 jours après acquisition et 1 jour après la première exploration dans un protocole de reconnaissance de la localisation spatiale d’objets (Goodman et al., 2010), suggérant que les nouveaux neurones âgés de 2 semaines sont

nécessaires à la rétention d’une mémoire spatiale ancienne. En 2005, il a été montré au laboratoire qu’un traitement au MAM durant 14 jours bloque l’amélioration des performances dans le test de reconnaissance d’objets (24 et 48 heures après l’exploration) consécutive à l’exposition dans un environnement enrichi (Bruel-Jungerman et al., 2005), suggérant que la neurogenèse adulte est nécessaire aux effets de l’enrichissement sur les performances mnésiques de reconnaissance. En revanche, l’inhibition de la neurogenèse adulte durant 2 semaines par le MAM n’affecte pas tous les types de mémoires dépendantes de l’hippocampe, notamment de peur conditionnée au contexte, de reconnaissance d’objets ou encore dans l’acquisition d’une mémoire spatiale en piscine de Morris, (Shors et al., 2002; Bruel-Jungerman et al., 2005; Ko et al., 2009; Goodman et al., 2010). Elle n’affecte pas non plus des formes de mémoires indépendantes de l’hippocampe comme le conditionnement de peur sans délai, la reconnaissance d’un nouvel objet ou encore la tâche de piscine de Morris en version indicée (Shors et al., 2001, 2002; Goodman et al., 2010).

L’utilisation d’une autre molécule antimitotique, la cytosine-β-d-arabinofuranoside (Ara-C) (Doetsch et al., 1999), injectée en intracérébral, diminue très fortement la neurogenèse adulte et induit des déficits dans des tâches d’inhibition du réflexe de sursaut (Lau et al., 2009), de mémoire sociale (Monteiro et al., 2014), ainsi que l’acquisition d’une tâche spatiale en piscine de Morris, lorsque l’Ara-C est administrée 2 ou 4 mois avant mais pas 1 semaine avant (Lemaire et al., 2012). Par ailleurs, Garthe et coll. montrent que l’utilisation du temozolomide (TMZ) inhibe la neurogenèse adulte et altère la précision de la navigation spatiale dans la piscine de Morris notamment lorsque la plate-forme change de place (Garthe et al., 2009), alors que Martinez-Canabal et coll. montrent que l’inhibition de la neurogenèse adulte par le TMZ induit un déficit uniquement chez des souris juvéniles âgées de 1 à 2 mois (Martinez-Canabal et al., 2012).

La deuxième technique permettant d’abolir la neurogenèse adulte est l’irradiation (rayons X, rayons gamma, neutrons) qui présente l’avantage d’abolir de façon plus ou moins importante et parfois de façon irrémédiable, selon la dose, la formation des nouveaux neurones (Parent

et al., 1999; Peissner et al., 1999; Nagai et al., 2000; Tada et al., 2000; Mizumatsu et al.,

2003). L’élimination persistante des progéniteurs neuronaux repose sur la rupture des brins d’ADN et sur le dysfonctionnement des mécanismes de réparation de l’ADN et du cycle cellulaire (Bellinzona et al., 1996; Limoli et al., 2004; Wojtowicz, 2006). Dans l’ensemble, les études réalisées chez la souris ou le rat montrent que l’abolition de la neurogenèse induite par irradiation est associée à des déficits mnésiques dans de nombreuses tâches dépendantes de l’hippocampe alors que l’acquisition de tâches indépendantes de l’hippocampe reste intacte. Par exemple, le blocage de la neurogenèse adulte par irradiation chez le rat ou la souris provoque des déficits de reconnaissance de place dans le labyrinthe en T (Madsen et al., 2003), de mémoire spatiale dans le labyrinthe de Barnes (Raber et al., 2004) et dans la piscine de Morris à long terme (Rola et al., 2004; Snyder et al., 2005; Fan et al., 2007), dans une tâche de peur conditionné au contexte (Saxe et al., 2006; Winocur et al., 2006; Warner-Schmidt et al., 2008; Wojtowicz et al., 2008; Hernández-Rabaza et al., 2009; Kitamura et al., 2009; Snyder et al., 2009a; Yang et al., 2012), dans une tâche de mémoire de travail spatiale en présence de fortes interférences en labyrinthe radial (Saxe et al., 2007), dans une tâche d’inhibition du réflexe de sursaut (Iwata et al., 2008) ou encore dans une tâche associative de non appariement retardé (Winocur et al., 2006). De plus, Snyder et coll. montrent que les nouveaux neurones participent à la mémoire spatiale en piscine de Morris lorsqu’ils sont âgés de 4 à 28 jours puisque l’irradiation 1, 3 ou 4 jours avant l’acquisition de la tâche n’affecte pas les performances de rétention des animaux à très long terme alors que l’irradiation 4 semaines avant les affecte (Snyder et al., 2005). Ces auteurs montrent également que l’irradiation 4 ou 8 semaines avant l’acquisition d’une tâche de conditionnement de peur au contexte chez le rat induit un déficit de performance à long terme alors qu’elle n’est pas affectée 3 semaines après irradiation (Snyder et al., 2009a), suggérant donc que ce sont les nouveaux neurones âgés de 4 et 8 semaines qui participent à la mise en mémoire de ce type d’informations.

L’inhibition de la neurogenèse adulte hippocampique par irradiation bloque l’amélioration des performances en piscine de Morris ou en conditionnement de peur au contexte, sans bloquer l’acquisition de la tâche chez des animaux soumis à un exercice physique (Clark et al., 2008; Wojtowicz et al., 2008; Kitamura et al., 2009), suggérant que la neurogenèse adulte est nécessaire à l’amélioration des performances liées à l’exercice. De même, la neurogenèse adulte est nécessaire à l’action bénéfique des antidépresseurs sur les performances mnésiques (Santarelli et al., 2003). Néanmoins, à l’opposé des études précédemment citées, certains auteurs montrent que le blocage de la neurogenèse adulte par irradiation n’induit pas de déficits mnésiques dans l’acquisition et la rétention à court terme de la tâche de piscine de Morris, dans une tâche de reconnaissance d’objets à court terme dans sa version spatiale, dans le labyrinthe de Barnes, dans une tâche de mémoire de travail sans interférence en labyrinthe radial ou encore dans une tâche de conditionnement de peur au contexte (Madsen

et al., 2003; Raber et al., 2004; Rola et al., 2004; Saxe et al., 2007; Meshi et al., 2006; Saxe et al., 2006; Clark et al., 2008; Wojtowicz et al., 2008; Iwata et al., 2008; Hernández-Rabaza et al., 2009; Kitamura et al., 2009; Ko et al., 2009).

Ces méthodes ont cependant leurs limites. Le blocage de la neurogenèse par les antimitotiques ou par irradiation reste partiel selon les cas puisque 10% à 50% des nouveaux neurones sont encore présents après manipulation (Tableaux 1 et 2 ; Dupret et al., 2005; Wojtowicz, 2006; Fan et al., 2007; Gould, 2007; Ko et al., 2009), et certaines études montrent qu’une faible proportion de nouveaux neurones au sein du GD suffirait à maintenir des performances mnésiques correctes dans différentes tâches (Ko et al., 2009). Fan et coll. montrent que la production de nouvelles cellules est inhibée 1, 2 et 4 jours après irradiation, mais que celle-ci présente un rebond à 8 et 14 jours pour ensuite à nouveau diminuer fortement et atteindre un niveau significativement différent des animaux contrôles, et ce jusqu’à 9 mois après irradiation (Fan et al., 2007). Néanmoins, 2 semaines après irradiation, le nombre de nouveaux neurones immatures est significativement différent des animaux non irradiés (Fan et al., 2007). Ces résultats suggèrent qu’il est possible que suite à l’inhibition brutale par l’irradiation, la production de nouvelles cellules augmente de façon transitoire sans qu’elle aboutisse à une augmentation du nombre de nouveaux neurones, laissant supposer qu’une plus forte gliogenèse ou une mort accrue durant cette courte période pourrait perturber les performances mnésiques (Mizumatsu et al., 2003; Rola et al., 2004; Fan et al., 2007). De plus, l’irradiation quand elle est réalisée sur la totalité de la tête pourrait conduire à des effets non spécifiques sur les processus mnésiques et abolir également la neurogenèse du BO, alors que l’irradiation focale de l’hippocampe diminue ce risque et permet d’explorer spécifiquement l’influence de l’absence de la neurogenèse hippocampique (Wojtowicz, 2006). De même, parce que les doses, l’intensité, le nombre et les temps d’irradiations et donc l’influence de la réponse inflammatoire ne sont pas les mêmes dans les différentes études proposées, la proportion de diminution de la neurogenèse et son implication dans les

processus mnésiques étudiés sont relativement hétérogènes (Wojtowicz, 2006). Ceci suggère que les résultats négatifs observés en l’absence de neurogenèse adulte suite à l’utilisation des antimitotiques ou de l’irradiation sont à prendre avec précaution et ne signifient pas que la neurogenèse adulte ne participe pas aux processus mnésiques étudiés.

La troisième technique de blocage de la neurogenèse adulte consiste à utiliser des modèles

génétiques d’inhibition (Tableau 3 ; voir pour revue Deng et al., 2010; Imayoshi et al., 2011).

Le modèle de souris transgéniques GFAP-TK TG ou Nestin-TK TG exprime le « Herpes virus thymidine kinase » (virus TK) sous la régulation du promoteur de la GFAP ou de la nestin dans les cellules souches/progénitrices permet, en présence de l’antiviral Gangiclovir (GCV), d’inhiber spécifiquement la neurogenèse adulte (Saxe et al., 2007; Deng et al., 2009). Dans ce type de modèle, les souris présentent un déficit de mémoire de peur au contexte et dans une tâche de mémoire spatiale de travail en labyrinthe radial (Saxe et al., 2006, 2007; Deng et al., 2009), et ce sans déficit dans les mémoires indépendantes de l’hippocampe (Saxe et al., 2006). En outre, l’arrêt du traitement GCV permet de retrouver des performances mnésiques comparables à celles des souris contrôle dans la tâche de mémoire spatiale de travail (Saxe

et al., 2007). Deng et coll. montrent que dans le modèle Nestin-TK TG, le blocage des

nouveaux neurones âgés de 1 à 3 semaines induit un déficit de rétention à long terme (1 semaine) d’une mémoire spatiale dans la piscine de Morris alors que le blocage des nouveaux neurones âgés de 4 à 11 semaines n’induit pas de déficit (Deng et al., 2009), suggérant que les nouveaux neurones participent aux processus mnésiques lorsqu’ils se situent dans leur période critique d’intégration au sein des réseaux neuronaux de l’hippocampe. En présence de Tamoxifen, le modèle Nestin-CreER/NSE-DTA (Imayoshi et al., 2006; Arruda-Carvalho et

al., 2011) permet d’inhiber spécifiquement la neurogenèse adulte grâce à l’expression de la toxine diphtérique spécifiquement dans les nouveaux neurones. Ces souris montrent des déficits d’acquisition et de rétention à long terme (1 et 5 semaines) mais pas à 24 heures en mémoire spatiale dans le labyrinthe de Barnes et dans la piscine de Morris, un déficit de mémoire de discrimination visuelle entre deux contextes, ainsi qu’un déficit de mémoire en peur conditionnée au contexte mais pas dans la version indicée (Imayoshi et al., 2008; Arruda-Carvalho et al., 2011). Dans ce même modèle, Arruda-Carvalho et coll. montrent que l’ablation des nouveaux neurones après l’apprentissage induit des déficits de mémoires dépendantes de l’hippocampe c’est-à-dire une perte du souvenir préalablement acquis (Arruda-Carvalho et al., 2011), suggérant que la perte spécifique des nouveaux neurones qui ont servi durant l’apprentissage aboutit à la perte du souvenir.

Le modèle Tlx^f/l;creER en présence de tamoxifen permet d’inhiber spécifiquement l’expression du gène Tailless qui régule la prolifération des cellules progénitrices (Liu et al., 2008), induisant un déficit d’acquisition et de rétention à court terme d’une mémoire spatiale en piscine de Morris mais pas dans une tâche de conditionnement de peur au contexte ni dans des tâches de mémoire indépendantes de l’hippocampe (Zhang et al., 2008). Le modèle Nestin-rtTA/TRE-Bax permet d’induire spécifiquement la mort des cellules progénitrices qui expriment la nestin par expression de la protéine pro-apoptotique Bax en présence de doxycycline et aboutit à un déficit d’acquisition et de rétention à court terme d’une tâche de mémoire spatiale en piscine de Morris et dans une tâche de discrimination de contexte, mais pas dans une tâche de conditionnement de peur au contexte (Dupret et al., 2008). De même, le modèle Nestin-rtTA/TRE-PC3 permet d’induire l’expression du gène PC3 en présence de doxycycline dans les cellules progénitrices. Ce gène, qui s’exprime normalement dans les progéniteurs neuronaux avant la dernière division asymétrique et qui participe à la différenciation terminale (Gossen & Bujard, 1992; Corrente et al., 2002; Canzoniere et al., 2004), induit une différenciation prématurée des nouveaux neurones produits avec une réduction du nombre de cellules progénitrices de type 1 et 2 (Farioli-Vecchioli et al., 2008). Ce modèle n’altère donc pas le nombre mais la morphologie des nouveaux neurones formés en accélérant leur différenciation et en perturbant ainsi leur intégration au sein des réseaux neuronaux de l’hippocampe (Farioli-Vecchioli et al., 2008). Ce modèle présente de sévères déficits d’acquisition et de rétention dans une tâche de mémoire spatiale en piscine de Morris ou en labyrinthe radial et dans une tâche de peur conditionné au contexte mais pas dans des tâches de mémoire indépendantes de l’hippocampe (Farioli-Vecchioli et al., 2008), suggérant donc que la maturation effective des nouveaux neurones est nécessaire à leur participation aux processus mnésiques dépendants de l’hippocampe. Néanmoins, certains modèles transgéniques de blocage de la neurogenèse ne sont pas associés à des déficits mnésiques. Contrairement aux études menées par Saxe et coll., Groves et coll. ne montrent pas de déficits mnésiques dans une tâche spatiale en piscine de Morris et dans une tâche de conditionnement de peur au contexte ou à un son chez le modèle GFAP-TK (Groves et al., 2013). De même, l’inactivation chez la souris de l’expression de la cycline D (souris KO D2), une protéine impliquée dans la régulation du cycle cellulaire et exprimée dans les progéniteurs neuronaux de l’hippocampe, inhibe fortement la neurogenèse adulte hippocampique (Kowalczyk et al., 2004; Jaholkowski et al., 2009) mais n’altère pas les performances mnésiques dans différentes tâches dépendantes ou indépendantes de l’hippocampe (Jaholkowski et al., 2009). Dans le modèle de souris transgénique FSM qui surexprime la Follistatine, une protéine inhibitrice de l’Activine, facteur de croissance qui régule la différenciation et la prolifération ainsi que la morphologie des épines dendritiques (Ageta et al., 2008), les souris montrent une forte diminution de la survie des nouveaux neurones produits (Ageta et al., 2008; Kitamura et al., 2009) mais ne montrent pas de déficit de rétention à long

terme d’une mémoire de conditionnement de peur au contexte (Kitamura et al., 2009). En résumé, même si globalement le blocage de la neurogenèse adulte hippocampique induit un certain nombre de déficits de mémoires dépendantes de l’hippocampe, les résultats restent contrastés et ce même parfois pour des tâches de mémoire identiques. Ces différences peuvent s’expliquer par l’hétérogénéité des protocoles utilisés en termes d’espèce étudiée, de méthode et de durée de blocage, des tâches de comportements utilisées mais également selon l’âge des nouveaux neurones affectés durant la tâche de mémoire.

III. Influence de l’apprentissage sur la neurogenèse adulte

Dans le document Neurogenèse adulte hippocampique : Rôle fonctionnel dans la mémoire épisodique et recrutement des nouveaux neurones lors de la mémorisation (Page 85-95)