ISBN : 978-2-9532965-0-1Une synchronisation neuronale est observée dès le premier étage de traitement du système olfactif, à savoir le lobe antennaire chez l'insecte. Dans le cas du papillon de nuit Manduca sexta, cette synchronisation est plus importante en présence du mélange phéromonal qu'en présence d'un composé simple. Dans cet article, nous proposons un modèle du complexe macroglomérulaire qui reproduit les données expérimentales et permet de mettre en lumière le rôle de l'inhibition intra- et inter-glomérulaire dans la synchronisation neuronale et le codage phéromonal

Belmabrouk, Hana

Ezzine, Jelel

Martinez, Dominique

Rospars, Jean-Pierre

ISBN : 978-2-9532965-0-1ISBN : 978-2-9532965-0-1Une synchronisation neuronale est observée dès le premier étage de traitement du système olfactif, à savoir le lobe antennaire chez l'insecte. Dans le cas du papillon de nuit Manduca sexta, cette synchronisation est plus importante en présence du mélange phéromonal qu'en présence d'un composé simple. Dans cet article, nous proposons un modèle du complexe macroglomérulaire qui reproduit les données expérimentales et permet de mettre en lumière le rôle de l'inhibition intra- et inter-glomérulaire dans la synchronisation neuronale et le codage phéromonal

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HAL Id: hal-00331601https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00331601Submitted on 17 Oct 2008HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, estdestinée au dépôt et à la diffusion de documentsscientifiques de niveau recherche, publiés ou non,émanant des établissements d’enseignement et derecherche français ou étrangers, des laboratoirespublics ou privés.Rôle de l’inhibition intra- et inter-glomérulaire dans lasynchronisation neuronale et le codage phéromonal chezmanduca sextaHana Belmabrouk, Jean-Pierre Rospars, Jelel Ezzine, Dominique MartinezTo cite this version:Hana Belmabrouk, Jean-Pierre Rospars, Jelel Ezzine, Dominique Martinez. Rôle de l’inhibition intra-et inter-glomérulaire dans la synchronisation neuronale et le codage phéromonal chez manduca sexta.Deuxième conférence française de Neurosciences Computationnelles, ”Neurocomp08”, Oct 2008, Mar-seille, France. ￿hal-00331601￿RÔLE DE L’INHIBITION INTRA ET INTER GLOM ÉRULAIRE DANS LASYNCHRONISATION NEURONALE ET LE CODAGE PH ÉROMONAL CHEZMANDUCA SEXTAHana Bel MabroukLORIA, Campus Scientifique54506 Vandoeuvre-lès-Nancy,Franceemail: belmabro@loria.frJean-Pierre RosparsINRA, Route de Saint Cyr78026 Versailles Cedex,Franceemail: rospars@versailles.inra.frJelel EzzineUnité signaux et systèmes, ENITBP 37, Le Belvdere, 1002 Tunis,Tunisieemail: jelel.ezzine@enit.rnu.tnDominique MartinezLORIA-CNRS, Campus Scientifique54506 Vandoeuvre-lès-Nancy,Franceemail: dominique.martinez@loria.frRÉSUMÉUne synchronisation neuronale est observée dès le pre-mier étage de traitement du système olfactif, à savoir lelobe antennaire chez l’insecte. Dans le cas du papillon denuit Manduca sexta, cette synchronisation est plus impor-tante en présence du mélange phéromonal qu’en présenced’un composé simple. Dans cet article, nous proposons unmodèle du complexe macroglomérulaire qui reproduit lesdonnées expérimentales et permet de mettre en lumière lerôle de l’inhibition intra- et inter-glomérulaire dans la syn-chronisation neuronale et le codage phéromonal.MOTS CL ÉSlobe antennaire, inhibition, rebond post-inhibiteur, syn-chronisation.1 IntroductionChez l’insecte, l’olfaction contribue à la survie de l’esp` ce.Elle permet à l’animal de trouver sa nourriture, d’identifierses partenaires sexuels et de choisir une plante hôte poursa ponte. L’information olfactive portée par les moléculesodorantes est captée et transformée en train de potentield’action (PA) par les neurones récepteurs olfactifs (NROs)dont les axones se projettent dans les lobes antennaires ducerveau. Ces lobes sont le premier étage de traitement del’information olfactive chez l’insecte. Ils sont constituésnotamment de neurones excitateurs, dits neurones de pro-jection (NPs), interconnectés via des inter-neurones inhib-iteurs, dits neurones locaux (NLs). Les synapses entre ces3 types principaux de neurones ont lieu dans des structuresbien délimités, les glomérules, qui sont au nombre d’unesoixantaine. Généralement, les insectes mâles possèdentdes glomérules plus gros, spécifiquement dédiés à la recon-naissance de la phéromone sexuelle émise par la femelle.Ces macroglomérules, dont le nombre est égal au nombrede composés du mélange phéromonal, constituent le com-plexe macroglomérulaire. Ce système offre un exemple dechoix pour l’étude des mécanismes olfactifs car il met enjeu des ligands (phéromones) connus et peu nombreux etun réseau neuronal spécialisé [1, 2, 3, 4, 5].Chez le papillon de nuitManduca sexta, les deuxcomposés principaux de la phéromone sont deux hydrocar-bures, le bombykal (BAL) et le E,Z-11,13-pentadecadienal(C15). Le complexe macroglomérulaire comprend troisglomérules: le cumulus, le toroı̈de et le fer à cheval [6, 5].Les NPs sont uniglomérulaires avec des dendrites qui ar-borisent dans un seul glomérule. Ainsi, les NPs con-nectés au toroı̈de (réciproquement au cumulus) répondentau BAL (réciproquement au C15) par une augmentation deleur fréquence de décharge (voir Figure 1A). La latencede la décharge, de l’ordre de la centaine de milliseconde,suggère que les NPs sont connectés aux récepteurs olfact-ifs par un chemin indirect, impliquant une inhibition intra-glomérulaire via les NLs [7, 8]. Les NPs connectés autoroı̈de (réciproquement au cumulus) répondent au com-posé C15 (réciproquement BAL) par une hyperpolarisationde leur potentiel de membrane, ce qui suggère l’existenced’une inhibition inter-glomérulaire [9]. En présence dumélange BAL/C15, les NPs présentent une réponse pluscomplexe alternant phases d’excitation et d’inhibition etsont mieux synchronisés qu’en présence d’un seul com-posé (voir Figure 1B). Quel rôle joue l’inhibition intra-etinter-glomérulaire dans la synchronisation neuronale etlcodage du mélange phéromonal ? Pour répondre à cettequestion, nous proposons dans cet article un modèle ducomplexe macroglomérulaire dans lequel l’inhibition intra-et inter-glomérulaire permet une synchronisation neuronalepar un mécanisme de réinitialisation du potentiel de mem-brane.2 Modèles de neuronesAfin de comprendre le rôle de l’inhibition intra-et inter-glomérulaire, nous modélisons le complexemacroglomérulaire duManduca sexta. Dans un premiertemps, nous utilisons des modèles de neurones à conduc-tances : le modèle d’Av-Ron et Rosparspour les NPs [7, 10]et le modèle deHodgkin et Huxleypour les NLs [11]. Dansun deuxième temps, nous simplifions ces modèles pour ar-river à des modèles de neurones intègre-et-tire.Figure 1. Réponse et synchronisation des NPs. A. Réponsedu modèle à conductances de NPs du toroı̈de au mélangeBAL/C15. La durée de stimulation est indiquée par labarre noire. La bouffée de PAs émise par les NPs ar-rive après une latence de l’ordre de 100 ms, suggérantque les NPs ne sont pas directement excités par les NROs.Une hypothèse pour expliquer cette latence de déchargeest que les NPs émettent par rebond post-inhibiteur, appeléaussi désinhibition [8]. Avant la bouffée de PAs, le poten-tiel post-synaptique inhibiteur (PPSI) indiqué par la flêchn’apparaı̂t qu’en présence du mélange BAL/C15, traduisantainsi une inhibition inter-glomérulaire. B. Taux de syn-chronisation mesuré comme le pourcentage des PAs syn-chronisés entre les deux NPs du toroı̈de en présence dumélange BAL/C15 et en présence du composé simple BAL.(Figure modifiée de [8] avec permission).2.1 Modèles de neurones̀a conductances• Modèle de NPs Le modèle décrit en [7, 10]est un modèle à conductances à quatre équationsdifférentielles qui permet de reproduire la latence dedécharge observée dans les NPs biologiques (Figure1A). La simulation d’une injection de courant hyper-polarisant pendant 100 ms produit une bouffée de PAspar rebond post-inhibiteur avec une latence de 50 ms(Figure 2).Figure 2. Réponse du modèle de neurone à un courantnégatif de courte durée entre 100 et 200 ms.• Modèle de NLs Les rares enregistrements de NLsde Manduca sextaindiquent qu’ils émettent des PAssodiques. Le modèle de NLs que nous proposonsd’utiliser est dérivé du modèle de Hodgkin et Huxley[11].2.2 Modèles de neurones simplifíesBien que les modèles à conductances de NPs et NLsprésentent une certaine plausibilité biologique, ils retentdifficiles à simuler et à analyser mathématiquement. Nousproposons donc de réduire ces modèles à conductances enmodèles à deux équations différentielles seulement pourpermettre, d’une part, la caractérisation de leur dynamiquepar analyse du plan de phase et, d’autre part, la simulationrépétée de réseaux à connectivité aléatoire. La méthode deréduction de modèle que nous utilisons est basée sur celledeKepler et al.[12] qui permet d’aboutir au modèle à deuxéquations différentielles suivant :CdVdt= f(V, u) (1)dudt= g(V, u) (2)Les fonctionsf etg, données dans [12], restent cepen-dant très complexes. Nous effectuons donc une deuxièmeétape pour simplifierf en une fonction quadratique etg enune fonction linéaire. Le modèle final de NPs et NLs s’écritalors comme le modèle d’Izhikevitch[13] :CdVdt= k1 V 2 + k2 V + I − u (3)dudt= a (bV − u) (4)Pour le NP,C = 1 pF , k1 = 0, 133, k2 = 13, 862,a = 0.02 et b = 1. Pour le NL,C = 1 pF , k1 = 0.04,k2 = 5, a = 0.01 et b = 0.25.3 Modèles du complexe macrogloḿerulairePour comprendre le rôle de l’inhibition intra- et inter-glomérulaire dans le codage du mélange phéromonal,nous utilisons différents modèles de complexité crois-sante. Un modèle simple faisant intervenir un uniqueglomérule (cumulus) est tout d’abord utilisé pour étudier lerôle de l’inhibition intra-glomérulaire. Ce modèle esten-suite complété par une voie inhibitrice inter-glomérulaireprovenant du deuxième glomérule (toroı̈de ). Nous pro-posons enfin un modèle du complexe macroglomérulairesous la forme d’un réseau à connectivité aléatoire per-mettant de reproduire les caractéristiques de la réponseobservée en figure 1, à savoir la latence de décharge,l’apparition du PPSI et une meilleure synchronisation desNPs en présence du mélange BAL/C15. Les modèles ontété programmés en C et les simulations ont été faites enutilisant une méthode de Runge-Kutta d’ordre 4 avec unpas de temps de 0.05 ms.3.1 Inhibition intra-glom érulaireLa figure (3) présente un réseau basique uniglomérulaireconstitué de seulement cinq neurones. En l’absencede stimulus, l’activité spontanée du neurone local NL2empêche l’émission des neurones de projection. Enprésence du stimulus C15, le neurone local NL1, excitépar les NROs, inhibe NL2 et fait émettre les neurones deprojection par rebond post-inhibiteur.Figure 3. Schéma de connexion intra-glomérulaire per-mettant l’émission des NPs par rebond post-inhibiteur.Le stimulus (C15) arrive sous la forme d’un créneau decourant dépolarisant sur le neurone local NL1 qui inhibeNL2. L’inhibition spontanée de NL2 sur les NPs est ainsibloquée. Les NPs déchargent alors grâce au mécanisme derebond post-inhibiteur.La figure 4 présente les résultats de simulation duréseau uniglomérulaire (figure 3). Les modèles de neuronessont donnés par les équations (3) et (4).Figure 4. a- Simulation du réseau uniglomérulaire de lafigure 3. Réponse des deux NPs appartenant au mêmeglomérule stimulé par le composé C15.b- Détail des po-tentiels de membranes des NPs simulés entre 300 et 500ms.Un PA arrivant sur une synapse produit unévénement post-synaptique sous la forme d’une expo-nentielle décroissanteg exp(−t/τ) où la conductancesynaptiqueg = −2µS pour une connexion NL-NL etg = −1.1µS pour une connexion NL-NP. En présencede C15, les NPs répondent d’une façon synchrone (Fig-ure 4b). La mesure de la synchronisation montre que 72%des PAs émis par les deux NPs sont synchronisés. Cetaux est cependant moins élevé que celui de 82% trouvéexpérimentalement parLei et al. [8]. Cette différences’explique en partie par la fenêtre de synchronisation tr`esréduite de 1 ms que nous avons utilisée pour considérer quedeux PAs sont synchrones.3.2 Inhibition inter-glom érulaireLe modèle uniglomérulaire précédent est complété par unevoie inhibitrice inter-glomérulaire provenant du deuxi`emeglomérule (toroı̈de ). Dans la figure 5, les neurones ontles mêmes caractéristiques que précédemment. Lorsqueleréseau est stimulé par le C15 seul, la réponse des NPs estla même que dans la figure 2. Lorsqu’il est stimulé par leBAL seul, les NPs sont inhibés par le NL2. En présencedu mélange BAL/C15, la réponse des NPs se traduit parl’apparition d’un PPSI suivi d’une bouffée de PAs émis parrebond post-inhibiteur (voir figure 5).Figure 5. Schéma de connexion inter-glomérulaire perme-ttant l’apparition d’un PPSI et la décharge des neuronesde projection par rebond post-inhibiteur en présence dumélange BAL/C15. Ce mélange arrive sous la forme d’uncréneau de courant dépolarisant sur les neurones locauxNL1 et NL2. Le neurone NL2 inhibe les NPs ce qui setraduit par l’apparition d’un PPSI et, après un certain délaisynaptique, NL1 inhibe NL2. Les NPs déchargent alorsgrâce au mécanisme de rebond post-inhibiteur.Figure 6. a- Simulation du réseau multiglomérulaire dela figure 5. Réponse des deux NPs appartenant au mêmeglomérule stimulé par le mélange BAL/C15.b- Détail despotentiels de membranes des NPs simulés entre 300 et 500ms.La figure 6 présente les résultats de simulation duréseau multiglomérulaire (figure 5). Le taux de synchro-nisation mesuré entre les deux NPs est de 82%, ce quiest plus élevé que dans le cas uniglomérulaire (72%). Onsuppose au deux PAs sont synchrones si la différence en-tre leur temps d’émission est inférieure à la demi-périodemoyenne d’émission (la période moyenne étant l’inversede la fréquence moyenne d’émission).Pour nos simulations, nous introduisons une certainevariabilité sur les entrées reçues par les neurones ainsique sur leurs états initiaux. Le taux de synchronisationest ainsi un moyennage sur le taux de synchronisationde 1000 simulations différentes. La figure 7 compareles taux de synchronisation obtenus expérimentalement etpar simulation, en présence du composé C15 seul ou dumélange BAL/C15. Dans les deux cas, une améliorationdu taux de synchronisation d’environ 10% est obtenue enprésence du mélange BAL/C15. Ceci s’explique par lefait que l’inhibition inter-glomérulaire produit un PPSIper-mettant de relaxer les NPs vers un même point fixe etdonc “d’oublier” leurs états passés. Dès que l’inhibitiondisparaı̂t, les NPs démarrent avec des conditions initialesproches, ce qui améliore leur synchronisation.Figure 7. Comparaison du taux de synchronisation de deuxNPs appartenant au même glomérule en présence du com-posé C15 seul ou du mélange BAL/C15. Les résultatsexpérimentaux sont extraits de [8].3.3 Réseauà connectivit́e aĺeatoireNous généralisons ici les modèles ad hoc de la sec-tion précédente pour obtenir des résultats plus plausi-bles biologiquement. Dans notre modèle du complexemacroglomérulaire, les NROs, NLs et NPs se connectentaléatoirement avec une probabilité de 0.5 selon les règlessuivantes :Régle 1 Inhibition intra-glomérulaire : Un NL reçoit uneentŕee d’un NRO-BAL ou NRO-C15.Régle 2 Inhibition inter-glomérulaire : Un NL-C15(resp. NL-BAL) inhibite un NL-BAL (resp. NL-C15) ouun NP.Régle 3 NP uniglomérulaire : Un NP-C15 (resp. NP-BAL) ne reçoit pas d’entrée directement d’un NL-BAL(resp. NL-C15).Ces régles, résumées dans la figure 8, nous ont permisde générer des réseaux à connectivité aléatoire reproduisantles résultats obtenus précédemment avec des modèles adhoc. Nous ne reportons pas les résultats ici par manque deplace.Figure 8. Réseau générique à connectivité aléatoiredans leglomérule duManduca sexta.4 ConclusionDans cet article, nous avons proposé un modèle ducomplexe macroglomérulaire qui reproduit les donnéesexpérimentales et permet de mettre en lumière le rôle del’inhibition dans la synchronisation neuronale et le codagephéromonal. L’inhibition intra-glomérulaire est respons-able de la latence de décharge des NPs qui émettent pardésinhibition ou rebond post-inhibiteur. L’inhibition iter-glomérulaire produit une hyperpolarisation des NPs qui setraduit par une meilleure synchronisation en présence dumélange phéromonal.References[1] T.A. Christensen, B.P. Waldrop, I.D. Harrow, J.G. Hildebrand, Localinterneurons and information processing in the olfactory glomeruliof the mothManduca sexta, Journal of Comparative Physiology A,173, 1993, 385-399.[2] T.A. Christensen, G. D’Alessandro, J. Lega, J.G. Hildebrand, Mor-phometric modeling of olfactory circuits in the insect antennal lobe:I. Simulation of spiking Local interneurons,BioSystems, 61, 2001,143-153.[3] U. Homberg, T.A. Christensen, J.G. Hildebrand, Structure and func-tion od deutocerebrum in insects,Annual Reviews, 34, 1989, 477-501.[4] J.-P. Rospars, Structure and development of the insect antennod uto-cerebral system.Int. J. Insect Morphol. Embryol., 17:243-294, 1988.[5] J.-P. Rospars, J. 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