These L'universite De Bordeaux

N° d’ordre : 4203 THESE

PRESENTEE A L’UNIVERSITE DE BORDEAUX

ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES DE LA VIE ET DE LA SANTE PAR Nadia KAOUANE

POUR L’OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR SPECIALITE NEUROSCIENCES

______MEMOIRE EMOTIONNELLE NORMALE ET PATHOLOGIQUE : IMPLICATION DES GLUCOCORTICOIDES INTRA-HIPPOCAMPIQUES

Thèse soutenue le 16 décembre 2010

Après avis de : Mme Catherine BELZUNG, PR, INSERM CNRS, Univ. Tours Mme Monique GAUTHIER, PR, CNRS, Univ. Toulouse III

Devant la commission d’examen formée de : Mme Catherine BELZUNG, PR, INSERM CNRS, Univ. Tours...... Rapporteur Mme Monique GAUTHIER, PR, CNRS, Univ. Toulouse III...... Rapporteur M. Serge LAROCHE, DR, CNRS, Univ. Paris-Sud ...... Examinateur Mme Marie-Pierre MOISAN, DR, CNRS INRA, Univ. Bordeaux ...... Examinateur Mlle Aline DESMEDT, MCU, CNRS, Univ. Bordeaux ...... Directeur de thèse M. Jacques MICHEAU, PR, CNRS, Univ. Bordeaux ...... Président du jury

- 2010 -

1 2 Remerciements

Mes premiers remerciement iront tout naturellement au Dr. Georges Di Scala, directeur du Centre de Neurosciences Intégratives et Cognitives, pour m’avoir accueillie au sein de son laboratoire. Je le remercie de son intérêt toujours vif qu’il a pu porter sur mes travaux et sur leur avancée. De sa bienveillance hors pair, il a toujours su exprimer un mot d’encouragement ou de félicitation lorsque nous nous voyons ou même croisions au détour d’un couloir. Je te remercie donc pour toutes les discussions scientifiques ou non que nous avons eu. Je salue également le Dr. Wim Crusio, reprenant à l’année 2011 la direction du laboratoire.

Mes remerciement s’adressent aussi bien évidemment au Dr. Aline Desmedt, ma directrice de thèse, de m’avoir tout d’abord acceptée en stage de Master 2 puis d’avoir renouvelé le contrat pour ces années de thèse. Ce sont les premiers cours qu’elle avait donné en Master sur le vaste sujet des émotions qui ont donné naissance en moi l’envie de travailler moi aussi sur ce sujet. Merci de m’avoir permis de concrétiser cette envie et de m’avoir confié la réalisation de ces travaux de recherche. Un merci également pour la formation que j’ai reçue le long de ces années, tant au niveau théorique qu’expérimental (je ne compte plus les souris opérées, injectées…), ainsi que pour la formation dite de communication scientifique en m’envoyant « vendre » mes posters à de nombreux congrès nationaux et internationaux.

Je remercie les Pr. Catherine Belzung et Monique Gauthier d’avoir évalué ce manuscrit de thèse ainsi que les Dr. Serge Laroche et Marie-Pierre Moisan d’avoir examiné mon travail le jour de la soutenance. Le vaste sujet qu’est mon sujet de thèse a voulu que l’on choisisse des personnalités scientifiques connues pour leur expertise dans des domaines aussi larges et variés que sont les émotions, les processus d’apprentissage, la neurobiologie de la mémoire, jusqu’au stress et la neuroendocrinologie, et ceci tant au niveau fondamental que clinique. Veuillez trouvez ici l’expression de ma gratitude et de ma reconnaissance pour votre disponibilité ainsi que vos remarques et critiques toujours pertinentes, m’ayant poussé maintes fois dans mes retranchements et suscitant des discussions enrichissantes. Je remercie également le Pr. Jacques Micheau d’avoir présidé le jury de thèse. Ce rôle te va si bien... Tu t’es quand même gratiné trois thèses en deux jours, chapeau ! Et désolée pour le « non, il y a aussi 1982 ! » lâché dans une spontanéité déconcertante et suivie d’un fou rire général ! Oui, cette soutenance fut vraiment riche en émotions (facile je sais).

3 Les membres d’une équipe de recherche jouent un rôle important pour faire progresser l’étudiant dans sa démarche scientifique et dans la réalisation expérimentale de ses travaux de thèse. C’est à ce titre que je souhaite donc remercier les membres de l’équipe et ceux qui en ont fait partie : la chef Aline Marighetto, Jacques Micheau, Nicole Mons, Xavier Noguès, Nicole Etxamendy, Ludovic Calandreau, Yves Porte, Laurent Brayda-Bruno. Un grand merci à Aline pour toutes tes réflexions sur mes données de thèse ainsi que ton implication et large contribution dans la rédaction des papiers, merci Jacques pour nos discussions souvent axées sur ton ancien dada qu’est la corticostérone, merci Nicole pour ta formation et participation aux perfusions et à l’immunohistochimie, mais aussi pour toutes nos discussions et pauses café/viennoiseries. Merci Xavier pour tes conseils sur les statistiques, merci Ludovic pour ton expertise sur le conditionnement de peur. Merci Yves pour être venu de nombreuses fois à 7h du mat’ perfuser des souris dans un labo qui n’était pas le tien, pour toutes tes aides et pour tes conseils de « vieux » thésard (ne le prend pas mal hein ?). Merci aussi pour ta formation des TP de Physiologie et tous les bons souvenirs liés, les fous rires et craquages après toute une semaine à faire dix fois le même cours. Je te souhaite une belle carrière de MCU, mais c’est pour quand Prof. Porte ? Merci Laurent, qui a commencé et fini sa thèse en même temps que moi, pour toi aussi t’être tapé les perf à Magendie, pour toute ton aide tout au long de ces années et pour ta formation au ô combien légendaire « Le Radial », que tu maîtrises d’une main de maître ! Maintenant toi aussi tu peux savourer le travail accompli après tant de labeur et de sacrifices, et je suis certaine que tu réussiras dans tout ce que tu entreprendras. Je souhaite enfin saluer et souhaiter une bonne continuation aux nouvelles arrivantes dans l’équipe : Catherine Bennetau, Mylène Potier, Svitlana Poix, Valérie Lamothe, Shaam Al Abed.

Une partie du travail expérimental a été effectué à l’institut Magendie. Je souhaite donc remercier le Dr. Pier-Vincenzo Piazza de m’avoir permis la réalisation de ces travaux au sein de son institut, ainsi que toutes les personnes avec qui j’ai pu interagir scientifiquement ou qui m’ont apporté une aide précieuse au niveau expérimental, notamment (et la liste est longue) Nora Abrous, Muriel Koehl, Jean-Michel Revest, Véronique Deroche-Gamonet, Monique Vallée, Françoise Rougé-Pont, Marie-Françoise Montaron, Sophie Tronel, Noëlle Grosjean et Cédric Dupuy.

Je reviens sur le CNIC, et, bien qu’il soit difficile d’apposer un mot pour chacun, je souhaite remercier l’ensemble des chercheurs, enseignants-chercheurs, personnel technique et

4 administratif et étudiants. Je pense notamment à des personnes comme Etienne Coutureau et Alain Marchand, avec qui j’ai eu le plaisir d’effectuer un stage en plein mois d’août avant le début du Master, stage qui a d’ailleurs révélé ma passion pour les Neurosciences Cognitives. Ils m’ont particulièrement été d’un grand soutien à la fin de ma thèse et je les remercie donc énormément pour leurs critiques avisées et leurs conseils lors d’un hot-topic que j’ai donné et de la préparation de la soutenance de thèse. Je tiens aussi à remercier Jean-Louis Guillou et Daniel Béracochéa pour nos échanges scientifiques autour de notre sujet de prédilection en commun qu’est la mémoire et le stress. Je remercie également Marc Corio, responsable de l’équipe pédagogique en Physiologie, pour m’avoir pris sous son aile, formée aux TP et m’en avoir confiées de si nombreux. Enfin, je suis particulièrement reconnaissante envers le personnel d’animalerie, Dominique Panzeri, Nathalie Argenta et Jennifer Huard, pour avoir pris soin de mes souris et même parfois de moi-même !, Angélique Faugère et Laurence Decorte pour leur aide considérable en histologie et immunohistochimie, ainsi que Marie- Laure Rousseau et Karine Dupuy pour tout ce qui était paperasse, commandes, et aussi préparation logistique de cette fin de thèse.

Un grand merci aux étudiants qui ont permis bien de moments agréables, de détente, de fous rires et de déconne dans cette vie de thésard de fou ! Des conneries plus ou moins grasses de Laurent, à Yves qui a toujours une aventure à raconter, en passant par les histoires toujours loufoques et la spontanéité de Malorie, je garderai de ces années de thèse passées en votre compagnie des souvenirs inoubliables ! Mais vous avez aussi été d’une aide précieuse et d’un réconfort à toute épreuve. Merci à vous pour votre sympathie, votre bonne humeur et votre gentillesse.

Cette période n’aurait pas eu la même saveur et cette thèse n’aurait certainement pas été de la même qualité sans une personne : Fabien. Ça a commencé par des interactions scientifiques, des débats constructifs, des réunions « j’t’interprète mes dernières données », des échanges d’idées de manip quasi illimitées. Puis en plein cœur de la période de rédaction, tu m’as coachée, soutenue, aidée. Tu as corrigé en des temps records bien des versions de ma thèse et de mes articles, jusqu’à ne plus pouvoir voir en peinture le mot « glucocorticoïdes ». Toi qui en plus à l’époque n’étais qu’en fin de deuxième et début de troisième année de thèse, avec bien évidemment ton propre travail à accomplir et ce d’ailleurs d’une manière remarquable, on peut dire que tu as déjà écrit une thèse et quatre articles ! Et tu as été d’une force incroyable à me supporter pendant toute cette période-là, dans mes doutes et mes

5 plaintes, mes excès de stress et toute la série « je fais/j’écris/je dis de la merde ». Pour tout ça je t’en remercie infiniment. Maintenant à mon tour d’être là.

Je souhaite aussi remercier les extérieurs au labo, Aurélien, Quentin, Guillaume, Eugénie et Ilhame. On a fait nos classes ensemble, en Master Neurosciences, puis chacun pris une direction différente. A notre éloignement géographique se sont ajoutés nos emplois du temps de ministre. Un jour on se le fera ce week-end à Londres, ou même n’importe où sur le globe les amis ! Merci aussi à Jess. Une perle. L’amie de toute une vie. Bon on s’réserve le pub pour les 50 prochaines années ?

Enfin, je souhaite remercier deux personnes de ma famille qui me sont extrêmement chères, ma mère et mon frère. Maman, tu sais que cette thèse représente beaucoup, à moi comme à toi. Merci d’avoir été là, de m’avoir encouragée, supportée, et ce à chaque étape. Promis, les études c’est fini ! Merci Aurélien, mon frère adoré, d’avoir été présent. Tu as été beau, tu as été grand ! S’il n’y avait pu avoir que toi dans l’assemblée, je t’aurais fait ma thèse à la Gad Elmaleh !

6 Avant-propos

Ce travail de thèse a été effectué au sein du Centre de Neurosciences Intégratives et Cognitives (CNIC, CNRS UMR 5228) de l’Université de Bordeaux, sous la direction du Dr Aline Desmedt. Ce travail a fait l’objet de trois publications en préparation, d’une publication en collaboration et de communications orales et affichées.

• Publications en préparation ou en cours de soumission Kaouane N., Porte Y., Calandreau L., Mons N., Marighetto A., Piazza P.V. & Desmedt A. Glucocorticoids can induce PTSD-like memory impairment in mice.

Kaouane N., Marighetto A., Segal M. & Desmedt A. Opposite effects of glucocorticoids on fear memories in dorsal vs. ventral hippocampus.

Kaouane N., Marighetto A. & Desmedt A. Glucocorticoids impair relational/declarative memory in mice previously exposed to stress.

• Publication en collaboration Revest J.M., Kaouane N., Mondin M., Le Roux A., Rougé-Pont F., Vallée M., Barik J., Tronche F., Desmedt A. & Piazza P.V. (2010) The enhancement of stress-related memory by glucocorticoids depends on synapsin-Ia/Ib. Molecular Psychiatry, 15:1140-1151.

• Communication orale Kaouane N.. Effets opposés de la corticostérone dans l'hippocampe dorsal vs. ventral sur les réponses de peur conditionnées. Hot Topic, CNIC, October 21, 2010.

• Communications affichées Kaouane N., Calandreau L., Esclassan F., Tronel S., Mons N., Jaffard R., Abrous D.N., Piazza P.V. & Desmedt A. Boundary conditions of corticosterone-dependent alteration of conditioned fear responses. Second France-Israel binational Neuroscience Conference, Neuromodulation in High Brain Function, Bordeaux, July 2-4, 2007.

Kaouane N., Calandreau L., Esclassan F., Tronel S., Mons N., Jaffard R., Abrous D.N., Piazza P.V. & Desmedt A. Role of hippocampal corticosterone in the switch from normal to pathological aversive memories. 39th Annual General Meeting of the European Brain and Behaviour Society, Trieste, Italy, September 15-19, 2007.

Kaouane N., Calandreau L., Esclassan F., Tronel S., Mons N., Jaffard R., Abrous D.N., Piazza P.V. & Desmedt A. Boundary conditions of corticosterone-dependent enhancement or alteration of memory consolidation. - 6th Forum of European Neuroscience, Geneva, Switzerland, July 12-16, 2008. - 1st Aquitaine Conference in Neuroscience “Memory in health and disease”, Arcachon, France, October 14-17, 2008. - 6th conference of NeuroMem (Research Group 2905), Aussois, France, December 15-17, 2008.

7 Kaouane N., Calandreau L., Porte Y., Piazza P.V. & Desmedt A. From adaptive to maladaptive conditioned fear responses: the critical role of intra-hippocampal corticosterone. 9th congress of French Neuroscience Society, Bordeaux, France, May 26-29, 2009.

Kaouane N., Calandreau L., Porte Y., Piazza P.V. & Desmedt A. Post-training intrahippocampal infusions of corticosterone promote, preserve or disrupt conditioned fear responses depending on the stressful situation. 41st Annual General Meeting of the European Brain and Behaviour Society, Rhodes, Greece, September 14-18, 2009.

Kaouane N., Segal M. & Desmedt A. Contrasting effects of corticosterone on fear memories in dorsal vs. ventral hippocampus. 1st Symposium of the Neurocentre Magendie, Bordeaux, France, September 9-10, 2010.

Résumé

Une mémoire émotionnelle normale se base sur la sélection de stimuli prédictifs d’un événement important pour l’individu. Cependant, ce processus de sélection peut être compromis en situation de forte intensité émotionnelle. En particulier, la sélection d’un élément saillant non nécessairement prédictif, associée à une amnésie de type déclaratif pour les éléments contextuels, caractérise les altérations mnésiques de l’état de stress post- traumatique (ESPT). Les données de la littérature suggèrent que l’action de glucocorticoïdes dans l’hippocampe serait l’une des causes possibles du développement de troubles mnésiques de type ESPT. Nos travaux ont porté sur les conditions dans lesquelles les glucocorticoïdes dans l’hippocampe peuvent altérer les fonctions mnésiques chez la souris. En utilisant des procédures de conditionnement classique aversif, nous montrons que l’injection post-apprentissage de corticostérone dans l’hippocampe dorsal, en situation de forte intensité émotionnelle, conduit (1) à une sélection incorrecte du stimulus saillant non prédictif du choc électrique au détriment des éléments contextuels (2) et à des dysfonctionnements d’activité neuronale au sein du circuit hippocampo-amygdalien (expression de c-Fos). De façon intéressante, par une action sur le même type de récepteurs (aux glucocorticoïdes, GR), l’injection de corticostérone dans l’hippocampe ventral conduit également à un processus incorrect de sélection du stimulus prédictif mais en faveur des éléments contextuels. Enfin, un apprentissage en labyrinthe radiaire révèle que l’injection de corticostérone dans l’hippocampe dorsal altère spécifiquement la mémoire relationnelle, analogue de la mémoire déclarative humaine, uniquement chez les animaux ayant été au préalable exposés à un stress. L’ensemble de nos données révèlent qu’un excès de glucocorticoïdes dans l’hippocampe contribue (1) à des déficits de mémoires émotionnelle et relationnelle, (2) à la sélection inadaptée de stimuli non prédictifs d’un événement aversif (3) reposant sur des dysfonctionnements du circuit hippocampo-amygdalien, le tout, correspondant à des altérations mnésiques de type ESPT.

Mots-clefs : conditionnement aversif, intensité émotionnelle, stress, mémoire relationnelle, consolidation, hippocampe, amygdale, glucocorticoïdes, GR, gènes précoces, souris.

Abstract

Normal emotional memory is based on the selection of cues predicting threatening events. However, exposure to extreme threatening situation can compromise the selection of the correct cues. In particular, selection of a salient not necessarily predictive cue, associated with declarative amnesia for peritraumatic contextual cues, characterizes the memory disturbances of posttraumatic stress disorder (PTSD). Accumulating evidence suggest that action of glucocorticoids into the hippocampus could be a potential mechanism for PTSD- related memory disturbances. Hence, we studied the conditions for which glucocorticoids into the hippocampus can alter memory functions in mice. Using Pavlovian fear conditioning, we showed that post-training infusion of glucocorticoids in the dorsal hippocampus, in stressful situation, resulted in (1) selection of a salient non predictive cue instead of contextual cues and in (2) dysfunctions of neural activity of the hippocampal-amygdalar circuit (c-Fos expression). Interestingly, via action on the same receptor subtype (glucocorticoid receptors, GR), infusion of glucocorticoids in the ventral hippocampus also resulted in incorrect selection of predictive cue but in favor of contextual cues. Finally, using radial-maze task, we showed that infusion of glucocorticoids in the dorsal hippocampus specifically impaired relational declarative-like memory, only in mice previously exposed to stress. Altogether, our findings reveal that excess glucocorticoids in the hippocampus contributes to (1) deficits in emotional and relational memories, (2) incorrect selection of predictive cues (3) based to dysfunctions of the hippocampal-amygdalar circuit, all, corresponding to PTSD-related memory disturbances.

Key words: fear conditioning, emotional intensity, relational memory, consolidation, hippocampus, amygdala, stress, glucocorticoids, GR, immediate early genes, mice.

SOMMAIRE

INTRODUCTION GENERALE ...... 17

PARTIE I. La mémoire émotionnelle normale et pathologique ...... 19 A. Le polymorphisme de la mémoire...... 19 B. La mémoire émotionnelle...... 22 C. Un cas de mémoire émotionnelle pathologique : l’état de stress post-traumatique.... 26 1. Symptomatologie de l’ESPT ...... 26 2. Données neurobiologiques de l’ESPT...... 28 3. Epidémiologie de l’ESPT...... 30 4. Mécanismes physiopathologiques hypothétiques de l’ESPT...... 31 D. Modèle animal de l’altération mnésique de l’ESPT...... 32 1. Profil hypermnésie/amnésie ...... 32 2. Déficit spécifique de la mémoire déclarative...... 34

PARTIE II. Le conditionnement aversif : un modèle d’apprentissage de la mémoire émotionnelle ...... 37 A. Définition et intérêts du conditionnement aversif ...... 37 B. Lois gouvernant le conditionnement classique : prédiction du SI ...... 39 C. Conditionnement à un stimulus discret et conditionnement au contexte...... 40 1. Définitions d’un stimulus discret et d’un contexte...... 41 2. Implication du contexte dans le conditionnement aversif...... 41 3. Sélection du prédicteur majeur du SI ...... 43 4. Sélection correcte ou incorrecte du prédicteur majeur du SI...... 45 D. Bases neurobiologiques de la sélection du prédicteur majeur du SI : le circuit hippocampo-amygdalien...... 47 1. L’amygdale...... 47 a) Généralités b) Anatomie et connectivité c) Rôle de l’amygdale dans le conditionnement aversif

2. L’hippocampe...... 56 a) Généralités b) Anatomie et connectivité c) Hippocampe dorsal et hippocampe ventral d) Hippocampe et représentation élaborée de l’expérience e) Rôle de l’hippocampe dans le conditionnement aversif 3. Modèle putatif du conditionnement aversif...... 65

PARTIE III. Les glucocorticoïdes : un rôle clef dans la modulation de la mémoire ...... 67 A. Le concept de stress...... 67 B. Physiologie de l’axe corticotrope...... 69 1. Stimulation de la libération des glucocorticoïdes...... 69 2. Rétrocontrôle négatif...... 70 3. Rythmes biologiques ...... 71 C. Les glucocorticoïdes ...... 71 1. Définition...... 71 2. Biosynthèse et circulation des glucocorticoïdes...... 72 3. Récepteurs aux glucocorticoïdes...... 74 a) Récepteurs intracellulaires b) Récepteurs membranaires D. Actions des glucocorticoïdes sur le système nerveux central ...... 78 1. Actions sur la plasticité neuronale ...... 79 2. Actions sur la mémoire ...... 80 a) Actions des glucocorticoïdes sur le conditionnement aversif b) Actions des glucocorticoïdes sur la mémoire spatiale/relationnelle

OBJECTIFS GENERAUX DES TRAVAUX DE THESE ...... 85

CHAPITRE 1 : Implication des glucocorticoïdes intra-hippocampiques dans l’induction d’altérations de la mémoire émotionnelle de type ESPT (Article 1) ...... 87

CHAPITRE 2 : Effets opposés des glucocorticoïdes dans l'hippocampe dorsal vs. ventral sur les réponses de peur conditionnées (Article 2) ...... 113

CHAPITRE 3 : Altération de la mémoire relationnelle par les glucocorticoïdes intra- hippocampiques : vulnérabilité par un stress antérieur (Article 3) ...... 141

DISCUSSION GENERALE...... 163 A. Conditions favorisant l’apparition d’altérations mnésiques de type ESPT...... 166 1. Forte intensité émotionnelle ...... 166 2. Activation excessive des GR de l’hippocampe ...... 168 3. Effets opposés des glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal vs. ventral ...... 170 4. Glucocorticoïdes, épisodes de stress et vulnérabilité ...... 173 B. Altérations mnésiques de type ESPT : dysfonctionnements du circuit hippocampo- amygdalien et sélection inadaptée de stimuli prédictifs...... 174 1. Déficit de mémoires dépendantes de l’hippocampe...... 174 2. Altérations hippocampiques et rôle de l’amygdale dans la consolidation de l’événement traumatique...... 176 3. Altérations mnésiques de type ESPT ...... 178 Conclusion et perspectives...... 181

ANNEXES...... 183

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES...... 199

INTRODUCTION GENERALE

18 INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle

PARTIE I. La mémoire émotionnelle normale et pathologique

Une définition classique de la mémoire est la capacité pour un organisme vivant d’acquérir, de conserver, puis de restituer ou d’utiliser des informations ou un comportement (Delacour, 1984). Cette définition simple nous renseigne sur les fonctions générales de la mémoire. Néanmoins, elle ne nous renseigne pas sur l’aspect polymorphe de la fonction mnésique et ne précise pas la nature des informations que cette fonction peut traiter. En particulier, la mémoire n’est pas un processus passif par lequel nous mémorisons de façon équivalente toutes les informations de notre environnement et de notre vie. En effet, le contexte dans lequel les informations sont présentées filtre, module et conditionne son stockage et sa restitution ultérieure (McEwen & Sapolsky, 1995). Un important filtre est la connotation émotionnelle de la situation. Comme exemple typique, la majorité d’entre nous peut se rappeler précisément du lieu où nous étions lorsque nous avons appris l’attentat du 11 septembre 2001, tandis qu’il est difficile de se rappeler d’un détail d’un jour quelconque, sans événement marquant particulier. Ainsi, il existe une forme de mémoire facilitée par les émotions, une « mémoire émotionnelle ». En revanche, à la suite d’un événement émotionnel intense à extrême, la mémoire peut être sévèrement altérée chez l’Homme, comme cela est observé dans des états psychopathologiques tels que l’état de stress post-traumatique (ESPT). Dans notre exemple, certaines personnes ayant vécu de très près l’événement du 11 septembre ont développé un ESPT, avec une prévalence de l’ordre de 20 % (Galea et al., 2002). Le tableau clinique des troubles mnésiques de l’ESPT est bien caractérisé dans le Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders (DSM-IV) (APA, 2000). Il est défini par une hypermnésie de l’événement associée à une amnésie pour les éléments contextuels. Cependant, les bases neurobiologiques et les mécanismes physiopathologiques de l’ESPT restent encore méconnus. Dans ce contexte, mes travaux de thèse visent à déterminer chez le rongeur les conditions dans lesquelles une situation émotionnelle peut altérer les processus mnésiques et conduire à des troubles mnésiques de type ESPT. Dans cette première partie de l’introduction, nous définirons les différentes formes de mémoire (A) et la mémoire émotionnelle normale (B) avant de présenter les troubles mnésiques de type ESPT (C) ainsi que les modèles animaux actuels de l’ESPT et leurs limites (D).

19 INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle

A. Le polymorphisme de la mémoire

L’existence de différentes formes de mémoires est communément admise. Les études chez l’Homme et chez l’animal on conduit à définir différentes formes de mémoire pouvant être dissociées en fonction de la durée de rétention (mémoire à court terme vs. mémoire à long terme), la nature des informations traitées, le mode de rappel des informations et les structures cérébrales impliquées. Depuis des décennies, les neuroscientifiques s’attachent à classifier les différents types de mémoire en se fondant sur des dichotomies variées (Cohen & Squire, 1980; Schacter, 1987; Baddeley, 1988; Schacter & Tulving, 1994). Sur la base de nombreuses observations chez l’Homme et chez l’animal, Squire a proposé un modèle dichotomique qui est largement utilisé comme référence en Neurosciences (Squire, 1992, 2004). Dans cette classification, la mémoire à long terme est divisée en deux systèmes majeurs (Figure 1). D’une part, la mémoire déclarative, accessible à la conscience et dont le contenu peut être verbalisé (décrit), permet une récupération explicite d’informations. La mémoire déclarative dépend essentiellement de l’intégrité de la formation hippocampique. Elle regroupe la mémoire sémantique (mémoire des faits et des concepts) et la mémoire épisodique (mémoire autobiographique). Cette dernière forme de mémoire serait selon Tulving (1983) une reconstitution ou une reconstruction mentale consciente d’événements passés vécus personnellement. Cette mémoire implique une indexation temporelle et contextuelle (date, lieu, état émotionnel) des événements et une utilisation flexible des informations acquises (Cohen, 1984; Eichenbaum et al., 1992). D’autre part, la mémoire non déclarative ou implicite regroupe une grande variété de capacités mnésiques (p. ex., habiletés perceptives, motrices ou cognitives, amorçage, conditionnement classique) qui s’expriment au travers d’une performance, éventuellement à l’insu du sujet, plutôt que sous la forme d’une récupération consciente d’informations. Ces diverses capacités mnésiques ont en commun le fait que leurs substrats neurobiologiques respectifs ne semblent pas strictement dépendre de l’hippocampe. Dans nos travaux, nous nous sommes particulièrement intéressés au conditionnement classique. L’amygdale sous- tend cette forme d’apprentissage associatif qui implique l’attribution d’une signification émotionnelle à un stimulus à l’origine neutre, conduisant à l’expression de réponses conditionnées émotionnelles (RCE) à ce stimulus. De façon comparable, Schacter (1987) a distingué la mémoire explicite de la mémoire implicite. La mémoire explicite se réfère à la récupération intentionnelle d’une expérience

20 INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle antérieure alors que la mémoire implicite ne suppose aucune récupération volontaire de l’expérience passée. Une critique fréquente du modèle de Squire est que très peu d’éléments sont donnés sur les interactions possibles entre les différents systèmes de mémoire. Or s’il y a bien plusieurs systèmes, alors ceux-ci doivent pouvoir interagir afin de fonctionner de manière cohérente dans le but d’induire un comportement adapté à une situation donnée. Ces relations ont été évoquées par un certain nombre d’auteurs (Jaffard & Meunier, 1993; Kim & Baxter, 2001; White & McDonald, 2002; Poldrack & Packard, 2003).

Mémoire à long terme

Mémoire déclarative Mémoire non déclarative (explicite) (implicite)

Épisodique Sémantique Procédurale Amorçage Conditionnement Apprentissages classique non associatifs LOBE TEMPORAL MEDIAN STRIATUM NEOCORTEX VOIES REFLEXES

Réponses Muscles émotionnelles squelettiques AMYGDALE CERVELET

Figure 1. Classification des systèmes de mémoire d’après Squire (Squire, 2004). Cette taxonomie est centrée sur l’hippocampe et associe chaque forme de mémoire à une structure cérébrale particulièrement importante.

Dans le cadre de la mémoire et des émotions, il ressort de ce modèle une distinction entre une composante déclarative/explicite dépendante de l’hippocampe et une composante non déclarative/implicite impliquant une composante émotionnelle qui dépend, elle, de l’amygdale. Cette distinction se base notamment sur des études ayant révélée une double dissociation entre ces deux formes de mémoires. En particulier, des études neuropsychologiques chez l’Homme ont mis en évidence qu’un sujet présentant une lésion bilatérale de l’hippocampe pouvait exprimer des RCE normales (réponses électrodermales) à divers types de stimuli conditionnels, alors qu’il était incapable de rapporter explicitement,

21 INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle via un questionnaire, l’expérience de conditionnement passée ayant conduit à ces RCE. Inversement, un patient présentant une lésion bilatérale de l’amygdale présentait une altération sélective de la RCE mais pouvait, lui, rappeler explicitement l’expérience de conditionnement vécue en précisant même le stimulus qui était prédictif du stimulus aversif (Bechara et al., 1995). De façon similaire, des études menées chez le singe ont également montré une altération spécifique de la réactivité émotionnelle à divers stimuli sensoriels sans déficit mnésique après lésion amygdalienne. En revanche, un déficit mnésique dans une épreuve de discrimination d’objets associé à une réactivité émotionnelle normale était observé après lésion de l’hippocampe et des aires corticales associées (Zola-Morgan et al., 1991). Bien que les systèmes explicite et implicite/émotionnel puissent fonctionner de façon dissociée, ils peuvent aussi interagir lorsque notamment mémoire et émotion sont co- occurrents (Phelps, 2004). Dans l’étude de Bechara décrite ci-dessus, chez un sujet sain, la capacité de rappel conscient de l’expérience de conditionnement coexiste avec l’expression d’une RCE. Ces deux composantes de la mémoire émotionnelle, bien que sous-tendues par différents substrats neurobiologiques (Phelps, 2004), relèvent de systèmes de mémoire en interaction afin de sous-tendre un comportement adapté à une situation donnée.

B. La mémoire émotionnelle

Une émotion peut être définie comme une réaction affective intense à un événement réel ou imaginaire, associée à des perturbations transitoires de l’équilibre interne d’un organisme. Elle se manifeste par un ensemble de réactions complexes comprenant des réactions comportementales, des réponses physiologiques (neurovégétatives) et une sensation subjective (le ressenti de l’individu) (Dantzer, 1988; Belzung, 2007). Des études chez l’Homme ont permis de mettre en évidence l’impact d’un état émotionnel sur les fonctions cognitives. En particulier, les études neuropsychologiques de Damasio ont mis en évidence que des patients atteints de lésions cérébrales (cortex préfrontal ventro-médian ou amygdale) se montrent incapables d’effectuer des choix et présentent également un déficit sur le plan émotionnel. Damasio conclu que des déficits sur le plan émotionnel se répercutent sur des processus cognitifs tels que la prise de décision. Ces études ont données lieu à l’hypothèse des « marqueurs somatiques » (Damasio et al., 1991; Damasio, 1995). Celle-ci postule qu’un état du corps, perçu comme une émotion, attribue des poids émotionnels positifs ou négatifs à une

22 INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle option particulière, conduisant le sujet à sélectionner ou à rejeter cette option parmi un nombre élevé de solutions possibles. Cela suggère qu’un état émotionnel module et oriente des traitements cognitifs. Cette hypothèse qui a été formulée dans le cas de la prise de décision peut être étendue aux processus de sélection d’informations pertinentes en vue d’une consolidation mnésique et d’une restitution ultérieure. La mémoire émotionnelle fait ainsi référence à l’attribution d’une signification émotionnelle à un stimulus ou à un événement, promouvant ainsi sa rétention mnésique. En relation avec la définition de la mémoire de Delacour (1984), la mémoire émotionnelle peut être définie comme la faculté d’acquérir, de consolider et de restituer des informations connotées émotionnellement. Il est à préciser que la mémoire émotionnelle inclut à la fois la modulation de souvenirs épisodiques et l’expression de réponses conditionnées émotionnelles. En ce sens, elle reposerait à la fois sur le système de mémoire déclarative/explicite (épisodique) et sur le système de mémoire non déclarative/implicite (réponses conditionnées émotionnelles) (Phelps & LeDoux, 2005).

• Modulation émotionnelle de la mémoire épisodique Williams James (1890) a été l’un des premiers à décrire comment l’émotion affecte la mémoire en écrivant qu’« une expérience peut être si émotionnellement excitante qu’elle laisse presque une cicatrice sur les tissus cérébraux ». Cette description laissait déjà sous- entendre qu’une charge émotionnelle portée par un événement faciliterait la consolidation du souvenir de cet événement. Cette notion a été ensuite étudiée par Colgrove (1899) en notant que la majorité des personnes pouvaient décrire avec beaucoup de détails, même 30 ans après, les événements du jour où ils ont appris l’assassinat du Président Lincoln. Ce type de souvenirs rapidement formés, très détaillés et durables grâce aux émotions suscitées par l’événement a été appelé « souvenirs flashes » (flashbulb memories) par Brown et Kulik (1977). Ce phénomène a permis de mettre en lumière les influences positives des émotions sur la mémoire et contribua à l’essor des recherches sur ce sujet. Cependant, les « souvenirs flashes » sont assez rares, intervenant généralement pour des événements publics, inhabituels et extrêmement marquants. Les événements plus personnels, habituels et ordinaires sont eux aussi sujets à des modulations par les émotions (Phelps, 2004). En effet, nous construisons nos souvenirs en fonction de la richesse émotionnelle des événements vécus. Le souvenir d’un événement émotionnellement connoté est généralement accru et plus durable que celui d’un événement relativement neutre (McGaugh, 2003). Ainsi,

23 INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle un aspect de la mémoire émotionnelle correspond à une facilitation de la mémoire épisodique en raison de la charge émotionnelle portée par l’événement vécu. Emotions et souvenirs épisodiques impliquent tous deux le lobe temporal médian, comprenant l’amygdale et l’hippocampe anatomiquement proches et étroitement interconnectés. Il a été clairement montré que l’éveil émotionnel facilite la mémoire épisodique par l’influence de la région cérébrale clef des émotions (l’amygdale) sur la région nécessaire à la mémoire épisodique (l’hippocampe) (Phelps, 2004). Depuis les années 1960, les études de McGaugh chez l’animal ont conduit à la description des mécanismes neurobiologiques sous-tendant cette fonction de l’amygdale (McGaugh, 2000, 2004). Cette problématique a pu ensuite être étudiée chez l’Homme avec l’étude de patients qui, porteurs de lésions amygdaliennes, ne présentaient pas d’amélioration typique de la mémoire épisodique vis-à-vis d’événement émotionnellement connotés (Cahill et al., 1995). De plus, les premiers travaux d’imagerie cérébrale montrent que le niveau d’activation de l’amygdale induit par un éveil émotionnel lors de l’encodage d’une information prédit sa rétention explicite ultérieure (Cahill et al., 1996). Il a été aussi montré que l’influence de l’éveil émotionnel sur la mémoire implique des hormones libérées lors de l’événement chargé émotionnellement (McGaugh & Roozendaal, 2002; Roozendaal et al., 2009). Ce sont les hormones surrénaliennes de stress : l’adrénaline (hormone adrénalosurrénalienne) et les glucocorticoïdes (hormones corticosurrénaliennes). Les études chez l’Homme ont montré que l’injection de ces hormones ou l’exposition à un stress, lequel est associé à une libération de ces hormones accroit les performances mnésiques pour des informations émotionnellement chargées (Cahill & Alkire, 2003; Cahill et al., 2003). Les études chez l’animal ont pu préciser que ces hormones modulent la fonction mnésique en agissant sur les structures cérébrales du lobe temporal médian (hippocampe et amygdale) (de Kloet et al., 1999; McGaugh & Roozendaal, 2002; Roozendaal et al., 2009). Les mécanismes impliqués dans l’influence des émotions sur la mémoire épisodique qui ont été largement explorés portent sur la consolidation mnésique dépendante de l’hippocampe (McGaugh, 2004; Phelps & LeDoux, 2005). La consolidation est un processus par lequel une trace mnésique d’abord transitoire et labile est convertie en une mémoire à long terme relativement durable, stable et résistante. Elle constitue une opération de sélection et de filtre des informations. Pendant cette période de temps limitée, la mémoire est sensible à divers agents amnésiants ou promnésiants. L’éveil émotionnel est un puissant modulateur de la consolidation mnésique, favorisant la sélection des informations à consolider et l’accroissement de la mémoire pour ces informations (McGaugh, 2003).

24 INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle

• Réponses conditionnées émotionnelles Les données présentées ci-dessus soulignent l’importance de l’état émotionnel dans la facilitation de souvenirs épisodiques. Cependant, la mémoire pour des événements émotionnels n’implique pas forcément, ou seulement, un traitement élaboré et conscient de l’événement et une restitution explicite des informations. Des informations peuvent aussi être traitées et restituées de manière relativement implicite, automatique, sous la forme de réponses comportementales ou autonomes (Phelps & LeDoux, 2005). Cette forme de mémoire s’inscrit alors dans le cadre d’un apprentissage associatif émotionnel. Dans ce cas, il s’établit de façon inconsciente et automatique une association conditionnée entre un stimulus et une valeur émotionnelle, et l’expression ultérieure d’une RCE ne nécessite aucune représentation consciente de l’apprentissage. L’amygdale est essentielle dans l’acquisition, la consolidation de l’association conditionnée et l’expression ultérieure de RCE. Souvent, l’aspect explicite et l’aspect implicite de la mémoire émotionnelle s’expriment en même temps. Mais des cas pathologiques permettent d’observer spécifiquement l’expression implicite de la mémoire émotionnelle. Des patients présentant une lésion de l’hippocampe peuvent former un souvenir pour un événement émotionnel, non pas dans un registre épisodique, mais dans un format plus implicite dépendant de l’amygdale, attesté par l’expression automatique d’une RCE. C’est par exemple le cas de la patiente de Claparède qui exprime des RCE sans avoir le souvenir explicite de l’expérience initiale ayant conduit à ces réponses. Comprendre comment un stimulus à l’origine neutre acquiert une connotation émotionnelle, et est ainsi sélectionné parmi un nombre important d’autres stimuli puis mémorisé, apparait comme un objectif majeur des études sur les interactions entre mémoire et émotions. Cet aspect de la mémoire émotionnelle peut être facilement étudié chez l’animal par le conditionnement classique aversif.

• Qu’est-ce qu’une mémoire émotionnelle « normale » ? Dans le cas d’un événement émotionnellement connoté, une mémoire émotionnelle normale implique une composante épisodique. En effet, un individu doit être capable de rappeler explicitement un événement vécu dans son ensemble et être conscient que cet événement rappelé appartient à son histoire personnelle et fait référence à une date et un contexte précis. Une indexation temporelle et contextuelle caractérise donc ces souvenirs. De plus, la mémoire épisodique se base sur une mise en relation des différents éléments

25 INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle composant l’événement (Cohen, 1984; Eichenbaum et al., 1992), éléments pouvant être importants pour l’histoire du sujet. Dans une perspective évolutionniste, un éveil émotionnel connote un stimulus ou un événement qui est susceptible d'avoir un intérêt à la fois immédiat et ultérieur pour la survie de l’individu. En conséquence, il est adaptatif d’accroitre la mémoire pour ces stimuli émotionnellement connotés, assurant ainsi que des informations potentiellement importantes pour le sujet seront accessibles à l’individu dans des situations ultérieures. Une telle facilitation de la mémoire s’applique notamment aux expériences déplaisantes ou aversives qui constituent un danger potentiel pour l’individu (McGaugh, 2000). Afin que cette mémoire soit adaptative, les RCE doivent être spécifiquement adaptées aux situations vécues, c’est-à- dire évoquées par le stimulus le plus prédictif de l’événement aversif (Bonne et al., 2004). En conclusion, la mémoire émotionnelle implique la sélection de stimuli prédictifs d’un événement critique pour l’individu.

C. Un cas de mémoire émotionnelle pathologique : l’état de stress post- traumatique

Certains événements émotionnels sont extrêmement intenses, voire traumatiques (p. ex., guerre, catastrophe naturelle, violences physiques/morales, accident grave). En général, la mémoire émotionnelle qui en résulte est particulièrement forte, vivace, durable, mais tout en s’inscrivant dans un registre épisodique. Cependant, à l’issue d’un événement traumatique, certaines personnes développent de sévères troubles de la mémoire, lesquels constituent un aspect fondamental de la symptomatologie de l’état de stress post-traumatique (ESPT). On bascule ainsi dans une forme pathologique de la mémoire émotionnelle.

1. Symptomatologie de l’ESPT

• Critères diagnostiques Le DSM-IV classe l’ESPT dans les troubles anxieux et le caractérise par plusieurs classes de critères diagnostiques (APA, 2000) que nous présentons ici de façon synthétique. La personne doit avoir été exposée à un événement traumatique présentant les deux éléments suivants (critères A) : l’événement a constitué une menace pour l’intégrité physique

26 INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle du sujet ou d’une autre personne ; la réponse de la personne à l’événement doit comprendre une peur intense, un sentiment d’impuissance ou d’horreur. Trois classes de critères caractérisent ensuite les symptômes de l’ESPT. L’événement traumatique est constamment revécu de diverses manières (critères B). Le sujet a des souvenirs ou des cauchemars répétitifs et envahissants de l’événement, provoquant un sentiment de détresse et durant lesquels l’événement est remis en scène sur tous les plans sensoriels et émotionnels. On observe souvent un sentiment intense de détresse psychologique et une réactivité physiologique intense (p. ex., tachycardie, transpiration, sensation de froid, tremblements) lors de l’exposition à des indices évoquant un aspect de l’événement traumatique. Les stimuli associés à l’événement traumatique sont évités de manière durable (critères C). Cet évitement des souvenirs peut inclure l’amnésie d’un aspect important de l’événement traumatique (critère C3). Il est aussi observé une diminution de la réactivité au monde extérieur, appelée « émoussement psychique ». Le sujet peut aussi avoir le sentiment de ne pas avoir d’avenir possible. Enfin, le sujet peut présenter des symptômes d’hyperéveil ou d’anxiété (critères D). Ces symptômes peuvent comprendre un état d’hypervigilance ou des réactions exagérées de sursaut. Le diagnostic de l’ESPT suppose que ces perturbations se manifestent durant plus d’un mois (critère E) et entraînent une souffrance significative ou une détérioration des activités sociales et professionnelles (critère F).

• Altération paradoxale de la fonction mnésique La symptomatologie de l’ESPT indique que des altérations de la fonction mnésique constituent un déficit fondamental de cette pathologie (Elzinga & Bremner, 2002; Layton & Krikorian, 2002). En effet, les sujets présentent le plus souvent une hypermnésie pour un élément particulièrement saillant du trauma, souvent fortement chargé émotionnellement (p. ex., le couteau d’une agression, le bruit d’un hélicoptère) mais pas nécessairement prédictif du choc traumatique (p. ex., une odeur particulièrement marquante). Les sujets gardent des souvenirs exacts de cet élément, comme si au moment de l’événement leur attention s’était focalisée sur cet élément symbolisant le danger. De plus, cette hypermnésie de type déclaratif est associé, sur un plan implicite, à l’expression d’une peur intense et incontrôlée lors d’expositions ultérieures à des stimuli rappelant ceux du trauma dans des contextes différents du contexte original (Foa et al., 1992).

27 INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle

En revanche, les sujets sont incapables de rappeler consciemment d’autres aspects importants de l’événement (p. ex., le lieu de l’agression ou du combat). Ce déficit correspond à une amnésie de type déclaratif portant sur les éléments contextuels péri-traumatiques. Des études neuropsychologiques ont révélé de sévères déficits de la mémoire déclarative, évaluée sur des aspects propres à l’événement traumatique (Gil et al., 1990; Bremner et al., 1993). Néanmoins, les éléments du contexte ne sont oubliés que sur un plan déclaratif. Les sujets souffrent en effet de souvenirs intrusifs ou flashbacks dans lesquels tout l’événement traumatique est rejoué de façon très détaillée, incluant les mêmes impressions sensorielles et états émotionnels que ceux ressentis lors du trauma. En conséquence, l’ensemble de l’événement traumatique a été consolidé mais sans indexation temporelle et contextuelle, et n’a donc pas fait l’objet d’un traitement conscient suffisant pour intégrer la mémoire épisodique de l’individu. En conclusion, l’un des principaux traits de l’ESPT est un profil mnésique paradoxal dans lequel coexistent une hypermnésie pour des éléments saillants du trauma et une amnésie de type déclaratif pour des éléments contextuels péri-traumatiques (Layton & Krikorian, 2002). Ce profil d’altérations mnésiques est paradoxal car hypermnésie et amnésie portent sur différents éléments du même événement traumatique. En d’autres termes, l’ESPT se caractérise par la sélection d’éléments saillants, fortement connotés émotionnellement mais pas nécessairement prédictif du choc traumatique, associée à un déficit de « contextualisation » de l’événement.

2. Données neurobiologiques de l’ESPT

• Dysfonctionnement des interactions hippocampo-amygdaliennes Les études cliniques sont généralement conduites sur des sujets souffrant d’un ESPT en comparaison avec des victimes d’un événement traumatique similaire mais qui n’ont pas développé d’ESPT. Elles suggèrent que des altérations du système de mémoire implicite émotionnel, impliquant l’amygdale, et du système de mémoire déclaratif, dépendant de l’hippocampe, pourraient expliquer les troubles mnésiques de type ESPT (Elzinga & Bremner, 2002). Des études d’imagerie ont montré que les patients atteints d’ESPT présentent une hyperactivité de l’amygdale en réponse à des stimuli rappelant le trauma (Liberzon et al., 1999; Protopopescu et al., 2005). Un hyperfonctionnement amygdalien pourrait ainsi

28 INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle expliquer les peurs intenses exprimées vis-à-vis de ces stimuli évoquant le trauma, ainsi que le phénomène de flashbacks. En revanche, une réduction du volume de l’hippocampe a été fréquemment retrouvée chez des patients ESPT (Bremner et al., 1995; Gilbertson et al., 2002). Bien que cette altération hippocampique puisse être un facteur de prédisposition au développement d’un ESPT (Gilbertson et al., 2002), elle pourrait aussi être une conséquence de l’exposition à un événement traumatique per se (Bremner, 1999). Par ailleurs, une étude d’imagerie ayant distingué les différentes régions de l’hippocampe révèle que la partie postérieure de l’hippocampe est spécifiquement altérée chez les patients atteints d’ESPT (Bonne et al., 2008). L’hippocampe étant une structure cérébrale clef dans la mémoire déclarative et le traitement d’informations contextuelles, son altération contribuerait à l’amnésie de type déclaratif vis-à-vis des éléments contextuels de l’événement traumatique.

• Rôle putatif des glucocorticoïdes L’exposition à un événement émotionnel induit une activation de l’axe corticotrope conduisant à une libération de glucocorticoïdes (dont la principale hormone est le cortisol chez l’Homme) (cf. partie III). L’exposition à un événement traumatique serait associée à une libération accrue de glucocorticoïdes. Ces hormones peuvent facilement entrer dans le cerveau et se fixent en abondance notamment au niveau de l’hippocampe sur les récepteurs aux glucocorticoïdes (GR). Cette structure est donc particulièrement sensible aux effets des glucocorticoïdes (McEwen et al., 1992). Des études chez l’animal ont démontré qu’un stress intense ou l’administration d’une forte dose de glucocorticoïdes altère au niveau de l’hippocampe la libération de neurotransmetteurs, la plasticité synaptique, la morphologie des épines dendritiques, et enfin la survie même des neurones et les processus de neurogénèse (McEwen, 2000). Un excès de glucocorticoïdes peut devenir neurotoxique pour les neurones de l’hippocampe, et ce par accumulation de calcium et de glutamate qui sont, eux, directement neurotoxiques (Sapolsky, 2000). Des études indiquent qu’un événement traumatique pourrait conduire à des altérations similaires chez l’Homme (Sapolsky, 1996; Bremner, 1999), ce qui pourrait expliquer à plus long terme l’atrophie hippocampique et en conséquence les déficits de mémoire déclarative chez les sujets atteints d’ESPT. Cette hypothèse peut être confortée par l’observation clinique d’altérations similaires (déficits de mémoire déclarative et atrophie hippocampique) chez des sujets atteints du syndrome du Cushing, lesquels présentent un taux élevé de cortisol (Starkman et al., 1992).

29 INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle

Après l’événement traumatique, l’ESPT est associé à des altérations durables de l’axe corticotrope. En particulier, des études révèlent une augmentation du rétrocontrôle négatif de l’axe corticotrope, en partie médié par l’hippocampe (cf. partie III) (Yehuda, 2000). En effet dans le test à la dexaméthasone, l’administration de cet agoniste aux GR conduit à une forte inhibition de l’axe corticotrope (une diminution rapide de la libération de cortisol) révélant une hypothétique hypersensibilité des GR hippocampiques. Comparé à des sujets sains, le taux de cortisol des sujets atteints d’ESPT est faible à l’état basal. En revanche, la libération de cortisol est excessive en réponse à un stimulus rappelant l’événement traumatique (Heim et al., 2000; Elzinga et al., 2003). Ainsi, dans l’ESPT, l’axe corticotrope est décrit comme hypoactif mais hyper-réactif.

3. Epidémiologie de l’ESPT

Aux Etats-Unis, l’ESPT apparait comme le quatrième désordre psychiatrique le plus fréquent. L’étude épidémiologique menée par Kessler (Kessler et al., 1995) est l’une des seules à reposer sur un échantillon représentatif de la population américaine. Cette étude révèle qu’une large majorité de la population a connu au moins un événement traumatique au cours de sa vie, le taux d’exposition étant de l’ordre de 56 %. Elle révèle aussi une proportion importante de sujets ayant fait l’expérience de plusieurs événements traumatiques au cours de leur vie. 52 % des victimes ont un historique traumatique composé d’au moins deux événements. L’étude de Kessler fait état d’une prévalence de l’ESPT d’environ 8 % parmi la population générale américaine. En revanche, le taux de prévalence augmente considérablement parmi les victimes d’un événement traumatique. Entre 20 et 60 % des sujets exposés à des traumatismes de nature extrême (p. ex., situations de guerre, attentats terroristes) développent un ESPT. Il a été reporté une durée moyenne de l’ESPT comprise entre 3 et 5 ans et une symptomatologie toujours présente pour un tiers des sujets 10 ans après l’événement (Kessler et al., 1995). Dans certains cas, des symptômes persistent même 40 à 50 ans après l’événement (Orr et al., 1993). Ces données conduisent à considérer l’ESPT comme un trouble chronique. Un facteur de risque important dans le développement d’un ESPT est une histoire personnelle de stress. Il a été montré qu’une expérience traumatique initiale prédispose des

30 INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle individus au développement d’un ESPT lors d’un événement traumatique ultérieur (Gilbertson et al., 2002; Breslau et al., 2004; Yehuda, 2004). Enfin, d’autres pathologies sont généralement associées à l’ESPT. La grande majorité des sujets souffrants d’ESPT présente les critères d’au moins un trouble psychiatrique associé. Une forte comorbidité existe impliquant une anxiété généralisée, une dépression majeure et une dépendance à des substances psychoactives. Ces données épidémiologiques révèlent que plusieurs événements traumatiques sont généralement vécus par la population générale. De plus, l’ESPT est développé par une sous- population de victimes d’un même événement traumatique ayant souvent déjà vécu une expérience traumatique préalable. Ceci suggère le développement d’une vulnérabilité intrinsèque chez certaines personnes, laquelle serait en partie due à la répétition d’épisodes traumatiques au cours de leur vie.

4. Mécanismes physiopathologiques hypothétiques de l’ESPT

L’ensemble des données ci-dessus indiquent que l’ESPT serait associé (1) à une libération excessive de glucocorticoïdes pouvant altérer la fonction hippocampique, (2) à une altération de l’hippocampe pouvant être responsable de déficits de mémoire déclarative et (3) à une hyperactivité de l’amygdale pouvant sous-tendre l’hypermnésie vis-à-vis d’un élément saillant lié au trauma. Ainsi, nous pouvons formuler l’hypothèse générale suivante : une situation de stress intense conduirait à un excès de glucocorticoïdes dans l’hippocampe altérant la fonction hippocampique et serait associée à un hyperfonctionnement de l’amygdale. En particulier, nos travaux ont porté sur l’hypothèse selon laquelle un excès de glucocorticoïdes dans l’hippocampe pourrait, via des dysfonctionnements des interactions hippocampo-amygdaliennes, conduire à un hyperfonctionnement de l’amygdale. Cette hypothèse suggère que l’hippocampe puisse contrôler l’activité de l’amygdale. Si les relations d’influence de l’amygdale vers l’hippocampe sont relativement bien connues (McGaugh, 2004), des données de l’équipe révèlent que, réciproquement, l’hippocampe peut contrôler l’activité amygdalienne en contribuant à la sélection du stimulus prédictif d’un choc électrique lors d’une procédure de conditionnement aversif (Calandreau et al., 2006). Sur un plan cognitif, notre hypothèse suppose qu’un déficit de traitement de l’événement traumatique sous un format déclaratif/épisodique, dépendant de l’hippocampe, conduirait à la consolidation de l’événement sous un seul format implicite, sollicitant

31 INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle l’amygdale. En effet, les sujets atteints d’ESPT sont incapables de construire une mémoire épisodique normale de l’événement traumatique. Néanmoins, de part la forte intensité émotionnelle de la situation, l’amygdale, fortement recrutée, prendrait en charge la consolidation de l’événement sous un format implicite ne permettant pas un accès conscient aux informations (Elzinga & Bremner, 2002). Enfin, des épisodes de stress dans l’histoire personnelle d’un sujet constituerait un facteur de risque dans le développement de l’ESPT (Yehuda, 2004). Il a été montré chez l’animal qu’une situation de stress induit une libération de glucocorticoïdes rendant les neurones de l’hippocampe plus vulnérables à des situations de stress ultérieures (Conrad, 2008). Nous pouvons alors émettre l’hypothèse selon laquelle l’exposition à un stress préalable pourrait induire un état de prédisposition à l’émergence d’un déficit de la mémoire déclarative lors d’un stress ultérieur.

En résumé, la forte prévalence de l’ESPT, la sévérité et la persistance des symptômes ainsi que l’absence de traitement efficace font de l’analyse de cette pathologie un défi médical majeur. Les études neuropsychologiques ont permis de caractériser de façon précise la symptomatologie de l’ESPT. Néanmoins, les mécanismes physiopathologiques de l’ESPT sont encore méconnus et les hypothèses décrites ci-dessus relatives à ces mécanismes restent à tester. Les études chez l’animal apparaissent alors nécessaires, notamment pour comprendre comment des altérations mnésiques de type ESPT peuvent se développer après un événement stressant.

D. Modèle animal de l’altération mnésique de l’ESPT

1. Profil hypermnésie/amnésie

• Modèle du conditionnement classique aversif Les modèles animaux actuels de l’ESPT se basent essentiellement sur le paradigme de conditionnement classique aversif, modèle d’apprentissage largement étudié (décrit dans la partie II), afin de modéliser la composante hypermnésique de la pathologie. Brièvement, dans ce paradigme, un stimulus conditionnel (SC, p. ex., un son) est classiquement associé à un stimulus aversif (p. ex., un choc électrique). Des études utilisent aussi un protocole de

32 INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle conditionnement contextuel dans lequel le contexte, ayant alors le rôle de SC, est associé au choc électrique. Après l’apprentissage, les animaux expriment une réponse de peur conditionnée lors de la réexposition au SC seul. Le conditionnement aversif est utilisé comme modèle comportemental de l’ESPT en raison d’une certaine analogie avec la psychopathologie chez l’Homme. En effet, certaines manifestations comportementales (peur intense), neuroendocriniennes (libération de glucocorticoïdes) et du système nerveux autonome (augmentation du rythme cardiaque) de l’ESPT ressemblent à celles observées chez le rongeur après un conditionnement aversif (Elzinga & Bremner, 2002; Rau et al., 2005). De plus, un rappel relativement implicite/automatique de l’expérience émotionnelle des sujets atteints d’ESPT est aussi observé dans le conditionnement aversif sous la forme de RCE. Enfin, l’hypermnésie caractéristique de l’ESPT et le conditionnement aversif impliquent l’amygdale comme structure cérébrale clef (LeDoux, 2000). Par l’utilisation d’un protocole de conditionnement aversif, les études observent généralement l’établissement de réponses de peur conditionnées au SC, que le SC ait été un stimulus discret sonore ou le contexte de conditionnement. Ces réponses peuvent même être excessives et persistantes dans certaines conditions (Richter-Levin, 1998; Cordero et al., 2003; Rau et al., 2005; Tronel & Alberini, 2007). Les auteurs associent ces caractéristiques aux symptômes d’hypermnésie de l’ESPT et, en ce sens, font du conditionnement classique aversif un modèle de pathologie mnésique de type ESPT.

• Limites du modèle existant Bien que le modèle du conditionnement classique aversif permette de modéliser partiellement l’hypermnésie, c’est-à-dire un rappel accru et persistant de l’élément aversif, il ne prend pas en compte la seconde altération mnésique caractéristique de l’ESPT : le déficit mnésique vis-à-vis des éléments contextuels du trauma (Layton & Krikorian, 2002). Selon ces auteurs ayant soulevé ces limites, la cooccurrence d’une hypermnésie et d’une amnésie vis-à- vis d’informations différentes mais relevant de la même expérience aversive est une caractéristique majeure de l’ESPT. De plus, tandis que l’amnésie porte sur le contexte de l’événement, l’hypermnésie porte, elle, sur un élément saillant au cœur du trauma. Or, dans les études utilisant le modèle de conditionnement aversif, il est généralement recherché et observé de fortes réponses de peur conditionnées quelque soit la nature du stimulus testé, qu’il s’agisse d’un élément discret et saillant (un son) ou de stimuli polymodaux toniques (le contexte) (Cordero et al., 2003;

33 INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle

Tronel & Alberini, 2007). Compte tenu des caractéristiques de l’ESPT, il est nécessaire de dissocier les réponses de peur conditionnées en fonction de la nature du SC. Enfin, la plupart des études évaluent généralement les réponses de peur d’un point de vue essentiellement quantitatif, c’est-à-dire par mesure de l’amplitude des réponses. Or, outre l’amplitude, l’aspect qualitatif des RCE est critique. En effet, une réponse de peur à un SC peut être adaptée ou inadaptée en fonction de la « valeur prédictive » de ce SC. Si le SC prédisait l’occurrence du choc électrique, alors il est adapté pour l’animal d’acquérir une réponse de peur à ce SC. En revanche, il devient inadapté d’acquérir une telle réponse de peur à un SC non prédictif du choc électrique, ou bien de ne pas acquérir une réponse de peur à un SC prédictif (Bonne et al., 2004). Or, le profil mnésique d’hypermnésie/amnésie de l’ESPT correspondrait à un profil mnésique inadapté vis-à-vis de l’expérience traumatique. En particulier, l’hypermnésie porte sur un élément saillant mais pas nécessairement prédictif du choc traumatique et est caractérisée par une expression de peur intense vis-à-vis de cet élément dans des contextes différents du contexte traumatique (Foa et al., 1992). Cette observation indique un déficit d’indexation contextuelle de l’élément saillant en question. De plus, un déficit de mémoire est observé pour des éléments contextuels péri-traumatiques. En conséquence, il est nécessaire d’intégrer dans un modèle animal le caractère inadapté des réponses de peur en fonction de la valeur prédictive du SC. En conclusion, l’altération mnésique de l’ESPT impliquant une dualité hypermnésie/amnésie basée sur la sélection incorrecte d’un stimulus discret et saillant au détriment du contexte, sa modélisation nécessite un paradigme de conditionnement aversif particulier. Ce paradigme doit permettre d’évaluer la capacité de l’animal à sélectionner le stimulus prédictif du choc électrique en fonction des valeurs prédictives respectives d’un stimulus discret et saillant (un son) et des stimuli contextuels. Ce paradigme sera développé dans la partie II.

2. Déficit spécifique de la mémoire déclarative

• Etudes actuelles et leurs limites Dans le cadre d’études cherchant à modéliser chez l’animal le déficit spécifique de la mémoire déclarative observé dans l’ESPT, certaines études évaluent les performances des animaux en mémoire spatiale après l’exposition à un stress et observent généralement des déficits (Diamond et al., 1996; Wang et al., 2000). La mémoire spatiale chez l’animal, mesurée habituellement en piscine de Morris, sert généralement de modèle de la mémoire

34 INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle

« déclarative » dépendante de l’hippocampe. Cette conception se base sur « l’hypothèse spatiale du rôle de l’hippocampe » selon laquelle l’hippocampe serait nécessaire à l’acquisition d’une représentation de l’espace et à l’établissement de relations entre des stimuli distants (O'Keefe & Nadel, 1978). Cependant, il peut être problématique de limiter le rôle de l’hippocampe à une représentation de l’espace. En effet, les amnésies temporales chez l’Homme, tout comme l’amnésie observée dans l’ESPT, ne portent pas que sur les aspects spatiaux des épisodes mais sur la mémoire épisodique en générale. Cette mémoire s’appuie sur l’établissement de relations entre des informations de différentes natures (sensorielles, temporelles) et sur l’utilisation flexibles de ces informations. De plus, l’ESPT se caractérise par un déficit de la mémoire déclarative associé à une préservation de la mémoire implicite. Ainsi, il est nécessaire d’évaluer chez l’animal des déficits spécifiques de mémoire de type déclaratif induits par un stress, associés à une préservation d’une forme de mémoire implicite pour les mêmes informations.

• Une modélisation possible de la mémoire déclarative chez l’animal La mémoire déclarative, et particulièrement son versant épisodique, semble être par définition le propre de l’Homme puisqu’il est le seul à pouvoir verbaliser les épisodes dont il fait l’expérience. La modélisation de la mémoire déclarative chez l’animal apparait ainsi en ce sens impossible. Cependant, Cohen puis Eichenbaum ont extrait des propriétés fondamentales de la mémoire déclarative afin de les modéliser de façon opérationnelle chez l’animal. Brièvement, Eichenbaum considère la mémoire déclarative comme une « mémoire relationnelle », caractérisée par la capacité de former une représentation relationnelle entre des informations de différentes natures. Cette représentation relationnelle est spécifiquement mobilisée en situation de confrontation à un choix qui oblige à comparer, contraster et mettre en relation des informations acquises séparément en vue de résoudre un problème nouveau. Cette flexibilité d’utilisation des informations est une caractéristique essentielle de la mémoire relationnelle tant chez l’Homme que chez l’animal (Cohen, 1984; Eichenbaum et al., 1988; Eichenbaum et al., 1989; Eichenbaum et al., 1996; Eichenbaum, 2004). En se basant sur la théorie relationnelle d’Eichenbaum, A. Marighetto et R. Jaffard ont développé au sein de l’équipe un paradigme comportemental visant à modéliser la mémoire déclarative chez l’animal (Marighetto et al., 1999). Dans un protocole d’apprentissage en labyrinthe radiaire, les animaux doivent d’abord discriminer des bras, présentés de façon séparée et successive en fonction de leur valence (appâtés ou non appâtés). Cette phase

35 INTRODUCTION - La mémoire émotionnelle d’acquisition permet d’évaluer les performances en mémoire implicite (go-no go). La phase de test consiste à présenter les mêmes bras mais de façon simultanée (par paire). Les animaux sont ainsi confrontés à un choix entre deux bras de valence opposée, les obligeant à comparer, contraster et mettre en relation les informations acquises séparément en vue de résoudre ce problème nouveau. Cette présentation des bras par paires est une situation nouvelle permettant ainsi d’évaluer la flexibilité de la mémoire. Ce paradigme comportemental permet de révéler un déficit spécifique de mémoire relationnelle associé à une préservation des performances en go-no go, chez des animaux âgés ou des animaux dont l’hippocampe a été lésé ou inactivé (Marighetto et al., 1999; Etchamendy et al., 2003; Mingaud et al., 2007). Ainsi, il apparait pertinent d’utiliser ce type de paradigme comportemental afin de mettre en évidence, comme dans l’ESPT, un déficit spécifique de la mémoire relationnelle induit par stress.

36 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif

PARTIE II. Le conditionnement aversif : un modèle d’apprentissage de la mémoire émotionnelle

La mémoire émotionnelle se base sur la sélection de stimuli prédictifs d’un événement important pour l’individu. Lorsque ce processus de sélection est altéré et ne permet plus de sélectionner certains éléments particulièrement pertinents d’un événement, apparaissent des formes de mémoire émotionnelle pathologique. En particulier lors d’un événement traumatique, la sélection d’un élément discret et saillant associée à une occultation des éléments contextuels serait à la base de l’altération mnésique de l’ESPT. Dans le cadre d’études chez l’animal, le conditionnement classique aversif constitue un modèle d’apprentissage intéressant. En effet, il se caractérise par la nécessité de sélectionner un stimulus permettant de prédire de façon adéquate l’occurrence d’un événement aversif. Ce paradigme permet alors d’étudier les mécanismes de sélection correcte ou incorrecte d’un stimulus prédictif en fonction de la contingence avec un événement aversif. Bien qu’il soit difficile de reproduire tous les symptômes de l’ESPT dans un modèle animal, le conditionnement aversif permet d’étudier les aspects mnésiques fondamentaux de cette pathologie, tels que l’hypermnésie pour un élément saillant et l’amnésie pour les éléments du contexte.

A. Définition et intérêts du conditionnement aversif

Le conditionnement classique ou Pavlovien est un apprentissage associatif défini et théorisé à l’origine par Ivan P. Pavlov à partir de 1889 (Pavlov, 1927). Cet apprentissage résulte de l’association d’au moins deux entités ou événements : d’une part, un ou plusieurs stimuli qui n’induisent aucun comportement particulier (stimulus neutre devenant, après association, stimulus conditionnel, SC), et d’autre part, un événement (stimulus inconditionnel, SI) qui produit toujours une série de réactions particulières (réponse inconditionnelle, RI). Le conditionnement classique est validé par la capacité du SC d’induire seul, ultérieurement, une réponse dite conditionnée (RC). Le SC est le stimulus prédictif de l’occurrence du SI. Cette RC atteste de l’acquisition et de la rétention mnésique de l’association conditionnée entre un SC et un SI. Dans le conditionnement aversif, aussi appelé

37 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif conditionnement de peur, le SI est un événement aversif, comme un choc électrique administré aux pattes de l’animal. La RC est alors une réponse conditionnée émotionnelle (RCE) de peur. Elle se manifeste par diverses réactions viscérales (p. ex., augmentation du rythme cardiaque), endocriniennes (p. ex., libération d’hormones de stress) et comportementales (Fanselow, 1980; LeDoux, 1998). La réponse comportementale de « freezing » est la mesure la plus utilisée chez le rongeur. Cette RCE particulière se caractérise par une immobilisation totale de l’animal, exception faite des mouvements respiratoires (Blanchard & Blanchard, 1969; Fanselow, 1980). D’après les classifications des systèmes de mémoire érigées par Cohen et Squire (Cohen & Squire, 1980; Squire, 2004) ou Schacter (Schacter, 1987), le conditionnement classique est classé parmi les formes de mémoire dites implicites ou non-déclaratives. En effet, ce type d’apprentissage repose sur la capacité à priori relativement simple d’associer deux stimuli, son expression ne requiert pas forcément une évocation consciente de l’apprentissage et peut se réaliser à l’insu du sujet de façon relativement automatique. Cette capacité d’apprentissage associatif a en effet été attribuée à la majorité des espèces animales et à partir des stades précoces de développement (Delacour, 1980). Cependant, des études chez l’Homme ont montré que des sujets sains, en plus d’exprimer une RCE à un stimulus associé à un événement aversif, sont aussi capables d’évoquer de façon consciente l’expérience de conditionnement passée (Bechara et al., 1995). Plus encore, il suffit que le sujet soit informé de la règle d’apprentissage d’un conditionnement classique (une diapositive bleue, le SC, sera suivie d’un choc électrique au doigt, le SI), pour que le sujet puisse exprimer une RCE à ce SC, alors même qu’il n’y a pas d’administration du SI (Phelps et al., 2001). Ces données rendent compte de la dimension explicite du conditionnement classique, qui ne peut être certes étudiée par la mesure des RCE chez l’animal.

En laboratoire, le conditionnement aversif est l’un des paradigmes expérimentaux par excellence pour la compréhension des processus mnésiques en général. En effet, l’apprentissage du conditionnement aversif est rapide et robuste. De plus, les différentes phases de l’apprentissage (acquisition, consolidation et expression) sont facilement dissociables dans le temps. Un intérêt majeur pour notre étude est que nous pouvons facilement évaluer la capacité de l’animal à sélectionner le stimulus prédictif du choc électrique. En effet, deux procédures d’apprentissage peuvent être utilisées en manipulant l’association entre le SC (un son) et le SI. La procédure d’appariement SC-SI, dans laquelle le son est systématiquement suivi du

38 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif choc, permet la sélection du son comme prédicteur majeur du SI. Au contraire, la procédure de non-appariement SC-SI, dans laquelle le son n’est jamais suivi du choc, permet la sélection du contexte comme prédicteur majeur du SI. Par l’utilisation de ces deux types de procédures, une forme de conditionnement est favorisée au détriment de l’autre (conditionnement élémentaire ou conditionnement contextuel).

B. Lois gouvernant le conditionnement classique : prédiction du SI

Les premières recherches consacrées à l’apprentissage associatif menées par Pavlov (1927) et Thorndike (1911) aboutirent à trois lois sous-tendant la mise en place et la force d’un apprentissage associatif : la contiguïté, la fréquence et l’intensité. Ces trois lois stipulent que l’établissement d’une association SC-SI se réalise si ces deux stimuli sont présentés de façon contiguë (loi de contiguïté) et répétée (loi de fréquence) et que leur intensité respective détermine la force de leur association (loi d’intensité).

Toutefois, les travaux menés par Rescorla (1968) ont révélé que la notion de contiguïté n’était pas suffisante à l’établissement d’un conditionnement et que le facteur déterminant était plutôt la contingence, c’est-à-dire la probabilité de survenue du SI en présence du SC (Landeira-Fernandez, 1996). En effet, Rescorla a démontré qu’une situation de conditionnement dans laquelle le SC et le SI suivent la loi de contiguïté (le SC est toujours associé au SI) mais pas la loi de contingence (des survenues du SI non annoncées par le SC) n’induit qu’un faible conditionnement au SC. De plus, Rescorla a montré que, si la probabilité d’occurrence du SI en l’absence du SC est supérieure à la probabilité d’occurrence de ce SI en présence du SC, il se met en place un « conditionnement inhibiteur », observable par une diminution de la RCE en présence du SC. Ainsi, une situation où le SC prédit systématiquement la survenue du SI permet l’acquisition du conditionnement à ce SC, mais lorsque le SC ne prédit que partiellement ou jamais le SI, l'acquisition du conditionnement est faible ou nulle. Les travaux de Rescorla ont donc aboutit à l’idée que la notion de valeur informative ou valeur prédictive du SC quant à l’occurrence du SI semblait être déterminante à l’établissement d’un conditionnement.

39 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif

L’insuffisance de la loi de contiguïté fut également mise en évidence par l’effet de blocage de Kamin (1969). Le blocage se réfère à un déficit de conditionnement à un deuxième

SC (SC2) lorsque ce dernier est apparié au SI en présence d’un premier SC (SC1-SC2-SI) ayant été préalablement apparié au SI (SC1-SI). Bien que le SC2 soit contigu au SI, le SC1

étant déjà prédictif de l’occurrence du SI, le SC2 n’apporte aucune information supplémentaire pertinente quant à la survenue du SI et ne peut donc évoquer à lui seul une RCE.

Inversement, dans le cas d’un conditionnement de second ordre, un SC2 apparié au SC1

(SC2-SC1) ayant préalablement été apparié à SI (SC1-SI) acquiert le pouvoir d’évoquer une RCE bien qu’il n’ait jamais été lui-même apparié au SI. Ce phénomène montre notamment que la loi de contiguïté, en plus de ne pas être suffisante, n’est même pas nécessaire à l’établissement d’un conditionnement. Enfin, le phénomène d’inhibition latente, dans lequel la pré-exposition au SC seul avant une association SC-SI diminue la RCE au SC, peut être interprété comme une contradiction entre deux informations portées par le SC (prédictif du SI lors de l’apprentissage mais non prédictif lors de la pré-exposition).

Ces différentes observations supportent l’idée selon laquelle un stimulus doit être prédictif de l’occurrence du SI pour permettre un conditionnement à ce stimulus. Selon la loi de contingence, le prédicteur majeur du SI sera celui, parmi tous les stimuli présents lors de l’apprentissage, qui annoncera le mieux la survenue du SI.

C. Conditionnement à un stimulus discret et conditionnement au contexte

Lors d’une épreuve de conditionnement, un SC est classiquement apparié au SI et acquiert la propriété d’évoquer une RCE. Cependant, que le SC soit présenté de manière appariée ou non appariée au SI, ou encore en l’absence de SC, le contexte dans lequel se déroule l’apprentissage peut également acquérir des propriétés aversives et évoquer une RCE. Ainsi en fonction de la contingence entre le SC et le SI, l’animal sélectionne soit le SC (si forte contingence SC-SI), soit le contexte (si faible contingence SC-SI) comme prédicteur majeur du SI.

40 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif

1. Définitions d’un stimulus discret et d’un contexte

Habituellement, le SC utilisé pour un conditionnement est un stimulus simple, unimodal et phasique, tel un son. Ce stimulus discret est donc saillant dans la mesure où il se distingue des stimuli toniques présents lors de l’apprentissage (Fiske & Taylor, 1991). Le stimulus discret s’oppose ainsi aux éléments présents de manière continue durant le conditionnement, couramment regroupés sous le terme générique de « contexte » (Rudy & O'Reilly, 1999; Fanselow, 2000). Le contexte est considéré comme un stimulus complexe (constitué de multiples stimuli élémentaires), polymodal (car généralement composé de stimuli visuels, olfactifs, tactiles et auditifs) et tonique.

2. Implication du contexte dans le conditionnement aversif

Initialement, Pavlov (1927) avait observé qu’au cours d’une procédure de conditionnement, la RCE évoquée par le contexte diminuait progressivement au fur et à mesure que le conditionnement au SC progressait. Selon lui, bien que non neutres, ces stimuli contextuels progressivement neutralisés ne devaient pas exercer de contrôle sur la RCE au SC. Inversement, d’autres auteurs avancèrent que le contexte pouvait affecter cet apprentissage en modulant la perception du SC et du SI (Hull, 1943), la RCE au SC (Tolman, 1959), ou encore la formation de l’association entre le SC et le SI en s’associant avec le SC (Konorski, 1967). Cependant, l’importance du contexte dans les processus de conditionnement fut longtemps sous-estimée.

Ce n’est qu’à partir des années 1970 que des modèles d’analyse du conditionnement classique ont inclus des processus potentiels par lesquels le contexte interviendrait dans l’apprentissage. Le modèle de Rescorla & Wagner (1972) est un modèle d’apprentissage basé sur les lois de contiguïté et de contingence qui permet de prédire la force d’un conditionnement à un SC et de celui au contexte. Selon ce modèle, tous les stimuli présents durant l’apprentissage seraient en interaction et en compétition vis-à-vis d’une force associative limitée supportée par le SI. La valeur prédictive de ces stimuli (déterminée par les lois de contiguïté et de contingence) détermine la part de force associative qu’ils vont alors acquérir. Le stimulus présentant la plus forte valeur prédictive quant à l’occurrence du SI présenterait une force associative croissante au fil de l’apprentissage, impliquant une réduction progressive de la

41 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif force associative des autres stimuli. Dans ce modèle, le contexte est considéré comme une entité globale équivalente à tout autre SC. Le conditionnement au contexte se présente donc comme inversement proportionnel au conditionnement au SC. Des modèles ultérieurs proposent une intervention relativement différente du contexte dans le conditionnement. Par exemple, Mackintosh (1975) propose que les stimuli ne rentreraient pas en compétition vis-à-vis d’une force associative limitée portée par le SI. Au contraire, la force associative d’un SC pourrait croître en raison du degré de prédictibilité quant à l’occurrence du SI sans entraîner une diminution de la force associative des autres stimuli. Miller & Matzel (1988) proposent, eux, un modèle dans lequel un mécanisme de comparaison permet, lors de la situation de test plutôt qu’en acquisition, d’évaluer les forces associatives acquises par le SC et par le contexte. L’hypothèse centrale de ce modèle est que la RCE au SC est directement fonction d’une représentation du SI activée par le SC, et inversement liée à une représentation du SI activée par le contexte. En d’autres termes, plus la représentation du SI évoquée par celle du contexte sera faible plus la RCE au SC sera forte. Enfin, d’autres modèles proposent l’existence d’une relation plus hiérarchique entre les stimuli contextuels et un SC simple (Holland & Bouton, 1999). Le contexte interviendrait dans l’acquisition d’un conditionnement au travers de relations particulières avec le SC (pré- conditionnement sensoriel, conditionnement de second ordre, inhibition latente) ou bien contrôlerait la RCE générée par le SC en signalant la présence ou l’absence d’association SC- SI (« occasion setting », extinction). Ce rôle modulateur du contexte impliquerait un processus d’attribution d’une signification particulière au SC plutôt qu’un processus de compétition directe entre le contexte et le SC.

Toutefois, les différents modèles présentés ne s’excluent pas nécessairement mutuellement. L’idée consensuelle émergente est l’implication formelle du contexte dans le conditionnement. Cette implication peut se traduire à la fois par une association directe du contexte avec le SI lors de l’acquisition ou lors du test via une représentation du SI, ainsi que par une modulation de la force associative du SC à l’égard du SI. Ainsi, le contexte semble pouvoir, dans certaines conditions, modifier le conditionnement à un SC, soit en le diminuant (blocage), soit en le facilitant (par indexation contextuelle). Inversement, la force associative du SC à l’égard du SI semble pouvoir moduler le conditionnement au contexte. Une forte prédictibilité du SC induit un faible conditionnement au contexte par phénomène de masquage (Odling-Smee, 1975). Au contraire, en prenant l’exemple du conditionnement de

42 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif trace, l’introduction d’un intervalle de temps croissant entre le SC et le SI diminue le conditionnement au SC et accroît le conditionnement au contexte (Marlin, 1981).

3. Sélection du prédicteur majeur du SI

En accord avec les travaux de Rescorla (Rescorla, 1968; Rescorla & Wagner, 1972) ou encore avec ceux de Phillips & LeDoux (1994), des études menées au laboratoire suggèrent l’existence de relations étroites et inversement proportionnelles entre le conditionnement au SC et le conditionnement au contexte (Desmedt et al., 1998; Calandreau et al., 2006). Ces études ont en effet montré que des animaux soumis à une procédure d’appariement SC-SI (i.e. un son est systématiquement suivi d’un choc électrique) présentent, en test de rétention, une forte RCE au son associée à une faible RCE au contexte. A l’inverse, les animaux soumis à une procédure de non-appariement SC-SI (i.e. le son et le choc sont délivrés de façon pseudo- aléatoire et le son n’est jamais suivi du choc) présentent une forte RCE au contexte associée à une faible RCE au son. Ces études suggèrent, en accord avec le modèle de Rescorla & Wagner, que la valeur prédictive du SC détermine non seulement la force de l’association SC- SI mais aussi celle de l’association contexte-SI. Plus encore, elles suggèrent une dépendance réciproque et inversement proportionnelle entre ces deux associations. En d’autres termes, cela indique qu’au cours d’une séance d’apprentissage, il s’établit préférentiellement un conditionnement au SC ou un conditionnement au contexte selon le degré d’appariement SC- SI. Ces études ont conduit à développer l’idée d’un processus de sélection du prédicteur majeur du SI parmi les stimuli présents lors d’un apprentissage. Cette notion de sélection du stimulus le plus prédictif de l’occurrence du SI a été la première fois évoquée dans une étude de Winocur (Winocur et al., 1987). Lors d’une situation d’appariement SC-SI, la forte relation de contingence (et de contiguïté) entre ces stimuli implique que le SC signale toujours l’arrivée du SI et qu’il est alors le prédicteur majeur du SI (i.e., les chocs surviennent toujours après le SC). A l’inverse, lors d’une situation de non-appariement SC-SI, la faible relation de contingence (et de contiguïté) entre ces stimuli implique que le SC n’annonce jamais l’occurrence du SI et que le contexte est alors l’élément le plus prédictif (i.e., les chocs surviennent exclusivement dans ce contexte).

43 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif

Cependant, si le contexte paraît ici fonctionnellement similaire au SC discret, les processus permettant de le sélectionner comme prédicteur du SI semblent se distinguer à plusieurs égards de ceux relatifs à la sélection du SC. Le traitement d’un stimulus simple et celui d’un contexte, nécessaire pour toute association conditionnée avec le SI, ne sont évidemment pas identiques. En effet, l’établissement d’un conditionnement à un son implique un traitement relativement simple de ce stimulus unique et phasique, conduisant à une « représentation élémentaire » de ce SC. Une durée de présentation du SC de quelques secondes est suffisante pour la réalisation d’un conditionnement au SC. En revanche, étant donnée la définition du contexte explicitée précédemment, les processus de conditionnement contextuel sont sensés impliquer le traitement de multiples stimuli polymodaux. Pour se conditionner à un contexte, l’animal doit construire une représentation « configurale » ou « unifiée » des différents éléments composant le contexte (Fanselow, 1990). Ainsi, la durée nécessaire à la construction d’une telle configuration d’éléments doit être plus longue que celle nécessaire à l’acquisition d’une représentation élémentaire. Le phénomène d’« immediate shock deficit » est en accord avec cette idée (Fanselow, 1990). En effet, aucun conditionnement au contexte n’est possible si le SI est administré à l’animal immédiatement après être placé dans la cage de conditionnement et l’animal retiré immédiatement après. En revanche, le conditionnement peut se mettre en place si l’animal est exposé au contexte pendant environ une minute avant l’administration du SI. Cette exposition donnerait alors le temps nécessaire à l’animal pour traiter et se représenter le contexte dans son ensemble, lequel est ultérieurement associé au SI. Par ailleurs, la présence continue des stimuli contextuels au cours d’un apprentissage implique que ceux-ci ne fournissent aucune information temporelle quant à l’occurrence du SI (Marlin, 1981). La contingence entre un contexte et un SI, c’est-à-dire la probabilité de la survenue du SI en présence du contexte, apparait donc difficilement quantifiable selon les lois de Rescorla (1968) qui ont été en fait décrites pour un SC simple. En effet, la loi de contingence suggère qu’un SC, s’il est prédictif, permet de prévoir précisément le moment de la survenue du SI. Les moments d’absence du SC, indiquant l’absence de SI, sont aussi prédictifs de périodes d’une certaine « sécurité », permettant un repos relatif à l’organisme. Au contraire, dans le cas d’un contexte prédictif, la situation d’apprentissage devient relativement imprévisible car elle ne permet pas de prédire avec précision l’occurrence du SI, qui peut survenir à tout moment (sauf en présence du SC). Ainsi, l’animal doit attendre et anticiper le SI à tout moment, ce qui n’octroie pas au sujet de période de repos et de sécurité (Seligman & Binik, 1977).

44 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif

De plus, le caractère tonique du contexte implique aussi que le contexte soit moins saillant qu’un SC discret. En effet, une focalisation de l’attention serait plus facile sur un son survenant de façon intermittente et ponctuelle, que sur le contexte en général. Ainsi, un élément pourrait être sélectionné comme prédicteur en fonction de sa saillance ou en fonction de sa valeur prédictive envers le SI. Dans une procédure de non-appariement SC-SI, le contexte est certes peu saillant comparé au SC, mais est fortement prédictif du SI par défaut de prédictibilité du SC. Cependant, le SC très saillant, même s’il ne prédit jamais l’arrivée du SI, peut, dans certaines conditions, faire l’objet d’une grande focalisation de l’attention de l’animal lors de la séance de conditionnement et évoquer ultérieurement une forte réponse de peur. C’est notamment le cas quand le contexte, pourtant plus prédictif que le SC, ne peut pas être sélectionné en tant que prédicteur majeur à diverses manipulations pharmacologiques intracérébrales (Desmedt et al., 1999; Calandreau et al., 2006; Calandreau et al., 2010).

4. Sélection correcte ou incorrecte du prédicteur majeur du SI

En manipulant simplement et seulement le degré de contiguïté (et donc de contingence) entre un SC discret et le SI (appariement vs. non-appariement), nous pouvons favoriser la sélection du SC ou du contexte comme prédicteur majeur du SI. La sélection d’un stimulus comme prédicteur est objectivée par l’amplitude des RCE au SC et au contexte, mesurées lors d’une phase de test 24 h après l’apprentissage. En comparant les amplitudes de chacune de ces réponses en fonction de la procédure d’apprentissage, nous pouvons attester de la sélection correcte ou incorrecte du prédicteur du SI (SC vs. contexte).

- La sélection du prédicteur est correcte si les animaux expriment une forte réponse de peur au stimulus le plus prédictif du SI associée à une faible réponse à l’autre stimulus testé. Concrètement, les animaux soumis à une procédure d’appariement SC-SI doivent normalement exprimer une plus forte RCE au SC et une plus faible RCE au contexte comparés aux animaux soumis à une procédure de non-appariement, qui eux doivent présenter le profil inverse.

- La sélection du prédicteur est incorrecte si les animaux expriment une réponse de peur au stimulus qui n’est pas objectivement le plus prédictif du SI et/ou s’ils n’expriment pas de réponse de peur au stimulus qui est pourtant le prédicteur majeur du SI. Ceci est objectivé par une RCE au stimulus non prédictif identique à ou plus forte que celle de l’autre groupe

45 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif

(pour qui ce stimulus est le prédicteur) et/ou une RCE au stimulus prédictif identique à ou plus faible que celle de l’autre groupe (pour qui ce n’est pas le prédicteur majeur). C’est notamment le cas lorsque les animaux soumis à une procédure d’appariement SC-SI expriment une faible RCE au SC et/ou une RCE au contexte identique à celle exprimée par le groupe soumis au non-appariement. Inversement, cette sélection est incorrecte chez les animaux soumis à une procédure de non-appariement lorsqu’ils expriment une faible RCE au contexte et/ou une forte RCE au SC, similaire à celle exprimée par le groupe soumis à la procédure d’appariement.

Il est à noter qu’une telle sélection incorrecte du prédicteur du SI a déjà été observée lors de précédentes études au laboratoire. En particulier, avec certains traitements pharmacologiques modifiant l’activité du circuit hippocampo-amygdalien, des animaux soumis à une procédure d’appariement ont exprimé une forte RCE au contexte et une faible RCE au SC sonore (Desmedt et al., 1999; Calandreau et al., 2005; Calandreau et al., 2006; Calandreau et al., 2010). Inversement, avec d’autres traitements, des animaux soumis à une procédure de non-appariement ont préférentiellement exprimé une RCE au SC discret et une faible RCE au contexte (Desmedt et al., 1999; Calandreau et al., 2006; Calandreau et al., 2010). Ces études montrent ainsi qu’un « switch » est possible d’une forme de conditionnement à l’autre. De façon intéressante, ces études montrent la possibilité d’un processus de sélection incorrecte d’un stimulus présent mais non prédictif lors de l’apprentissage au lieu du prédicteur majeur du SI, plutôt qu’une absence totale de réponse de peur ou, à l’inverse, qu’une généralisation de la peur à tous stimuli.

Un circuit centré sur l’hippocampe et l’amygdale sous-tend le conditionnement aversif. Bien qu’elles soient encore méconnues, les bases neurobiologiques de la sélection du prédicteur majeur du SI portent sur différentes configurations d’activité du circuit hippocampo-amygdalien. Nous allons ainsi voir que l’hippocampe et l’amygdale sont différemment recrutés en fonction d’un conditionnement préférentiel au SC ou au contexte.

46 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif

D. Bases neurobiologiques de la sélection du prédicteur majeur du SI : le circuit hippocampo-amygdalien

1. L’amygdale

a) Généralités

L’amygdale est une structure cérébrale appartenant au système limbique. Elle a été la première fois reconnue comme une région cérébrale distincte au début du XIXème siècle. En 1939, Clüver et Bucy ont apporté une description majeure des troubles comportementaux chez le singe à la suite de lésions du lobe temporal médian (Cluver & Bucy, 1939). Ils ont observé de profonds déficits d’expression et de réactivité émotionnelle, une hyperoralité et une hypersexualité. Cependant, ces lésions étaient assez larges et incluaient l’amygdale, l’hippocampe et les aires corticales proches. D’autres études sur le singe et notamment celle de Weiskrantz (1956) ont permis de préciser que des lésions restreintes à l’amygdale répliquaient le syndrome de Klüver-Bucy. Ces études ont aussi permis de qualifier l’amygdale de centre cérébral fondamental des émotions. L’une des descriptions les plus célèbres ayant permis d’étudier chez l’Homme le rôle de l’amygdale est celle de la patiente S.M. Cette patiente souffrait de la maladie d’Urbach- Wiethe caractérisée par des symptômes dermatologiques et neurologiques. Des études d’imageries cérébrales ont révélé la présence de lésions bilatérales (calcifications) relativement sélectives de la région amygdalienne. L’étude neuropsychologique de S.M. (Tranel & Hyman, 1990) a révélé que le déficit le plus caractéristique résidait dans son incapacité à détecter et analyser de manière appropriée les émotions. Ainsi, S.M. éprouvait de grandes difficultés à discriminer des visages qui ne diffèrent les uns des autres que par l’émotion qu’ils expriment. De plus, ses difficultés s’avéraient marquées lorsqu’il s’agissait de reconnaître des émotions négatives (p. ex., peur, colère). D’autres études de patients porteurs de lésions amygdaliennes (Adolphs et al., 1994; Young et al., 1995) et d’imagerie cérébrale (Breiter et al., 1996; Morris et al., 1996) sont venues confirmer cette première étude neuropsychologique en soulignant un rôle crucial de l’amygdale dans les situations émotionnellement connotées. De nombreuses études chez l’Homme, le primate non-humain mais surtout chez le rongeur ont clairement établi que l’amygdale est la composante essentielle d’un circuit

47 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif cérébral permettant d’attribuer une signification émotionnelle à des stimuli et d’exprimer des réponses conditionnées émotionnelles. Ce processus est à la base des apprentissages associatifs. Bien que l’amygdale soit impliquée dans les émotions positives et négatives, la majorité des études associe cette structure à la peur. C’est surtout à partir des années 1980 que les tâches de conditionnement Pavlovien aversif ont été intensivement utilisées pour étudier à plusieurs niveaux d’analyse le rôle de l’amygdale dans l’apprentissage aversif.

b) Anatomie et connectivité

L’amygdale est située dans la partie antérieure de l’extrémité temporale de la corne des ventricules latéraux (Isaacson, 1974). Elle est composée de plusieurs noyaux et sous-noyaux, qui sont typiquement différenciés sur la base de critères cytoarchitectoniques, histochimiques et selon leur connectivité (Paxinos & Watson, 1986; Swanson, 1992; Pitkanen et al., 2000; LeDoux, 2007). Bien que différentes nomenclatures aient été utilisées, nous nous sommes référés à l’atlas stéréotaxique de Franklin & Paxinos (1997) pour nommer les différents noyaux amygdaliens impliqués dans le conditionnement aversif.

• Connexions extrinsèques Le noyau latéral (LA) est typiquement considéré comme la voie d’entrée sensorielle de l’amygdale car il reçoit un grand nombre d’informations de toutes les modalités sensorielles (auditives, visuelles, somatosensorielles/nociceptives, olfactives et gustatives) des cortex sensoriels primaires (lobes temporal, insulaire et pariétal) et du thalamus. Il reçoit aussi des projections venant de l’hippocampe, du cortex entorhinal et du cortex préfrontal médian (CPFm) (Figure 2). Le noyau basolatéral (BLA), aussi nommé noyau basal (B), serait un relais amygdalien pour des régions impliquées dans le traitement d’informations et l’élaboration de réponses comportementales relativement élaborées. En effet, le BLA reçoit et envoie de fortes projections vers les cortex associatifs polymodaux, l’hippocampe, le cortex entorhinal et le CPFm. Il projette aussi massivement vers le striatum ventral ou noyau accumbens, ce qui permet de contrôler des actions face à un événement aversif comme le comportement de fuite. Il est à noter que les noyaux LA et BLA forment une même masse tissulaire en forme d’amande facilement reconnaissable, ce qui a ainsi donné son nom à l’amygdale. Ces deux noyaux sont aussi souvent regroupés sous le terme de complexe basolatéral. Ce complexe

48 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif comprend une majorité de neurones de projection glutamatergiques et une minorité d’interneurones GABAergiques. Enfin, le noyau central de l’amygdale (CE), de forme arrondie et situé à côté du complexe basolatéral, est considéré comme la voie de sortie de l’amygdale. En effet, le CE projette vers des régions impliquées dans différentes réponses émotionnelles, telles que la substance grise périaqueducale (expression comportementale de peur, « freezing »), l’hypothalamus (activation endocrinienne, axe corticotrope), le noyau moteur dorsal du nerf vague (réponses du système nerveux autonome) et le BNST (noyau du lit de la strie terminale, réponse d’anxiété). Il reçoit aussi des informations viscérales nociceptives du tronc cérébral (noyaux du faisceau solitaire et parabrachial) et des afférences du CPFm. Contrairement au complexe basolatéral, le CE comprend une majorité de neurones GABAergiques et une minorité de neurones de projection glutamatergiques. En plus de ces trois noyaux impliqués dans le conditionnement aversif, il existe des cellules intercalées (ITC) qui sont, elles, importantes pour l’extinction de la peur conditionnée. Comme leur nom l’indique, elles sont situées entre le complexe basolatéral et le CE. Ce sont des neurones GABAergiques constituant le réseau inhibiteur de l’amygdale. Les ITC reçoivent exclusivement des autres régions cérébrales des projections venant du CPFm et en particulier du cortex infralimbique, structure critique pour les processus d’extinction de la peur conditionnée.

• Connexions intrinsèques Les connexions intra-amygdaliennes (Figure 2) sont organisées de sorte qu'il existe une hiérarchie des noyaux et une convergence des projections sur un noyau donné. En effet, dans la hiérarchie du schéma suivant : LA, BLA, ITC, CE, un noyau en amont projette sur tous les autres noyaux en aval. Ce type d’organisation permet que les informations sensorielles principalement reçues par le LA puissent être transmises à l’ensemble des noyaux amygdaliens jusqu’au noyau de sortie de l’amygdale (CE). Ces informations peuvent aussi être directement transmises du LA au CE en court-circuitant les autres projections intra- amygdaliennes. De plus, le CE reçoit une convergence des projections issues du complexe basolatéral et des ITC, ce qui lui permet de générer des réponses émotionnelles appropriées au vu de l’ensemble des informations.

49 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif

Figure 2. Représentation schématique des principales afférences et efférences de l’amygdale. Les afférences des noyaux latéral (LA), basolatéral (B), central (CE) et des cellules intercalées (ITC) sont représentées en haut et les efférences en bas de la figure. (Adapté de Rodrigues et al., 2009).

Pour résumer, l’organisation des connexions extrinsèques et intrinsèques de l’amygdale révèlent une organisation relativement hiérarchique et topographique des différents noyaux amygdaliens. Ceci suggère que les différents noyaux amygdaliens constituent des unités fonctionnelles distinctes traitant l'information de manière parallèle mais néanmoins convergente. En d’autres termes, une information entrant dans une région de l’amygdale est aussi reçue par une autre région de l’amygdale, recevant elle-même des informations issues d’autres aires cérébrales. Ce recouvrement des projections au niveau de certains noyaux joue probablement un rôle important dans la concordance des différentes informations traitées en parallèle au sein des réseaux amygdaliens.

c) Rôle de l’amygdale dans le conditionnement aversif

Les données anatomiques révèlent que l’amygdale est organisée en circuiterie avec d’un côté un système d’entrées sensorielles (LA) recevant une convergence d’informations et, de

50 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif l’autre, un système de sortie (CE) orchestrant les différentes réponses émotionnelles. Ceci suggère que l’amygdale serait au centre du circuit cérébral sous-tendant le conditionnement aversif. De nombreuses études chez l’Homme sont venues appuyer cette l’idée. Des études neuropsychologiques ont montré que des patients porteurs d’une lésion bilatérale de l’amygdale (Bechara et al., 1995), ou d’une lésion unilatérale du lobe temporal médian (LaBar et al., 1995) sont incapables de réaliser des associations conditionnées. De plus, des études d’imagerie cérébrale ont montré une augmentation significative du flux sanguin dans l’amygdale lorsque des sujets normaux réalisent une tâche de conditionnement aversif (LaBar et al., 1998). Mais finalement, la majeure partie de nos connaissances sur le rôle de l’amygdale provient des nombreuses études chez le rongeur. Celles-ci ont clairement démontré que l’amygdale est une structure clef sous-tendant le conditionnement aversif (LeDoux, 1995; Maren et al., 1996; Davis, 1997; Fendt & Fanselow, 1999; Pare et al., 2004). Ces études ont conduit à l’élaboration de modèles fonctionnels dans lesquels l’amygdale sous-tend l’acquisition d’un conditionnement aversif au SC ou au contexte.

• Circuit cérébral du conditionnement au SC Le modèle standard du conditionnement à un SC discret (Figure 3) a été initialement proposé par LeDoux (2000; 2007). Dans ce modèle, les informations sur le SC (son) ainsi que celles sur le SI (choc électrique) convergent sur le LA. Ces entrées sensorielles viennent à la fois des aires corticales sensorielles (auditives ou somatosensorielles) et des aires thalamiques (corps genouillé médian). Les projections directes thalamo-amygdaliennes semblent être suffisantes pour un conditionnement à un SC et plus impliquées que les projections thalamo- cortico-amygdaliennes (Quirk et al., 1995). Cependant, les projections du cortex auditif s’avèrent nécessaires lorsque le SC sonore est complexe ou fait l’objet d’une discrimination (Romanski & LeDoux, 1992). La convergence des informations sur le LA implique que celui-ci supporte l’établissement du conditionnement. Des neurones du LA sont en effet capables de répondre à la fois à des stimuli auditifs et somatosensoriels (Romanski et al., 1993). De plus, ces neurones répondent encore plus fortement au son si celui-ci a été associé au SI (Quirk et al., 1995). Ce changement d’activité neuronale traduit une potentialisation à long terme (PLT), renforçant durablement l’efficacité synaptique au niveau des entrées sensorielles correspondant au SC et au SI. Il est maintenant admis que le LA est un site majeur de

51 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif modifications synaptiques qui contribuent à la formation et à l’encodage de l’association SC- SI (LeDoux, 2000; Blair et al., 2001; Maren et al., 2001). Par la suite, l’exposition au SC seul en phase de test est capable d’activer fortement les neurones du LA sous-tendant l’association SC-SI. L’information du SC formée dans le LA est transmise au CE par des projections intra-amygdaliennes directes et indirectes. Le CE orchestre alors l’expression des différentes réponses émotionnelles via ses connections avec les régions cérébrales qui génèrent ces réponses.

Figure 3. Modèle standard du conditionnement aversif au SC sonore. Les voies du SC et celles du SI convergent sur les mêmes neurones du LA. La convergence SC-SI induit une plasticité synaptique de sorte que le SC sera ensuite capable d’activer à lui seul les neurones du LA. Par la suite, l’information est transmise du LA au CE par des projections intra-amygdaliennes directes et indirectes. Les sorties du CE contrôle l’expression des réponses émotionnelles telles que le « freezing » (substance grise périaqueducale, CG), l’activation du système nerveux autonome (hypothalamus latéral, LH) et la libération d’hormones (noyau paraventriculaire, PVN). (Adapté de LeDoux, 2007).

Ainsi, le modèle standard du conditionnement au SC place traditionnellement le LA comme l’élément central de l’acquisition et de la consolidation du conditionnement et le CE, au contraire, comme le noyau clef de l’expression des RCE. Ce modèle se base sur des observations majeures. D’une part, la stimulation à haute fréquence des fibres provenant du corps genouillé médian produit une PLT dans le LA, mais non dans le BLA (Yaniv et al., 2001). Les lésions ou l’inactivation du LA pendant le conditionnement bloque l’acquisition du conditionnement (LeDoux et al., 1990; Muller et al., 1997; Maren et al., 2001; Calandreau

52 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif et al., 2005). De plus, l’inhibition dans le LA d’événements moléculaires qui sous-tendent une plasticité à long terme, tels que l’activation des récepteurs NMDA (Fanselow & Kim, 1994; Walker & Davis, 2002), l’activation de protéines kinases telles que PKA, PKC, CaMKII et ERK1/2 (Schafe et al., 2001), ou la synthèse protéique (Bailey et al., 1999; Schafe et al., 1999), bloquent la consolidation du conditionnement. D’autre part, des études lésionnelles ont montré qu’une atteinte du CE interfère avec l’expression des RCE (Kapp et al., 1979; Hitchcock & Davis, 1986).

Cependant, la contribution précise du BLA dans le conditionnement au SC est sujette à débat. Dans le modèle standard, le BLA ne semble pas être nécessaire pour l’acquisition d’un conditionnement au SC. Cette idée se basait sur des études ne montrant aucun effet de lésion en pré-acquisition ou d’une inactivation réversible du BLA sur le conditionnement élémentaire (Amorapanth et al., 2000; Nader et al., 2001; Calandreau et al., 2005; Onishi & Xavier, 2010). Cependant, d’autres études ont montré que des lésions en post-acquisition bloquent le rappel d’une RCE au son (Anglada-Figueroa & Quirk, 2005). De plus, les neurones du BLA montrent, comme ceux du LA, une plasticité synaptique après un conditionnement élémentaire (Maren et al., 1991; Toyomitsu et al., 2002). Enfin, il a été récemment identifié une population de neurones du BLA qui déchargent spécifiquement au SC sonore pendant le conditionnement et le test de rappel (Herry et al., 2008). Ainsi, bien que le système LA-CEA semble être suffisant pour supporter un conditionnement élémentaire, le BLA contribuerait aussi à ce conditionnement et serait plus impliqué dans les processus de consolidation mnésique. Le modèle standard du conditionnement aversif au SC a été remis en cause (Cahill et al., 1999; Pare et al., 2004). Il a été récemment révisé en réexaminant notamment le rôle du CE (Wilensky et al., 2006). En effet, le CE possède des caractéristiques qui permettent de le considérer comme un site critique de l’apprentissage, tout comme à l’origine le LA. Le CE, comme le LA, reçoit à la fois des projections du thalamus et du cortex auditif concernant le SC et des projections nociceptives, concernant le SI, des cortex pariétal et insulaire et de la moelle épinière (Bernard & Besson, 1990; LeDoux et al., 1990; McDonald, 1998). De plus, comme le LA, une stimulation à haute fréquence des afférences thalamiques induit une PLT dans le CE (Samson & Pare, 2005). D’un point de vue fonctionnel, l’inactivation réversible du CE lors du conditionnement bloque l’acquisition du conditionnement, et l’inhibition de la synthèse protéique dans le CE en post-acquisition bloque la consolidation du conditionnement (Wilensky et al., 2006). Ainsi, le CE, en plus d’être nécessaire à l’expression des RCE,

53 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif semble finalement être un site de plasticité essentiel pour l’acquisition et la consolidation du conditionnement aversif. Néanmoins, ces observations ne remettent pas en cause les nombreuses données qui mettent en avant le rôle central et critique du LA dans le conditionnement au SC. Bien qu’il reçoive une convergence des informations du SC et du SI, le CE ne peut se substituer au LA. Dans le modèle révisé du conditionnement (Figure 4), il est alors proposé que la plasticité dans le LA, cruciale, conditionnerait la plasticité dans le BLA et dans le CE (Anglada- Figueroa & Quirk, 2005; Wilensky et al., 2006). Ainsi, le circuit cérébral du conditionnement aversif au SC, ne fonctionnerait ni simplement en série (du LA au CE), ni même en parallèle, mais serait plutôt distribué au sein de l’amygdale.

Figure 4. Modèle standard et modèle révisé du conditionnement aversif au SC. (a) Dans le modèle standard, seul le LA reçoit les informations convergentes du SC et du SI et est considéré comme un site de plasticité et d’apprentissage. (b) Dans le modèle révisé, le CE reçoit aussi des informations du SC et du SI, qui sont notamment convergentes dans le CE capsulaire (CEc) et dans le CE médian (CEm). Ces deux subdivisions du CE servent donc de sites additionnels de plasticité et de formation de l’association SC-SI. De plus, le BLA (B) est aussi un site de plasticité. Les étoiles indiquent les présumés sites de plasticité synaptique et d’apprentissage. (Adapté de Wilensky et al., 2006).

• Circuit cérébral du conditionnement au contexte Un conditionnement au contexte implique la formation d’une association entre une représentation unifiée du contexte et le SI (Fanselow & Rudy, 1998). Le traitement du contexte est sous-tendu par l’hippocampe, alors que la formation d’une association contexte- SI, comme toute association conditionnée, est supportée par l’amygdale. Ceci implique qu’au- delà de l’établissement de la représentation contextuelle, l’hippocampe et l’amygdale interagissent afin que cette représentation soit associée au SI. Cependant, les rôles respectifs des différents noyaux amygdaliens dans le conditionnement contextuel ont été moins étudiés que dans le conditionnement élémentaire.

54 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif

La plupart des études ont conclu sur un rôle central du BLA dans le conditionnement contextuel, à l’image du rôle central du LA dans le conditionnement élémentaire. En effet, le BLA semble être l’un des sites privilégiés des projections de la formation hippocampique (Canteras & Swanson, 1992). De plus, une stimulation à haute fréquence de fibres de l’hippocampe ventral ou du cortex périrhinal ventral produit une PLT dans le BLA, mais non dans le LA (Maren & Fanselow, 1995; Yaniv et al., 2001). Enfin, une lésion ou une inactivation réversible du BLA bloquent le conditionnement contextuel (Maren, 1999; Goosens & Maren, 2001; Calandreau et al., 2005; Onishi & Xavier, 2010). Il semble que le LA contribue aussi au conditionnement contextuel. Le LA reçoit des informations sensorielles polymodales en provenance de l’hippocampe et des cortex entorhinal et périrhinal, bien que celles-ci soient reçues majoritairement par le BLA (McDonald, 1998; Pitkanen et al., 2000). Une lésion pré-acquisition ou une inactivation du LA abolit le conditionnement contextuel (Goosens & Maren, 2001; Calandreau et al., 2005). De plus, l’acquisition d’un conditionnement contextuel induit une activation de ERK1/2, molécule critique pour le conditionnement, tant dans le LA que dans le BLA (Calandreau et al., 2006; Trifilieff et al., 2007). Enfin, il a été récemment identifié, par une approche génétique, une population spécifique de neurones dans le LA qui est spécifiquement activée par un conditionnement contextuel (Wilson & Murphy, 2009). Comme le CE est un site de plasticité et semble être requis pour l’établissement d’un conditionnement élémentaire, ce noyau pourrait aussi être requis pour l’établissement du conditionnement contextuel. Une seule étude permet pour l’instant de soutenir cette idée. Elle montre que l’inactivation réversible en pré-acquisition du CE abolit les réponses de peur sans affecter le niveau de freezing en réponse aux chocs électriques pendant l’acquisition (Pitts et al., 2009). Les auteurs suggèrent alors que le CE serait nécessaire pour la consolidation du conditionnement contextuel.

• Contribution différentielle de l’amygdale en fonction du stimulus prédictif du SI L’ensemble des données ci-dessus montrent que les mêmes noyaux amygdaliens (LA, BLA et CE) semblent être impliqués à la fois dans le conditionnement élémentaire et dans le conditionnement contextuel. Cependant, ces noyaux seraient différemment impliqués et solliciteraient des processus différents en fonction du conditionnement. En effet, il a été montré au sein de l’équipe que le BLA présente une plus forte activation de ERK1/2 après un conditionnement contextuel qu’après un conditionnement élémentaire (Calandreau et al., 2006; Trifilieff et al., 2007). De plus, ces mêmes auteurs ont

55 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif montré que la consolidation d’un type de conditionnement (contextuel vs. élémentaire au SC) est associée à l’établissement de cinétiques de ERK1/2 différentielles dans le LA (biphasique vs. monophasique, respectivement) (Trifilieff et al., 2007). Enfin, des études de criblage de gènes ont déterminé des combinaisons de gènes spécifiquement induits par un conditionnement élémentaire comparé au conditionnement contextuel au sein du complexe basolatéral (Ressler et al., 2002; Lamprecht et al., 2009). Il apparait alors qu’un noyau amygdalien peut être impliqué dans deux formes de mémoire mais va mobiliser une signalisation moléculaire et génétique différente. Le conditionnement au SC et le conditionnement au contexte recruteraient donc de façon différentielle les neurones et les mécanismes moléculaires des trois noyaux amygdaliens clef de l’apprentissage (LA, BLA et CE). Ces données suggèrent qu’en fonction du stimulus prédictif du SI (son ou contexte), un fonctionnement spécifique du complexe LA-BLA-CE pourrait être observé.

2. L’hippocampe

a) Généralités

L’hippocampe, comme l’amygdale, est une structure cérébrale appartenant au système limbique. Le rôle de cette structure a largement été étudié depuis les années 1950 à la suite des travaux pionniers basés sur l’étude du célèbre patient H.M. (Scoville & Milner, 1957), pseudonyme maintenant connu d'Henry Gustav Molaison (1926-2008). Ce patient avait subi en 1953 une ablation chirurgicale des lobes temporaux médians incluant une hippocampectomie totale, afin de tenter d’endiguer de fortes crises épileptiques résistant aux traitements classiques de l’époque. Le patient H.M. présentait à la suite de l’opération de sévères troubles de mémoire épisodique. Il était incapable de former de nouveaux souvenirs relatifs à la vie de tous les jours (amnésie antérograde quasi-totale) ou de se rappeler des événements de sa vie survenus de une à quatre années avant l’opération (amnésie rétrograde partielle). Cependant, certaines de ses capacités mnésiques semblaient préservées, telles que l’acquisition de nouvelles aptitudes procédurales sans même se souvenir les avoir appris. Ce cas clinique a été le point de départ de nombreux travaux qui mèneront à des classifications de systèmes de mémoire (cf. partie I). De plus, de nombreuses observations ont permis de préciser le rôle de l’hippocampe dans la formation de représentations élaborées d’une expérience. Enfin, des études ont aussi conduit à différencier l’implication de l’hippocampe de celle de l’amygdale dans le conditionnement aversif.

56 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif

b) Anatomie et connectivité

L’hippocampe est une structure phylogénétiquement ancienne (archicortex) qui ne comporte que trois couches cellulaires. En vue sagittale, l’hippocampe a une forme de C se développant sur un axe septo-temporal, aussi appelé axe dorso-ventral (Figure 5A) (Amaral & Witter, 1995). En coupe frontale, l’hippocampe présente deux structures en forme de U inversé, définies comme le gyrus denté (GD) et la corne d’Ammon subdivisée en trois champs CA1, CA2 et CA3 (Figure 5B) (Ramon y Cajal, 1911). Bien que la corne d’Ammon constitue l’hippocampe à proprement parlé, le terme d’hippocampe se réfère généralement à cette structure associée au GD. La formation hippocampique (FH) se compose de l’hippocampe (CA1-CA3 et GD) et des structures para-hippocampiques d’entrée (le cortex entorhinal) et de sortie (le subiculum). Il existe deux types cellulaires principaux au sein de la formation hippocampique : les cellules granulaires du GD et les cellules pyramidales des champs ammoniques. Les corps des cellules granulaires, qui sont essentiellement glutamatergiques, sont situés dans le stratum granulosum du GD. Les projections axonales de ces neurones vers l’aire CA3 constituent les fibres moussues. Les corps des cellules pyramidales sont situés dans le stratum pyramidale des champs ammoniques et sont eux aussi essentiellement glutamatergiques. L’hippocampe présente en outre un nombre important d’interneurones inhibiteurs GABAergiques.

Figure 5. Représentations schématiques de l’hippocampe. (A) Localisation de l’hippocampe dans le cerveau entier de rongeur et division en hippocampe dorsal (en bleu) et hippocampe ventral (en rose). (Adapté de Amaral & Witter, 1995). (B) Connexions intra-hippocampiques du circuit trisynaptique en coupe frontale d’hippocampe. Abréviations : CEL/CEM, cortex entorhinal latéral et médian ; CS, collatérales de Schaffer ; FM, fibres moussues ; GD, gyrus denté ; Sb, subiculum ; VP, voie perforante.

• Afférences Les principales afférences hippocampiques proviennent du cortex entorhinal qui émet des projections vers le GD mais aussi vers les aires CA3 et CA1. C’est par ces voies que

57 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif l’hippocampe va recevoir la majeure partie des informations en provenance des aires sensorielles. La projection du cortex entorhinal sur le GD est nommée voie perforante. C’est la seule entrée corticale au niveau du GD. En revanche, le GD reçoit des projections en provenance de régions sous-corticales telles que le septum ou l’hypothalamus et de régions du tronc cérébral, en particulier le locus coeruleus et les noyaux du raphé. Il semblerait de plus qu’une partie de la voie perforante soit constituée de projections axonales en provenance du cortex périrhinal et se terminant sur les neurones du CA1 (Liu & Bilkey, 1996). En plus des afférences du cortex entorhinal, le CA3 et surtout le CA1 reçoivent aussi des entrées sous-corticales en provenance des noyaux amygdaliens et du septum (Pikkarainen et al., 1999; Pitkanen et al., 2000). Ces deux aires reçoivent aussi des entrées thalamiques en provenance du nucleus reuniens.

• Efférences La principale voie efférente de l’hippocampe est formée par le fornix qui est constitué du prolongement des axones des cellules pyramidales hippocampiques. Le fornix permet ainsi le transit des informations de l’hippocampe vers des structures telles que le septum et l’hypothalamus (Chronister & White, 1975). Une autre voie de sortie importante de l’hippocampe passe par le subiculum. Celui-ci reçoit des projections en provenance du CA1 et projette à son tour vers le cortex entorhinal. Ce dernier va à son tour émettre des projections vers différentes aires associatives du néocortex telles que le cortex préfrontal ou le cortex orbito-frontal. En parallèle de ces deux principales voies, l’hippocampe projette vers diverses structures cérébrales telles que les différents noyaux de l’amygdale, les cortex entorhinal, périrhinal et postrhinal, ainsi que vers de nombreuses autres régions corticales via des projections neuronales essentiellement issues de l’aire CA1.

• Connexions intrinsèques L’hippocampe présente un profil bien particulier de connexions intrinsèques reliant l’ensemble de ses régions. Ce réseau de connexions est nommé circuit trisynaptique (Figure 5B). Le point de départ de ce circuit est constitué par les connexions synaptiques entre la voie perforante du cortex entorhinal et les cellules granulaires du GD. Les cellules de la couche granulaire donnent naissance aux fibres moussues qui innervent à leur tour les cellules de CA3. Les cellules pyramidales de CA3 émettent des projections nommées collatérales de Schaffer à destination des cellules de CA1. De plus, il existe au niveau de l’aire CA3 un

58 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif important ensemble de fibres nommées collatérales récurrentes, constituées par les prolongements axoniques des cellules de l’aire CA3 projetant sur d’autres cellules de cette aire. Enfin, les cellules du CA1 projettent vers le subiculum. Dans ce circuit, les principales voies hippocampiques sont unidirectionnelles, c’est-à- dire la voie perforante, les fibres moussues et les collatérales de Schaffer. Ce circuit trisynaptique ainsi que l’activité récurrente au sein du CA3 jouent un rôle central dans les modèles théoriques proposés pour l’hippocampe.

c) Hippocampe dorsal et hippocampe ventral

Dans une revue princeps, Moser & Moser (Moser & Moser, 1998) ont mis en évidence que l’hippocampe ne serait pas une structure unitaire mais possèderait des fonctions distinctes le long de son axe longitudinal (dorso-ventral chez le rongeur et postério-antérieur chez l’Homme). Sur la base de différenciations anatomiques (Pitkanen et al., 2000), génétiques (Dong et al., 2009; Fanselow & Dong, 2010) et physiologiques (Segal et al., 2010), l’hippocampe est généralement divisé en deux régions : l’hippocampe dorsal (HPCd) et l’hippocampe ventral (HPCv).

L’HPCd et l’HPCv présentent des profils de connexion différents notamment avec les noyaux amygdaliens. L’HPCd reçoit peu d’afférences en provenance de l’amygdale. Au contraire, l’HPCv reçoit de nombreuses projections de l’ensemble des noyaux de l’amygdale. En particulier, le LA projette préférentiellement vers l’aire CA1 de l’HPCv alors que le BLA projette à la fois sur les aires CA1 et CA3 de l’HPCv (Pikkarainen et al., 1999). De plus, seul l’HPCv émet des projections en direction des noyaux amygdaliens à partir de l’aire CA1 et du subiculum. Les aires majeures de réception sont le BLA postérieur et le noyau basomédial, le LA et le BLA antérieur recevant des projections modérées (Pitkanen et al., 2000; Cenquizca & Swanson, 2007). Les afférences sensorielles se répartissent aussi différemment entre les deux sous- régions hippocampiques. Ainsi, l’HPCd reçoit la majorité des projections concernant les informations visuo-spatiales en provenance des cortex sensoriel primaires, via les cortex associatifs et les cortex entorhinal et périrhinal (Amaral & Witter, 1995). Par contre, les projections concernant les autres modalités sensorielles sont réparties de façon plus diffuse sur l’ensemble de l’hippocampe (Bannerman et al., 2004).

59 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif

Les projections de l’HPCd et de l’HPCv en direction des cortex se répartissent aussi différemment. Ainsi, les projections ayant pour origine le CA1 dorsal aboutissent majoritairement sur le cortex rétrosplénial alors que celles en provenance du CA1 ventral se terminent au niveau des cortex visuel, auditif, somatosensoriel, gustatif, olfactif principal et accessoire, ainsi que viscéral (Cenquizca & Swanson, 2007).

De récentes études chez la souris C57Bl/6 ont conduit à délimiter de façon précise le CA1 et le CA3 en trois domaines : dorsal, intermédiaire et ventral (Dong et al., 2009; Fanselow & Dong, 2010). Ces trois domaines sont différenciés sur la base de marqueurs génétiques, c’est-à-dire de gènes spécifiquement exprimés par les neurones pyramidaux d’un domaine hippocampique (Figure 6). De façon intéressante, les gènes spécifiquement exprimés dans l’HPCd corrèlent avec ceux exprimés dans des régions corticales, alors que l’HPCv partage des patterns d’expression de gènes avec l’amygdale et l’hypothalamus. La région intermédiaire de l’hippocampe, partageant les caractéristiques génétiques des deux régions voisines, peut être considérée comme un lien entre l’HPCd et l’HPCv. La ségrégation des gènes représentatifs d’un domaine moléculaire coïncide avec les limites anatomiques dans le sens où l’HPCd apparait au-dessus de la fissure hippocampique et l’HPCv au-dessous de la fissure rhinale.

Figure 6. Distinction des domaines dorsal et ventral de l’hippocampe. Distribution de plusieurs marqueurs génétiques le long de l’axe dorso-ventral dans le CA1 et le CA3 en coupe frontale d’hippocampe de souris. Des gènes représentatifs définissent clairement le CA1d (Wfs1, vert), CA1v (Grp, rouge), CA3d (Iyd, bleu) et CA3v (Plagl1, rose et Coch, jaune). Les gènes spécifiquement exprimés dans le CA1d et le CA1v sont retrouvés dans des structures corticales (Wfs1, vert) et l’amygdale (Grp, rouge), respectivement. Abréviations : BLAp : BLA postérieur ; BMAp : noyau basomédian postérieur ; CTX, cortex cérébral ; ENTl, aire entorhinale latérale ; PER, cortex périrhinal ; PIR, cortex piriforme ; hf, fissure hippocampique ; rf, fissure rhinale. (Adapté de Fanselow & Dong, 2010).

Enfin, de récentes études ont montré une dissociation de certaines propriétés des neurones hippocampiques le long de l’axe dorso-ventral. D’une part, tandis qu’en conditions standards il est possible d’induire une PLT dans l’HPCd, une PLT de faible amplitude ne peut

60 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif qu’être induite dans l’HPCv (Maggio & Segal, 2007b, 2007a). D’autre part, la taille du champ des cellules de lieu augmente du pole dorsal au pole ventral (Kjelstrup et al., 2008).

d) Hippocampe et représentation élaborée de l’expérience

Les données anatomiques montrent que l’hippocampe est une zone de réception majeure des signaux en provenance des aires corticales sensorielles. Elles révèlent aussi une organisation intrinsèque se caractérisant par un haut degré d’interconnexion favorable à une activité auto-soutenue et récurrente. Tout ceci suggère donc que cette structure pourrait contribuer au traitement et à l’utilisation flexible de représentations complexes de stimuli. Il est de nos jours admis que, chez l’Homme, l’hippocampe serait capital dans la formation de la mémoire épisodique (Tulving, 1983). Cette forme de mémoire suppose une représentation élaborée d’un événement passé, nécessitant des relations complexes entre des informations de différentes natures (temporelles, contextuelles, émotionnelles) (cf. partie I). Chez l’animal, la découverte de cellules de lieu permit de formuler l’hypothèse selon laquelle l’hippocampe serait critique pour l’élaboration d’une représentation spatiale sous une forme proche de celle d’une carte (O'Keefe & Nadel, 1978). Associées à la découverte de cellules dites de « direction » (i.e. déchargeant spécifiquement pour certaines orientations de la tête ou du déplacement de l’animal) (Taube et al., 1990b, 1990a), ces cellules semblent contribuer au codage d’une carte spatiale de l’environnement dans lequel évolue l’animal. Par ailleurs, des études lésionnelles montrent que des animaux porteurs de lésions hippocampiques sont largement déficitaires dans des apprentissages spatiaux et des épreuves d’explorations, alors qu’ils ne sont pas perturbés dans des épreuves dites non spatiales (Morris et al., 1982; Sutherland et al., 1982; Gallagher & Holland, 1992; Jarrard, 1993). Selon d’autres études, le fonctionnement des neurones hippocampiques ne serait pas exclusivement dévolu à la constitution de cartes spatiales mais contribuerait plus généralement à l’élaboration de représentations relationnelles. Dans ce cadre, Eichenbaum et al. (Eichenbaum et al., 1988; Eichenbaum et al., 1989) ont observé chez le rat que la lésion bilatérale du fornix lors d’une épreuve de discrimination d’odeurs perturbe les performances des animaux lorsque que les odeurs sont présentées simultanément (présentation de paires d’odeurs). En revanche cette lésion facilite la discrimination dans le cas où les odeurs sont présentées successivement aux animaux. Depuis, des études menées au laboratoire sont venues conforter les observations d’Eichenbaum dans une épreuve se déroulant dans un labyrinthe radiaire (Marighetto et al., 1999). De manière conjointe, l’étude d’enregistrements

61 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif de l’activité unitaire de neurones hippocampiques (Eichenbaum et al., 1989; Wiener et al., 1989) révèlent la présence de cellules qui ne déchargent pas uniquement en réponse à des informations spatiales.

e) Rôle de l’hippocampe dans le conditionnement aversif

• Hippocampe et conditionnement contextuel Dans la mesure où l’hippocampe serait requis dans la formation d’associations polymodales, complexes, l’hippocampe pourrait participer à la formation de représentations configurales d’un contexte (Sutherland & Rudy, 1989) tout autant qu’à celle de représentations spatiales ou relationnelles. Les premières études et la majorité des études suivantes visant à spécifier le rôle de l’hippocampe dans le conditionnement aversif ont abouti à l’idée générale que l’hippocampe est requis pour le conditionnement au contexte (Holland & Bouton, 1999). Deux célèbres études mirent en évidence que les lésions de l’hippocampe perturbaient spécifiquement le conditionnement au contexte, mais pas le conditionnement au son (Kim & Fanselow, 1992; Phillips & LeDoux, 1992). Bien que des lésions hippocampiques avant l’apprentissage ne semblent pas toujours avoir d’effet en fonction du type de lésion effectué (Maren et al., 1997; Frankland et al., 1998; Richmond et al., 1999; Rudy et al., 2002), des lésions post-apprentissage perturbent fortement le conditionnement au contexte (Kim & Fanselow, 1992; Maren et al., 1997; Frankland et al., 1998; Anagnostaras et al., 1999). Un ensemble d’études menées par l’équipe de Rudy a démontré le rôle critique de l’hippocampe dans la construction d’une représentation « configurale » ou « unifiée » du contexte (Rudy et al., 2004). Ces études utilisent un protocole nommé « context pre-exposure facilitation effect » consistant à pré-exposer l’animal au contexte de conditionnement un jour avant la phase d’« immediate shock deficit » (ISD) dans laquelle les chocs sont délivrés immédiatement dans le contexte. Cette phase de pré-exposition rétablit un conditionnement contextuel, d’où le nom du protocole et du phénomène (Fanselow, 1990). En effet, la pré- exposition a permis l’établissement d’une représentation du contexte, qui a pu ensuite être associée au SI lors de la phase d’ISD. En revanche, la pré-exposition limitée à seulement certains éléments du contexte de conditionnement ne permet pas un conditionnement contextuel (Rudy & O'Reilly, 1999). De plus, une lésion ou une inactivation temporaire de l’hippocampe pendant la phase de pré-exposition au contexte abolit l’effet facilitateur de la pré-exposition sur le conditionnement au contexte (Rudy et al., 2002; Matus-Amat et al.,

62 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif

2004). Cela conforte l’idée que l’hippocampe formerait une représentation unifiée du contexte, nécessaire à un conditionnement contextuel ultérieur. Cependant, d’autres études montrent, inversement, que des animaux hippocampiques sont capables de traiter leur environnement contextuel et présentent même parfois de meilleures performances que des animaux non lésés. Toutefois généralement dans ces épreuves, le contexte soit inclut un indice simple particulièrement saillant (Hall et al., 1996), soit est réduit à un environnement très pauvre (Winocur et al., 1987; McAlonan et al., 1995; Gisquet-Verrier et al., 1999). L’absence de déficit, voire la facilitation du conditionnement au contexte chez les animaux hippocampiques pourrait ainsi être en partie expliquée par l’utilisation d’une stratégie « élémentaire », dans laquelle un élément saillant ou bien chaque élément du contexte serait indépendamment associé au SI. Il a donc été proposé qu’en l’absence d’hippocampe durant l’acquisition, un système extra-hippocampique comprenant l’amygdale pouvait prendre en charge le conditionnement contextuel sur la base d’associations simples entre un SC unimodal et le SI (Maren et al., 1997; Anagnostaras et al., 2001; Rudy et al., 2004).

• Hippocampe et conditionnement au SC Aucun modèle fonctionnel de conditionnement élémentaire n’inclut l’hippocampe (Figures 3 et 4). L’amygdale semble majoritairement sous-tendre l’association entre le SC simple et le SI (LeDoux, 2000; Pare et al., 2004). Pourtant, quelques résultats mettent en évidence que l’hippocampe peut aussi entrer en jeu dans l’établissement d’un conditionnement élémentaire à un son. En effet, bien que le conditionnement au son ne soit généralement pas altéré par des lésions de l’hippocampe (Kim & Fanselow, 1992; Phillips & LeDoux, 1992, 1994), quelques études ont observé une perturbation après lésion (Maren et al., 1997; Maren, 1999; Richmond et al., 1999) ou inactivation (Bast et al., 2001). Certains auteurs postulent que l’hippocampe ne serait pas requis à proprement parlé dans le conditionnement élémentaire mais aurait plutôt un rôle modulateur de la fonction amygdalienne. Il a été observé une perturbation du conditionnement au son par le blocage de certains événements moléculaires dans l’hippocampe, tels que l’activation des récepteurs NMDA (Zhang et al., 2001) et de ERK1/2 (Trifilieff et al., 2006). Cette perturbation serait liée à une altération de la capacité de l’hippocampe à moduler la plasticité amygdalienne (Maren & Fanselow, 1995). Il a été en effet montré que l’hippocampe, via le contrôle de l’activation de ERK1/2 au sein de l’amygdale, contribue au contrôle de la sélection du stimulus prédictif du SI (son vs. contexte) (Calandreau et al., 2006). En particulier, la

63 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif diminution de la transmission cholinergique au niveau de l’HPCd contribue à l’établissement d’un conditionnement au son, tandis que l’augmentation de cette transmission promeut un conditionnement au contexte. En revanche, d’autres auteurs pensent que l’hippocampe contribue directement à l’acquisition d’un conditionnement au son. Ces auteurs ont notamment noté que les études lésionnelles concluant que l’hippocampe n’était pas requis dans le conditionnement au son ont en fait effectué des lésions ciblant principalement la partie dorsale de l’hippocampe (Winocur et al., 1987; Kim & Fanselow, 1992; Phillips & LeDoux, 1992, 1994; Anagnostaras et al., 1999; Quinn et al., 2002). La plupart des autres études montrant un déficit de conditionnement au son ont utilisé des lésions totales ou ciblant la partie ventrale de l’hippocampe (Maren et al., 1997; Maren, 1999; Richmond et al., 1999). Ainsi, il apparait indispensable de dissocier les effets sur le conditionnement aversif obtenus après intervention sur l’HPCd de ceux obtenus après interventions sur l’HPCv.

• Dissociations fonctionnelles de l’hippocampe dorsal et ventral Le rôle critique de l’hippocampe dans le conditionnement contextuel a été à l’origine déterminé à partir de lésion ou d’inactivation de l’HPCd (Kim & Fanselow, 1992; Phillips & LeDoux, 1992; Sacchetti et al., 1999; Rudy et al., 2002). L’HPCd étant clairement requis dans ce type d’apprentissage, les études ont voulu par la suite éclaircir la contribution spécifique de l’HPCv. Ces études ont montré que le conditionnement contextuel est abolit après une lésion de l’HPCv en post-apprentissage (Maren, 1999; Maren & Holt, 2004). Au contraire, le conditionnement est préservé après une lésion en pré-apprentissage (Maren & Holt, 2004; Kjelstrup et al., 2008) ou par une inactivation lors du conditionnement (Maren & Holt, 2004). De plus, une étude a montré que la lésion du CA1 ou du CA3 ventral avant l’apprentissage réduit le rappel mais pas l’acquisition du conditionnement contextuel, qui est plutôt bloquée par des lésions dans l’HPCd (Hunsaker & Kesner, 2008). Ces études suggèrent que l’HPCv, contrairement à l’HPCd, serait peu impliqué dans l’encodage des informations relatives au contexte. Cette suggestion est cohérente avec les données anatomiques. En effet, comme il a été dit plus haut, l’HPCv reçoit peu d’informations visuo-spatiales, la majorité étant reçue par l’HPCd (Amaral & Witter, 1995). De plus, les cellules de lieu de l’HPCv ont un champ plus large comparé à celles de l’HPCd (Kjelstrup et al., 2008). L’HPCv semble donc être moins capable que l’HPCd de traiter de façon détaillée les informations contextuelles. Par ailleurs, seul l’HPCv est fortement et directement connecté avec l’amygdale (Pitkanen et al., 2000). Ainsi, des auteurs considèrent l’HPCv comme étant une « voie de passage » d’informations

64 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif relatives au contexte de l’HPCd à l’amygdale (Maren & Fanselow, 1995; Anagnostaras et al., 2001; Maren & Holt, 2004). Cependant, des études montrent à l’inverse une abolition du conditionnement contextuel par l’inactivation de l’HPCv pendant l’apprentissage (Bast et al., 2001; Rudy & Matus-Amat, 2005) ou l’infusion d’antagonistes des récepteurs NMDA (Zhang et al., 2001). Toutefois, basé sur la délimitation précise de l’HPCv qui ne fut établie que récemment (Dong et al., 2009), il semble que ces études ait plutôt ciblé la région intermédiaire de l’hippocampe comme le suggère Fanselow & Dong (Fanselow & Dong, 2010). Globalement, compte tenu des effets variés observés, l’implication de l’HPCv dans le conditionnement contextuel est encore méconnue.

L’implication de l’HPCv dans le conditionnement au son semble être, au contraire, un peu plus claire. En effet, la majorité des études ont observé un déficit de conditionnement au son après une lésion (Maren et al., 1997; Maren, 1999; Richmond et al., 1999; Maren & Holt, 2004; Hunsaker & Kesner, 2008) ou une inactivation de l’HPCv (Bast et al., 2001; Maren & Holt, 2004). A l’inverse, ces études observent qu’aucune de ces interventions sur l’HPCd n’affecte le conditionnement au son (Maren & Holt, 2004; Esclassan et al., 2009). Ainsi, il est maintenant de plus en plus accepté que l’HPCv est requis dans le conditionnement au son. Il a été suggéré que cette implication solliciterait des processus similaires à ceux sous-tendant une représentation du contexte par l’HPCd (Rudy & O'Reilly, 2001), tels que le codage des caractéristiques du son (Sakurai, 2002) et la formation d’une représentation du son qui pourrait être transmise à l’amygdale (Hunsaker & Kesner, 2008). Néanmoins, l’implication précise de l’HPCv dans une forme d’apprentissage classiquement sous-tendue par l’amygdale reste floue.

3. Modèle putatif du conditionnement aversif

L’ensemble des données énoncées ci-dessus révèle une sollicitation différentielle de l’hippocampe et de l’amygdale dans le conditionnement aversif selon le type de conditionnement préférentiellement réalisé (au son ou au contexte). En accord avec cette idée, plusieurs études de l’équipe ont pu montrer une activité différentielle au sein du circuit hippocampo-amygdalien en fonction du stimulus prédictif, notamment un recrutement différentiel de voies moléculaires requises pour la consolidation mnésique. En particulier, la consolidation d’un type de conditionnement (contextuel vs. élémentaire au SC) est associée à

65 INTRODUCTION - Le conditionnement aversif des niveaux d’activation de ERK1/2 différentiels au sein du CA1 ventral et du complexe LA- BLA (Calandreau et al., 2006), à une cinétique d’activation de ERK1/2 et de CREB différentielle (biphasique vs. monophasique) dans le CA1 dorsal (Trifilieff et al., 2006), ainsi qu’à une cinétique d’activation de ERK1/2 différentielle dans le LA (Trifilieff et al., 2007). De plus, l’activation de ERK1/2 dans le CA1 dorsal est corrélée avec celle du LA et du BLA spécifiquement après une procédure de non-appariement (conditionnement contextuel préféreintiel) (Trifilieff et al., 2007). Sur la base de l’ensemble des données de la littérature, nous pouvons établir un modèle putatif définissant deux modes de fonctionnement du circuit hippocampo-amygdalien dans l’établissement d’un conditionnement préférentiel au son ou au contexte (Figure 7). Dans ce modèle, un conditionnement au son ne serait pas seulement sous-tendu par les noyaux amygdaliens LA, BLA et CE mais probablement aussi par l’HPCv. Le conditionnement au contexte serait, lui, supporté par les noyaux amygdaliens et impliquerait de plus l’HPCd pour l’élaboration d’une représentation du contexte, ainsi que hypothétiquement l’HPCv pour la transmission de cette représentation à l’amygdale. Ainsi, ces différentes configurations du circuit hippocampo-amygdalien sous-tendraient la sélection du stimulus le plus prédictif du SI.

A Conditionnement au son B Conditionnement au contexte Son Son Contexte ChocContexte Choc

HPCd HPCd RCE au RCE au LA CE son LA CE contexte HPCv HPCv BLA BLA

Figure 7. Modèle putatif du conditionnement aversif. Ce modèle rend compte de deux types de fonctionnement possibles du circuit hippocampo-amygdalien dans l’établissement d’un conditionnement préférentiel au son après une procédure d’appariement son-choc (A) et au contexte après une procédure de non-appariement son-choc (B). Les couleurs rouge et bleue indiquent une activité différentielle d’une structure en fonction du type de conditionnement. L’HPCv en bleu plus clair comparé aux autres structures impliquées dans le conditionnement contextuel indique que cette structure pourrait seulement jouer un rôle de transmission d’informations relatives au contexte de l’HPCd à l’amygdale. Les parties grises indiquent le stimulus non prédictif selon la procédure d’apprentissage (contexte ou son) ou une structure non requise pour l’apprentissage (l’HPCd dans le conditionnement au son).

66 INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes

PARTIE III Les glucocorticoïdes : un rôle clef dans la modulation de la mémoire

A. Le concept de stress

Tout organisme vivant doit conserver un équilibre dynamique, principe initialement établi par Claude Bernard (1878) et nommé homéostasie par Walter Cannon (1929). Cet équilibre peut être menacé par diverses contraintes venant de l’environnement ou du milieu intérieur. L’organisme doit alors retrouver l’équilibre pour continuer à vivre en harmonie avec son environnement. Les propriétés permettant à un organisme de supporter les contraintes de l’environnement font référence au terme d’adaptation. Deux types d’adaptation ont été différenciés : l’adaptation anticipatrice, caractérisant les modifications se manifestant de façon périodique donc prévisible, et l’adaptation réparatrice, concernant les modifications imprévisibles de l’environnement. Tandis que Claude Bernard et Walter Cannon ont apporté des dimensions physiologiques au concept d’équilibre, Hans Selye lui donnera un contenu physiopathologique en décrivant un syndrome résultant de l’atteinte de l’organisme par des agents d’agression divers : le syndrome général d’adaptation ou syndrome de stress (Selye, 1973). Selon Selye, l’exposition à un agent agresseur entraine un stress ou une déviation de l’équilibre du milieu intérieur. L’organisme tente de compenser cette agression interne en initiant une contre-réaction composée d’un ensemble de symptômes évoluant selon trois stades successifs. Dans un premier temps, l’organisme est soumis à une réaction d’alarme. Elle mène selon Cannon à la mobilisation de l’organisme pour lutter ou fuir face à la contrainte extérieure (fight or flight). Ensuite, une phase de résistance s’installe durant laquelle l’organisme utilise les ressources énergétiques permettant une réaction adaptée. Si enfin les agents stressants se prolongent, l’organisme atteint un stade d’épuisement qui survient lorsque toute l’énergie d’adaptation de l’organisme à été consommée. C’est durant ce stade qu’apparaissent des troubles somatiques à l’origine de pathologies. Selye considère la réaction de stress comme « la réponse non spécifique de l’organisme à toute demande qui lui est faite ». L’autre apport majeur de Selye a été de proposer que les hormones corticosurrénaliennes soient les médiateurs de ce syndrome.

67 INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes

John Mason a ensuite réfuté l’idée selon laquelle le stress était une réponse aspécifique (Mason, 1971). Il a conduit une expérience sur deux groupes de singes soumis à une restriction alimentaire pendant une courte période. Dans le premier groupe, les singes étaient seuls alors que dans le second, les singes pouvaient voir d’autres singes être nourris. Bien que tous les animaux groupes subissaient le même stress physique dû à la faim, ceux qui avaient pu voir des congénères se nourrir avait sécrété plus d’hormones de stress. Mason démontre aussi que le stress psychologique était tout aussi puissant que le stress physique et qu’il pouvait déclencher une réponse de stress. Les recherches qui ont suivi ont permis de déterminer quatre caractéristiques d’une situation qui sera capable d’induire une réponse de stress chez la majorité des individus : imprévisibilité, incontrôlabilité, nouveauté et menace pour l’individu. Le stress est aujourd’hui un mot utilisé aussi bien dans le domaine médical que dans le langage quotidien. Le stress désignait à l’origine la force exercée sur un corps qui le contraint ou le déforme et la réaction de ce corps qui résiste à cette force. Ainsi, le stress définit à la fois la cause et la conséquence : l’action de l’environnement sur l’organisme et les réponses de l’organisme pour s’adapter à son environnement. Bien que le stress recouvre des notions multiples, les modèles de stress en laboratoire sont principalement basés sur l’exposition d’un sujet à une situation aversive, constituant une menace pour le sujet et qui est normalement fortement évitée (Piazza & Le Moal, 1997). Le stress fait alors ici référence aux réponses induites par l’exposition d’un sujet à cette situation. En revanche, les stimuli induisant ces réponses de stress devraient être nommés de façon précise « stresseurs ». Cependant, il est courant d’utiliser le mot de stress pour désigner ces stimuli. Par ailleurs, l’exposition à divers agents agresseurs entraine une libération de glucocorticoïdes via l’activation de l’axe corticotrope, à tel point que cette réponse hormonale sert souvent de définition opérationnelle du stress (Dantzer, 1988). Les glucocorticoïdes ont un rôle important dans la mise en place de mécanismes de défense face à ce stress. De plus, les glucocorticoïdes restreignent les réponses de stress de l’organisme avant qu’elles ne soient délétères pour l’individu (Munck et al., 1984). Cependant, au-delà d’un certain seuil, ces hormones, si elles sont sécrétées de manière inadéquate (p. ex., en quantités et/ou en durée), ont à l’inverse un impact négatif, favorisant l’apparition de troubles somatiques et psychiatriques (Piazza & Le Moal, 1997; McEwen, 1998; de Kloet et al., 1999).

68 INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes

B. Physiologie de l’axe corticotrope

L’axe corticotrope, ou axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien, constitue un système majeur neuroendocrinien composé de trois structures principales : l’hypothalamus, l’hypophyse et les glandes surrénales. Comme la plupart des systèmes neuroendocriniens, l’axe corticotrope est un système en cascade avec une boucle de rétroaction négative par laquelle le produit final inhibe notamment la production ou la libération de la substance initiatrice de cette cascade d’activation. Une grande diversité de stimuli (homéostasiques, circadiens, externes) peut être à l’origine de l’activation de l’axe corticotrope. Celle-ci aboutit à la synthèse et à la libération des glucocorticoïdes, responsables de la plupart des effets physiologiques de l’activation de l’axe corticotrope (de Boeck, 2006).

1. Stimulation de la libération des glucocorticoïdes

Le point de départ de l’axe corticotrope est l’hypothalamus et notamment le noyau paraventriculaire (PVN) (Figure 8). Il est le centre intégrateur des afférences provenant de structures du système limbique telles que l’amygdale, l’hippocampe, le septum, le thalamus mais aussi le cortex préfrontal. L’amygdale est notamment capable d’activer l’axe corticotrope (Herman et al., 2003). En effet, lorsque l’amygdale détecte un stresseur, elle orchestre les réponses au stress (cf. partie II) en envoyant notamment des signaux au PVN. En réponse, le PVN produit et libère la corticolibérine ou CRH (corticotropin releasing hormone). Cette neurohormone est transportée par le système porte hypthalamo-hypophysaire jusqu’à son récepteur spécifique présent sur les cellules corticotropes de l’hypophyse antérieure. La CRH stimule à son tour la sécrétion d’une hormone stockée dans l’hypophyse, l’adrénocorticotropine ou ACTH, aussi appelée hormone corticotrope. Enfin, l’ACTH est libérée dans la circulation sanguine générale et agit sur les cellules du cortex surrénalien, ou glande corticosurrénale, pour activer la synthèse de glucocorticoïdes. Ces hormones étant lipophiles et donc non stockées dans les cellules hormonales, elles sont immédiatement libérées dans la circulation générale après synthèse.

69 INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes

2. Rétrocontrôle négatif

Les glucocorticoïdes sont capables de contrôler leur propre sécrétion en exerçant un rétrocontrôle négatif sur la production de CRH et d’ACTH (Figure 8). Les glucocorticoïdes agissent principalement sur l'hypothalamus en bloquant la synthèse et la sécrétion de la CRH. Les glucocorticoïdes inhibent également de façon rapide la libération d'ACTH au niveau de l'hypophyse. Le rétrocontrôle négatif est d’autant plus intense que les taux de glucocorticoïdes sont élevés. Ce rétrocontrôle a pour but de limiter la durée d’exposition des tissus cibles aux glucocorticoïdes, limitant ainsi leurs effets délétères, et met fin à la réponse hormonale au stress. En 1968, McEwen a observé que les glucocorticoïdes se fixent aussi sur des structures cérébrales extérieures au tandem hypothalamus/hypophyse, notamment l’hippocampe (McEwen et al., 1968). Par la suite, il a été montré que cette structure est aussi fortement impliquée dans la régulation inhibitrice de l’axe corticotrope (Figure 8) (Jacobson & Sapolsky, 1991). Lorsqu’ils reçoivent des glucocorticoïdes, les neurones hippocampiques activent un réseau GABAergique qui inhibe les neurones du PVN (Herman et al., 2003; Cullinan et al., 2008).

Figure 8. Organisation fonctionnelle de l’axe corticotrope. L’activation de l’axe corticotrope est initiée par la réception par l’hypothalamus d’informations provenant notamment de l’amygdale. Le noyau paraventriculaire de l’hypothalamus répond par une production de corticolibérine (CRH) et de vasopressine (AVP). Ces deux peptides stimulent la production et la sécrétion d’adrénocorticotropine (ACTH) dans l’hypophyse antérieure. Cette hormone stimule à son tour la synthèse et la libération des glucocorticoïdes au niveau des glandes corticosurrénales. Des mécanismes de rétrocontrôle négatif assurent la régulation de l’axe corticotrope. Ils impliquent des actions des glucocorticoïdes au niveau de l’hypophyse antérieure, de l’hypothalamus et de l’hippocampe (rouge). L’hippocampe en retour inhibe l’activité de l’axe corticotrope au niveau de l’hypothalamus (vert). (Adapté de Sandi, 2004).

70 INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes

3. Rythmes biologiques

L’activité de l’axe corticotrope présente une rythmicité liée à l’alternance jour-nuit, appelée cycle nycthéméral ou rythme circadien, dont la période est proche de 24 h. Les taux d’hormones oscillent du taux le plus faible au taux le plus élevé, autour des limites homéostasiques. Le pic circadien intervient peu de temps avant le début de la période active. Chez l’Homme, ce pic est observé le matin. Chez le rongeur, animal nocturne, le cycle est inversé et le pic a lieu le soir, peu de temps avant la phase nocturne en animalerie. Le pic circadien permet une réaction d’adaptation anticipatrice au moment du réveil. En effet, le rôle des glucocorticoïdes est de mobiliser les substrats énergétiques pour cette période d’activité. Les taux d’hormones diminuent le long de la période d’activité jusqu’à atteindre un nadir en période de sommeil, durant laquelle les besoins énergétiques de l’organisme deviennent plus faibles. L’axe corticotrope présente également une rythmicité ultradienne. Le CRH, l’ACTH et les glucocorticoïdes présentent une sécrétion de type pulsative avec des épisodes sécrétoires courts d’une fréquence d’un à trois pulses par heure. Ces pulses sont suivis d’une clairance rapide de ces hormones circulantes d’environ 20 minutes. L’intérêt d’un tel rythme ultradien est un état d’alerte et de veille permanent de l’organisme permettant de rapidement mettre en place des processus d’adaptation si un événement imprévisible survenait (de Boeck, 2006).

C. Les glucocorticoïdes

1. Définition

Les glucocorticoïdes sont des hormones stéroïdiennes dérivées du cholestérol et synthétisées par les glandes corticosurrénales. Le glucocorticoïde majoritaire est le cortisol chez l’Homme et la corticostérone chez le rongeur (Figure 9).

71 INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes

Cortisol Corticostérone

Figure 9. Structure chimique du cortisol et de la corticostérone. Ces deux glucocorticoïdes diffèrent seulement en la présence d’un groupement hydroxyle sur le carbone 17 du cortisol.

Comme toutes hormones, les glucocorticoïdes une fois libérés diffusent dans l’ensemble de l’organisme par la circulation sanguine générale pour agir à distance de leur site de production par fixation sur des récepteurs spécifiques. Les glucocorticoïdes font partie de la classe des hormones dérivées des lipides et sont donc lipophiles. Cette propriété leur confère la capacité de traverser la bicouche lipidique des cellules, de ne pas être stockées au sein de la cellule mais d’être immédiatement libérées après leur synthèse, ainsi que d’entrer facilement dans le cerveau en passant la barrière hémato-encéphalique. Il est à noter qu’il existe une autre classe d’hormones stéroïdiennes synthétisées par les glandes corticosurrénales : les minéralocorticoïdes, dont le principal représentant est l’aldostérone. Les minéralocorticoïdes sont 100 fois moins abondants que les glucocorticoïdes (de Kloet et al., 1998). Le terme corticoïdes ou corticostéroïdes englobe les glucocorticoïdes et les minéralocorticoïdes.

2. Biosynthèse et circulation des glucocorticoïdes

La biosynthèse des glucocorticoïdes a lieu dans les cellules de la zone fasciculée des glandes corticosurrénales. Une succession de réactions enzymatiques permet de transformer le cholestérol en cortisol/corticostérone (Figure 10). Cette voie de biosynthèse des glucocorticoïdes est activée par l’ACTH en se fixant sur des récepteurs spécifiques surrénaliens. L’hormone active (cortisol ou corticostérone) est en équilibre avec son métabolite inactif (cortisone ou 11-déhydrocorticostérone, respectivement) qui a subi une déshydrogénisation sur le carbone 11 de la molécule. Deux isoformes de l’enzyme 11β-

72 INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes

hydroxydéshydrogénase (11βHSD) catalyse les réactions d’interconversion entre ces formes actives et inactives (Figure 10). L’isoenzyme 11βHSD de type 1 possède une activité réductase prédominante, catalysant la conversion de la forme inactive en forme active. Elle est présente dans de nombreux tissus cibles des glucocorticoïdes, tels que le foie, le tissu adipeux, les muscles et le système nerveux central. Au contraire, l’isoenzyme 11βHSD de type 2 possède une activité déshydrogénase, conduisant à la forme inactive de l’hormone. Cette enzyme est présente dans les tissus périphériques cibles de l’aldostérone (rein, côlon, glandes salivaires et sudoripares) mais pas dans certaines structures cérébrales telles que l’hippocampe. Le rôle de la 11βHSD2 est de protéger les récepteurs aux minéralocorticoïdes (MR), ayant la même affinité pour les glucocorticoïdes que pour l’aldostérone, de la fixation des glucocorticoïdes en les inactivant, créant ainsi une spécificité de ces récepteurs à l’aldostérone dans les tissus cibles (Edwards et al., 1988).

Cholestérol Pregnénolone Progestérone

O O

HO HO O

HO HO HO O O 11βHSD2 O O HO

11βHSD1 O O O

11-déhydrocorticostérone Corticostérone 11-déoxycorticostérone

Figure 10. Biosynthèse de la corticostérone. La corticostérone est synthétisée à partir du cholestérol via une étape de dégradation de la chaine latérale et des réactions successives d’oxydo-réduction. La corticostérone est en équilibre avec son métabolite inactif (11-déhydrocorticostérone) par l’action des isoenzymes 11β-hydroxydéshydrogénase de types 1 et 2 (11βHSD). Il est à noté que la 11βHSD2 est absente dans l’hippocampe, ce qui préserve la forme active de la corticostérone. (Adapté de de Boeck, 2008).

Les glucocorticoïdes sont véhiculés dans la circulation sanguine de différentes façons. Etant lipophiles, la majorité des molécules (80 à 90 %) se lie à un transporteur spécifique, la transcortine ou CBG (cortisteroid binding globulin). Une autre partie (environ 10 %) est liée de façon non-spécifique à l’albumine. Certaines molécules circulent sous forme libre dans le

73 INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes

plasma (5 à 10 %). Seule la fraction libre est active, peut atteindre les tissus cibles et est capable de traverser la barrière hémato-encéphalique. Le taux plasmatique de corticostérone oscille chez la souris entre 10 à 20 ng/mL (début de la phase de repos/jour) et 75 à 100 ng/mL (début de la phase d’activité/nuit). La demi-vie plasmatique du cortisol est de 60 à 90 minutes chez l’Homme et celle de la corticostérone est d’environ 50 minutes chez le rongeur. La demi-vie biologique de ces hormones, correspondant au temps nécessaire pour perdre la moitié de ces effets biologiques, est, elle, de l’ordre de 8 à 12 h (de Boeck, 2006).

3. Récepteurs aux corticostéroïdes

a) Récepteurs intracellulaires

• Différences entre les récepteurs de type GR et MR Les glucocorticoïdes agissent sur leurs cellules cibles par l’intermédiaire de récepteurs spécifiques. Deux types de récepteurs intracellulaires distincts ont été identifiés dans les tissus cibles périphériques ainsi que dans le cerveau : le récepteur aux minéralocorticoïdes (MR, ou récepteur de type I) et le récepteur aux glucocorticoïdes (GR, ou récepteur de type II) (Reul & de Kloet, 1985; de Kloet et al., 1998). Dans le cerveau, l’expression des MR est confinée au niveau du système limbique notamment dans l’hippocampe, l’amygdale, le septum et l’hypothalamus. Par contre, la distribution des GR est ubiquitaire avec une forte densité dans l’hippocampe et le PVN de l’hypothalamus. Les deux types de récepteurs se retrouvent alors co-localisés dans des neurones des structures du système limbique et surtout dans l’hippocampe. C’est notamment le cas des neurones du CA1 et du GD (Joels, 2007). Il y a aussi une différence de répartition des récepteurs le long de l’axe dorso-ventral de l’hippocampe : les MR sont deux fois plus nombreux dans l’HPCv que dans l’HPCd, alors que les GR sont trois fois plus nombreux dans l’HPCd que dans l’HPCv (Robertson et al., 2005). Les MR possèdent une forte affinité pour l’aldostérone mais aussi pour la corticostérone

(constante de dissociation : Kd ≈ 0,5 nM). La corticostérone peut en effet se fixer aux MR dans l’hippocampe grâce à l’absence de l’enzyme 11βHSD2, ce qui la préserve de sa métabolisation en sa forme inactive. En revanche, les GR ont une affinité pour la corticostérone 10 fois moins importante que celle des MR (Kd ≈ 5 nM) mais une forte affinité

74 INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes

pour les glucocorticoïdes de synthèse, telle que la dexaméthasone (Kd ≈ 0,5 nM). Les GR sont spécifiques aux glucocorticoïdes car ils sont très peu affins pour l’aldostérone (Kd ≈ 20 nM). Le fait que la corticostérone soit le ligand endogène préférentiel de deux types de récepteurs mais avec une affinité différente a des conséquences sur le niveau d’occupation de ceux-ci en fonction du taux de l’hormone. Les MR, ayant la plus forte affinité pour la corticostérone, sont quasiment saturés à de faibles taux de l’hormone, c’est-à-dire lors du niveau basal du rythme circadien. Dans cette condition, les GR sont peu occupés. En revanche, les GR sont progressivement occupés lorsque le taux de corticostérone augmente, notamment lors du pic circadien, d’un pulse ultradien ou après l’exposition à un stress (Reul et al., 1987b, 1987a). L’augmentation du taux de corticostérone finit aussi de saturer le niveau d’occupation des MR. Cette activation différentielle implique aussi un rythme différentiel d’occupation des récepteurs, qui est tonique pour les MR mais phasique pour les GR. Ceci est particulièrement important dans les cellules qui co-expriment les deux types de récepteurs, tels que les neurones pyramidaux du CA1 et granulaires du GD. Ainsi, ce système binaire de récepteurs permettrait une action différentielle des glucocorticoïdes selon le taux d’hormones circulant.

• Structure des récepteurs GR et MR Les deux types de récepteurs aux corticostéroïdes sont phylogénétiquement et structurellement proches. Ils font partie de la superfamille des récepteurs nucléaires et de la famille des récepteurs aux stéroïdes (Beato & Klug, 2000). Comme tous récepteurs nucléaires, les MR et GR sont des protéines monomériques et sont caractérisés par six domaines structurels et fonctionnels (Figure 11). Le domaine A/B, en N-terminal de la protéine, a un rôle dans l'initiation et la régulation de la transcription des gènes cibles (AF-1 pour activation function 1). Le domaine C est la région de fixation à l’ADN (DBD pour DNA-binding domain). Une configuration particulière de ce domaine (doigts de zinc) permet la fixation à l’ADN. Ce domaine est considéré comme la signature de la superfamille des récepteurs nucléaires. Le domaine D correspond à une région charnière reliant les domaines C et E et peut être impliqué dans la fixation à l’ADN et dans l’adressage du récepteur dans le noyau. Le domaine E est la région de liaison du ligand (LBD pour ligand-binding domain). En plus de cette fonction, le domaine E contient une fonction activatrice de la transcription (AF-2 pour activation function 2), une interface de dimérisation et une région d’interaction pour les protéines Hsp (Heat shock protein). Enfin, le domaine F, en C-terminal, peut être

75 INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes

aussi une région de fixation du ligand. Les domaines impliqués dans la liaison à l’ADN ou à l’hormone (C et E) présentent un fort degré de conservation structurelle au sein de la superfamille des récepteurs nucléaires, tandis que les domaines A/B, D et F peuvent présenter beaucoup de variations structurales.

A/B C D E F N-term C-term

AF-1 ADN hormone dimérisation Hsp AF-2 Figure 11. Structure primaire et relations structure-fonction des récepteurs nucléaires. Les récepteurs nucléaires sont organisés en six domaines déterminés sur la base d’homologies de séquence et de leurs fonctions respectives. (Adapté de Beato & Klug, 2000).

• Mécanisme d’action : génomique Comme tous récepteurs membranaires, les GR et les MR sont des facteurs de transcription. Ils régulent l’expression de nombreux gènes cibles, de la centaine au millier selon le type cellulaire (Zhou & Cidlowski, 2005; Lu & Cidlowski, 2006). A l’état libre, les récepteurs sont présents dans le cytoplasme et complexés à des protéines chaperonnes Hsp (Hsp90, Hsp70 et Hsp56). Ces protéines restreignent la conformation du récepteur, bloquant ainsi la fixation de celui-ci avec l’ADN. Les récepteurs sont donc inactifs. En revanche, la liaison de l’hormone glucocorticoïde à son récepteur induit une phosphorylation et un changement de la conformation du récepteur, provocant la dissociation du récepteur avec ses protéines chaperonnes. Les récepteurs ainsi actifs peuvent agir selon plusieurs voies (Figure 12). Les récepteurs peuvent se complexer en homodimères (GR/GR ou MR/MR) ou en hétérodimères (GR/MR). Le dimère de récepteurs, lesquels sont toujours liés à l’hormone, est transloqué dans le noyau. Il peut alors se fixer directement sur l’ADN sur une séquence spécifique qui reconnait les récepteurs activés : les HRE (hormone response elements), comme par exemple les GRE (glucocorticoid response elements) et les MRE (mineralocorticoid response elements). Ces HRE sont situés dans le promoteur des gènes cibles. Dans le cas des GRE, deux types existent : les « GRE positifs » activent la transcription des gènes cibles, alors que les « GRE négatifs » (nGRE) répriment la transcription. En cas d’activation de la transcription du gène, celle-ci aboutit à la production

76 INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes

d’ARN messagers, qui sont traduits en protéines. Ainsi, selon le type de promoteur, l’action des glucocorticoïdes a comme résultat final l’expression ou l’inhibition de l’expression de protéines. Certaines actions des glucocorticoïdes ne passeraient pas par une interaction directe protéine/ADN mais par des interactions protéine-protéine. En effet, les récepteurs peuvent, en restant à l’état de monomère, interagir avec d’autres facteurs de transcription, tels qu’AP-1 (activator protein-1), un hétérodimère c-Fos/Jun. L’intérêt de ces interactions est que les récepteurs peuvent réguler l’expression de gènes ne contenant pas de HRE et régulés par un autre facteur de transcription. Le complexe récepteur-facteur de transcription se lie à l’ADN au niveau d’une séquence du promoteur reconnaissant le facteur de transcription. Le récepteur interfère avec l’action du facteur de transcription en activant de façon synergique ou en réprimant la transcription du gène cible.

Glucocorticoids Cytoplasm

Hsp Nucleus

GR GR Transcription MR GRE Gene Hsp MR GR GR GR GR GR Transcription Hsp GR nGRE Gene GR MR Transcription GR TF Gene

Figure 12. Mécanisme d’action des récepteurs aux corticostéroïdes : exemple du GR. Les glucocorticoïdes rentrent dans le cytoplasme de la cellule et se fixent sur les récepteurs aux corticostéroïdes qui y sont présents. Le GR activé se dissocie des protéines Hsp, peut se dimériser avec un autre GR ou avec un MR, et est transloqué vers le noyau. Il peut se fixer directement sur l’ADN au niveau d’une séquence GRE ou nGRE. Il peut aussi interagir avec un autre facteur de transcription (TF) pour se lier à l’ADN. La fixation du GR à l’ADN active ou réprime la transcription du gène. (Adapté de Zhou & Cidlowski, 2005; Lu & Cidlowski, 2006).

77 INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes

Par leur action génomique, les glucocorticoïdes induisent ou inhibent la synthèse de nombreuses protéines qui sont impliquées dans de nombreuses fonctions, telles que l’architecture cellulaire, le métabolisme cellulaire et la transmission synaptique. En particulier, ces protéines sont des facteurs de transcription, des enzymes, des récepteurs, des neurotransmetteurs, des facteurs de croissance et des molécules d’adhésion cellulaire. Les glucocorticoïdes agissent sur l’activité cellulaire en régulant des protéines qui sont des récepteurs couplés à la protéine G, des récepteurs ionotropiques et des canaux ioniques. Les glucocorticoïdes peuvent aussi réguler l’activité de gènes précoces (immediate early genes). Les produits de ces gènes sont communément utilisés comme marqueurs de l’activation neuronale (Herrera & Robertson, 1996). Les récepteurs GR peuvent réguler la transcription du gène c-fos (Luo & Jackson, 1998). Ils peuvent aussi interagir avec les hétérodimères c-Fos/Jun, ce qui diminue l’activité d’AP-1 et augmente l’expression de c-Fos (Teurich & Angel, 1995). Il a été en effet montré que la transcription de c-fos est sous un rétrocontrôle négatif exercé par la protéine Fos elle-même (Sassone-Corsi et al., 1988).

b) Récepteurs membranaires

Il a été récemment découvert un autre type de récepteurs aux corticostéroïdes qui sont eux localisés dans la membrane plasmique. Ce sont des récepteurs de type MR (Joels et al., 2008). Contrairement au MR nucléaires, ces MR membranaires ont une faible affinité pour les glucocorticoïdes, comparable à celle des GR (Karst et al., 2005). Ainsi, ils sont activés lorsque le taux de corticostérone augmente, comme c’est le cas pour les GR. Ils sont responsables des effets rapides non-génomiques des glucocorticoïdes. Les premières études ont montré qu’ils augmentent la neurotransmission glutamatergique (Karst et al., 2005) et régulent le trafic de surface des récepteurs glutamatergiques de type AMPA (Groc et al., 2008; Chaouloff & Groc, 2010; Krugers et al., 2010), augmentant ainsi la transmission et la plasticité synaptique dans l’hippocampe.

D. Actions des glucocorticoïdes sur le système nerveux central

Les glucocorticoïdes sont impliqués dans un grand nombre de fonctions de l’organisme. Au niveau du système nerveux central, l’hippocampe, possédant une forte densité de GR, est

78 INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes

l’une des structures cérébrales les plus vulnérables aux effets du stress et des glucocorticoïdes (McEwen et al., 1969). Le stress et les glucocorticoïdes influencent différents aspects de l’activité neuronale et des processus mnésiques liés à l’hippocampe.

1. Actions sur la plasticité neuronale

Le stress et les glucocorticoïdes sont de puissants modulateurs de l’activité neuronale. Les effets les mieux caractérisés sont ceux exercés sur la potentialisation à long terme (PLT) dans l’hippocampe, en particulier dans le champ CA1. La PLT est considéré comme un modèle cellulaire de la mémoire (Bliss & Lomo, 1973). De nombreuses données ont montré qu’une élévation du taux de glucocorticoïdes, comme lors d’un stress, altère la PLT (Diamond et al., 1992; Pavlides et al., 1993; Diamond & Rose, 1994). En revanche, un faible taux de glucocorticoïdes, comme lors du niveau basal du cycle circadien, facilite ce type de plasticité (Diamond et al., 1992; Pavlides et al., 1994). Des études ont aussi analysé les effets du stress et des glucocorticoïdes sur la dépression à long terme (DLT). La DLT, miroir de la PLT, correspond à la diminution de l’efficacité synaptique (Bliss & Collingridge, 1993). Tandis que la DLT est généralement faible à l’état basal, elle devient robuste lorsque le taux de glucocorticoïdes est élevé (Diamond et al., 1992; Coussens et al., 1997). Ainsi, les glucocorticoïdes ont un effet opposé sur la force synaptique dans l’hippocampe en fonction de leur concentration. En condition basale, la force synaptique dans l’hippocampe est augmentée, tandis qu’en situation de stress, cette force est diminuée. Une telle opposition des effets des glucocorticoïdes est associée avec l’implication différentielle des MR et des GR (Diamond et al., 1992; Kim & Yoon, 1998). En effet, ce système binaire de récepteurs conduit à des effets opposés selon le taux de glucocorticoïdes. Tandis que les MR, quasiment totalement occupés à l’état basal, sous-tendent les effets positifs, les GR, occupés lorsque le taux de glucocorticoïdes augmente, sont responsables des effets délétères des glucocorticoïdes sur la force synaptique. La majorité de ces études ont effectué des analyses électrophysiologiques dans la partie dorsale de l’hippocampe. Récemment, une série d’études dissociant les effets le long de l’axe dorso-ventral de l’hippocampe a montré que l’activation des GR, aussi bien dans l’HPCd que dans l’HPCv, réduit la PLT mais augmente la DLT et les courants synaptiques inhibiteurs (Maggio & Segal, 2007b, 2009a, 2009b). L’ensemble de ces données indiquent que l’activation

79 INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes

des GR est responsable des effets délétères des glucocorticoïdes sur la force synaptique de l’hippocampe. Compte tenu des effets des glucocorticoïdes sur la plasticité synaptique de l’hippocampe, il apparait concevable que des effets opposés des glucocorticoïdes soient aussi observés sur des formes de mémoire dépendantes de l’hippocampe et que les GR soient aussi responsables d’effets délétères sur la fonction mnésique relevant de cette structure cérébrale.

2. Actions sur la mémoire

Lorsqu’un animal apprend une tâche en situation de stress, la consolidation de cette tâche est facilitée par la sécrétion de glucocorticoïdes lors de l’apprentissage de cette tâche (de Kloet et al., 1998; de Kloet et al., 1999). Ce constat est notamment vrai pour des apprentissages aversifs en général et pour ceux qui mettent en jeu l’hippocampe tels que certains types de conditionnement classique aversif et des tâches de mémoire spatiale ou relationnelle. En revanche, lorsque les glucocorticoïdes sont présents en excès, des perturbations mnésiques peuvent être observées.

a) Actions des glucocorticoïdes sur le conditionnement aversif

Nous consacrerons cette partie aux effets des glucocorticoïdes sur la consolidation mnésique du conditionnement aversif. La formation de la mémoire peut être facilement influencée pendant cette période critique sensible aux manipulations. Cependant, toutes les informations d’un événement ne se valent pas et ne sont donc pas consolidées de façon équivalente. Les glucocorticoïdes peuvent constituer un « filtre » important en sélectionnant les informations pertinentes à mémoriser au vue de l’expérience.

A notre connaissance, la première étude ayant déterminé un rôle des glucocorticoïdes dans le conditionnement aversif est celle de Corodimas (Corodimas et al., 1994). Cette étude a montré que la pose sous-cutanée d’une pastille de corticostérone après un conditionnement élémentaire potentialise les RCE au son chez le rat. Cette étude assez rudimentaire, montrant un effet des glucocorticoïdes sur une tâche considérée comme indépendante de l’hippocampe, a été quelque peu oubliée par la communauté scientifique.

80 INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes

Les premières études phares sur les glucocorticoïdes et le conditionnement sont venues de deux laboratoires à la fin des années 1990. Ces études se sont focalisées sur l’implication des glucocorticoïdes dans le conditionnement contextuel, dans lequel l’implication de l’hippocampe est critique. D’une part, les études du laboratoire de Rudy ont démontré qu’après une surrénalectomie, l’injection systémique de corticostérone en post-apprentissage potentialise les RCE au contexte (Pugh et al., 1997b). Cet effet facilitateur est dose-dépendant dans le sens où les doses faibles ou intermédiaires utilisées sont efficaces, tandis que la dose la plus forte ne l’est plus. Leurs études ont aussi montré que l’injection sous-cutanée d’antagonistes aux GR (RU 38486) 1 h avant le conditionnement diminuait les RCE au contexte (Pugh et al., 1997a). D’autre part, les études de Cordero & Sandi ont montré que le taux de corticostérone plasmatique était positivement corrélé à l’intensité du choc électrique et à l’amplitude de la RCE au contexte (Cordero et al., 1998). De plus, elles ont aussi montré que les RCE au contexte sont diminuées par le blocage sélectif des GR cérébraux, mais non des MR, tandis qu’elles sont potentialisées par l’administration systémique de corticostérone en post-apprentissage (Cordero et al., 1998). Par la suite, des études ont également déterminé un lien direct entre les glucocorticoïdes et le conditionnement élémentaire. En effet, comme pour le conditionnement contextuel, l’administration systémique de glucocorticoïdes en post-apprentissage facilite aussi le conditionnement au son (Zorawski & Killcross, 2002; Hui et al., 2004; Roozendaal et al., 2006; Marchand et al., 2007). Toutes les études énoncées ci-dessus ont utilisé une approche pharmacologique systémique, ne permettant donc pas de préciser le site d’action cérébral des glucocorticoïdes. A ce jour, une seule étude, impliquant notre équipe, a utilisé une approche pharmacologique locale ciblant l’hippocampe pour évaluer les effets des glucocorticoïdes sur les RCE chez la souris (Revest et al., 2005). Cette étude montre notamment qu’une injection de corticostérone dans l’hippocampe après une procédure de non-appariement potentialise les RCE au contexte. Ceci démontre que les effets facilitateurs des glucocorticoïdes sur le conditionnement contextuel impliquent directement l’hippocampe.

L’ensemble de ces études indique un effet facilitateur des glucocorticoïdes sur le conditionnement au contexte ou sur le conditionnement au son. Ces études ont en effet utilisé une intensité de choc électrique faible à modérée (p. ex., 0.3 mA chez la souris) afin de pouvoir visualiser cet effet facilitateur. Cependant, les effets des glucocorticoïdes lors d’une

81 INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes

situation de stress intense, utilisant de fortes intensités de chocs, restent encore méconnus. De plus, la contribution des GR dans les effets potentiellement délétères reste à déterminer. Par ailleurs, la plupart de ces études évaluent les performances mnésiques d’un point de vue essentiellement quantitatif, c’est-à-dire par l’amplitude d’une RCE à un stimulus (cf. partie I). En revanche, elles ne tiennent généralement pas en compte de la valeur prédictive de ce stimulus à l’égard du choc électrique. En d’autres termes, la potentialisation d’une RCE observée n’a pas la même signification si le stimulus induisant la RCE était ou n’était pas le plus prédictif du choc électrique. Tandis que l’augmentation d’une RCE au stimulus prédictif est adaptée, l’augmentation d’une RCE à un stimulus non prédictif est inadaptée et peut témoigner d’un processus incorrect de sélection de stimuli prédictifs par l’animal. Au laboratoire, il a été notamment montré qu’en situation de stress modéré, la corticostérone facilite le conditionnement à un son prédictif (procédure d’appariement), mais ne facilite pas le conditionnement à un son non prédictif du choc (procédure de non-appariement) (Marchand et al., 2007). Ainsi, au-delà des effets des glucocorticoïdes sur l’amplitude des RCE, il apparait important d’évaluer ces effets sur la capacité de l’animal de sélectionner le stimulus prédictif du choc. Enfin, il a été déterminé que l’HPCd est impliqué dans les effets des glucocorticoïdes sur les RCE (Revest et al., 2005). Bien que l’existence d’une dissociation fonctionnelle entre les régions dorsale et ventrale de l’hippocampe soit établie chez le rongeur (Fanselow & Dong, 2010), les effets des glucocorticoïdes sur les RCE en fonction du secteur hippocampique ciblé restent à déterminer.

b) Actions des glucocorticoïdes sur la mémoire spatiale/relationnelle

Les effets du stress et des glucocorticoïdes sur une forme de mémoire dépendante de l’hippocampe telle que la mémoire spatiale ont été très bien décrits chez le rongeur. Les tâches d’apprentissage classiquement utilisées pour évaluer la mémoire spatiale sont la piscine de Morris ou le labyrinthe en Y. Les premières études ont montré qu’un stress, comme l’exposition à un environnement nouveau, à un prédateur ou à des chocs électriques, diminue les performances mnésiques (Diamond et al., 1996; de Quervain et al., 1998; Wang et al., 2000; Sandi et al., 2005). Cependant, un effet opposé des glucocorticoïdes sur les performances mnésiques selon la dose d’hormones a aussi été relevé. L’injection systémique d’une dose modérée de corticostérone facilite l’apprentissage et la rétention en piscine de

82 INTRODUCTION - Les glucocorticoïdes

Morris (Akirav et al., 2004). Au contraire, l’injection d’une forte dose de corticostérone diminue les performances mnésiques (Yau et al., 1995; de Quervain et al., 1998). En particulier, le niveau de performances mnésiques suit une courbe en U inversé en fonction du niveau d’occupation des GR (Oitzl et al., 1994; Conrad et al., 1999). Il apparait en effet qu’un niveau d’occupation modéré des GR permet un apprentissage optimal, tandis que l’activation supplémentaire de GR devient délétère pour l’apprentissage spatial. Cependant, la majorité de ces études utilisent des administrations systémiques de glucocorticoïdes. Il reste à déterminer dans quelle mesure ces effets impliqueraient une action directe et sélective des glucocorticoïdes dans l’hippocampe. De plus, comme expliqué en début d’introduction (cf. partie I), plus que la mémoire spatiale per se, la mémoire relationnelle modéliserait plus près la mémoire déclarative humaine chez le rongeur. Nous envisageons donc d’évaluer les effets d’injections de glucocorticoïdes ciblées dans l’hippocampe sur les performances en mémoire relationnelle.

Objectifs généraux des travaux de thèse

Bien que le tableau clinique des troubles mnésiques de l’ESPT soit bien décrit, un profil mnésique associant hypermnésie pour un élément saillant et amnésie pour les éléments contextuels, ainsi qu’un déficit spécifique de la mémoire déclarative, restent à être modéliser chez l’animal. Les études cliniques ont révélé une fréquente atrophie de l’hippocampe et une hyperactivité de l’amygdale chez les sujets atteints d’ESPT (cf. partie I). De plus, des études ont précisé un rôle de l’hippocampe dans le traitement d’informations contextuelles et dans la mémoire déclarative, tandis que l’amygdale serait, elle, responsable de l’hypermnésie de type implicite pour l’élément saillant (cf. parties I et II). Enfin, il a été montré chez l’animal qu’un niveau élevé de glucocorticoïdes peut altérer des fonctions mnésiques dépendantes de l’hippocampe, cible cérébrale majeure de ces hormones (cf. partie III). L’ensemble de ces données conduisent à l’hypothèse selon laquelle une libération excessive de glucocorticoïdes lors d’un événement traumatique serait, via une action dans l’hippocampe, l’une des causes possibles du développement des troubles mnésiques de type ESPT.

L’objectif général de cette thèse est de déterminer les conditions dans lesquelles la corticostérone intra-hippocampique peut altérer la mémoire émotionnelle et la mémoire relationnelle, conduisant ainsi à des troubles mnésiques de type ESPT chez la souris.

Il est connu qu’une injection intra-hippocampique de corticostérone facilite des réponses de peur conditionnées en situation de faible intensité émotionnelle (Revest et al., 2005). De plus, il semble qu’un secteur spécifique de l’hippocampe, le secteur postérieur (dorsal chez le rongeur), soit préférentiellement altéré dans l’ESPT (Bonne et al., 2008). Ainsi, nous avons dans un premier temps déterminé si une injection de corticostérone dans l’hippocampe dorsal peut, en fonction de l’intensité émotionnelle, faciliter la consolidation mnésique ou bien induire un profil mnésique de type ESPT chez la souris. A cette fin nous avons utilisé, comme modèle comportemental, le conditionnement classique aversif dans lequel nous pouvons moduler la relation de contingence SC-SI (cf. partie II). Ce modèle nous permet de tester l’hypothèse selon laquelle l’injection intra- hippocampique de corticostérone, après un apprentissage dans lequel le contexte est normalement prédicteur du choc (non-appariement SC-SI), conduirait à une sélection

incorrecte du stimulus discret et saillant comme prédicteur du choc. Cette sélection incorrecte est attestée par une forte RCE au son associée à un déficit de RCE au contexte. Nous avons aussi évalué, par une analyse immunohistochimique de la protéine c-Fos, si un tel profil mnésique était associé à une diminution d’activité neuronale dans l’hippocampe et à une augmentation de cette activité dans l’amygdale (Chapitre 1).

Bien que l’existence d’une dissociation fonctionnelle entre les régions dorsale et ventrale de l’hippocampe soit établie chez le rongeur (Fanselow & Dong, 2010; Segal et al., 2010), les effets des glucocorticoïdes sur les performances mnésiques en fonction du secteur hippocampique ciblé sont méconnus. Ainsi, nous avons dans un second temps déterminé si les effets délétères de la corticostérone sur les réponses de peur conditionnées sont dépendants du secteur hippocampique ciblé. Nous avons aussi évalué l’implication des récepteurs de type GR au sein de chaque secteur hippocampique dans les effets de la corticostérone sur les RCE (Chapitre 2).

Enfin, nous avons voulu observer un effet délétère des glucocorticoïdes intra- hippocampiques sur la mémoire relationnelle, lequel serait éventuellement dépendant d’un stress préalable. En effet, des épisodes de stress dans l’histoire personnelle d’un sujet constitue un facteur de risque au développement de l’ESPT (Yehuda, 2004). Nous avons donc évalué, dans une étude préliminaire, si une pré-exposition à une situation de stress peut contribuer à l’émergence d’un déficit spécifique de la mémoire relationnelle après injections de corticostérone dans l’hippocampe dorsal. Nous avons testé l’hypothèse selon laquelle l’injection de corticostérone dans l’hippocampe dorsal altèrerait spécifiquement la mémoire relationnelle chez les seuls animaux ayant au préalable vécu un épisode de stress (exposition à des chocs électriques). Pour tester cette hypothèse, nous avons utilisé un modèle comportemental de la mémoire déclarative chez l’animal en labyrinthe radiaire (Chapitre 3).

Chacun des chapitres énoncés ci-dessus sera constitué d’une brève introduction, d’un résumé des principaux résultats, de la conclusion principale et du manuscrit associé. Les résultats de ces différentes études seront ensuite discutés plus amplement dans la discussion générale de la thèse.

CHAPITRE 1

Implication des glucocorticoïdes intra- hippocampiques dans l’induction d’altérations de la mémoire émotionnelle de type ESPT

Article 1 : Glucocorticoids can induce PTSD-like memory impairment in mice.

88 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT

CHAPITRE 1 Implication des glucocorticoïdes intra-hippocampiques dans l’induction d’altérations de la mémoire émotionnelle de type ESPT (Article 1)

1. Introduction

Les événements émotionnellement connotés sont habituellement mieux mémorisés que les événements relativement neutres (McGaugh & Roozendaal, 2002). Cette facilitation de la mémoire se base sur la sélection de stimuli prédictifs d’un événement important pour la survie de l’individu. En revanche, une situation de stress extrême peut conduire chez l’Homme à de sévères altérations de la mémoire émotionnelle, lesquelles constituent une part importante des symptômes de l’état de stress post-traumatique (ESPT). L’un des principaux traits de ce trouble psychiatrique est un profil mnésique paradoxal dans lequel coexistent une hypermnésie pour un stimulus discret et saillant et une amnésie de certains éléments contextuels de l’événement traumatique (APA, 2000; Elzinga & Bremner, 2002; Layton & Krikorian, 2002). Cependant, le profil pathologique hypermnésie/amnésie pour différents éléments d’un même événement traumatique reste encore à être modélisé chez l’animal. L’action des glucocorticoïdes dans l’hippocampe pourrait jouer un rôle essentiel dans le développement du profil mnésique de l’ESPT. En effet, l’hippocampe est l’une des cibles cérébrales majeures des glucocorticoïdes et se trouve fortement altéré chez les patients souffrant d’ESPT, surtout dans sa partie postérieure (dorsale chez le rongeur) (Gilbertson et al., 2002; Bonne et al., 2008). De plus, une libération excessive de glucocorticoïdes peut induire des altérations de la consolidation mnésique dépendante de l’hippocampe (McEwen, 2000), pouvant altérer la sélection correcte des stimuli pertinents.

Sur ces bases, l’objectif de ce travail a été de déterminer si une injection de corticostérone dans l’hippocampe dorsal, pouvait, en fonction de l’intensité émotionnelle, faciliter la consolidation mnésique ou bien induire un profil mnésique de type ESPT chez la souris.

Afin d’étudier chez le rongeur les caractéristiques mnésiques de l’ESPT, nous avons utilisé comme paradigme comportemental deux procédures de conditionnement aversif en

89 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT jouant sur la relation de contingence entre un son (SC) et un choc électrique (SI) (Desmedt et al., 1998; Calandreau et al., 2006). La procédure d’appariement SC-SI, dans laquelle le son est systématiquement suivi du choc, permet la sélection du son comme prédicteur majeur du SI (groupe « son-prédictif »). Au contraire, la procédure de non-appariement SC-SI, dans laquelle le son n’est jamais suivi du choc, permet la sélection du contexte comme prédicteur majeur du SI (groupe « contexte-prédictif »). La sélection du stimulus est attestée 24 h après la phase de conditionnement par la mesure des RCE au son et au contexte.

2. Résumé des principaux résultats

Expérience 1 Dans un premier temps, nous avons recherché la gamme d’intensités de chocs électriques (entre 0.3 et 0.8 mA) permettant d’induire la sélection correcte des stimuli prédictifs du choc (son ou contexte). Les résultats montrent que des intensités de chocs entre 0.5 et 0.8 mA permettent la sélection du prédicteur majeur du choc (son ou contexte) en fonction de la procédure d’apprentissage. En effet, les animaux de chaque groupe d’apprentissage expriment une forte réponse de peur au stimulus le plus prédictif du SI associée à une faible réponse à l’autre stimulus testé. En revanche, la plus faible intensité utilisée (0.3 mA) n’induit pas de conditionnement significatif ni au son ni au contexte.

Expérience 2 Nous avons ensuite évalué si une injection de corticostérone (10 ng par côté) dans l’hippocampe dorsal (HPCd) immédiatement après le conditionnement modulerait différemment les RCE selon l’intensité des chocs électriques. Sur la base des résultats de l’expérience 1, nous avons sélectionné trois intensités : 0.3 mA, une faible intensité qui ne permet pas de conditionnement significatif ; 0.5 et 0.8 mA, la plus faible et une plus forte intensité qui induisent un conditionnement au bon prédicteur du choc. Chez les animaux du groupe « son-prédictif », l’injection de corticostérone ne modifie globalement pas les réponses de peur quelque soit l’intensité des chocs. En revanche chez le groupe « contexte-prédictif », l’injection de corticostérone a des effets opposés sur les réponses de peur en fonction de l’intensité des chocs électriques. En particulier, après un conditionnement à faible intensité de chocs (0.3 mA), la corticostérone potentialise les RCE au contexte. Cependant, lorsque la corticostérone est injectée après une situation de forte

90 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT intensité de chocs (0.8 mA), les animaux présentent un déficit de conditionnement au contexte, le prédicteur majeur du choc, tandis qu’ils expriment une RCE au son, non prédictif du choc. Ainsi, la corticostérone dans l’HPCd conduit à la sélection d’un élément discret et saillant de l’expérience au lieu des éléments contextuels qui étaient pourtant les plus pertinents pour prédire l’événement aversif. Ce type de profil est similaire au profil mnésique retrouvé dans l’ESPT.

Expérience 3 Enfin, nous avons évalué si le profil mnésique de type ESPT observé chez les souris est associé à des déficits d’activité neuronale au sein du circuit hippocampo-amygdalien, qui est requis différemment selon la sélection du meilleure prédicteur du choc (Calandreau et al., 2005; Calandreau et al., 2006). L’analyse des niveaux d’expression de la protéine c-Fos montre que, chez le groupe « contexte-prédictif », l’injection de corticostérone diminue l’expression de c-Fos dans le CA1 dorsal et dans le GD ventral. Au contraire, l’expression de c-Fos dans l’amygdale (LA, BLA, CEA) est augmentée et devient similaire à celle des animaux qui sélectionnent normalement le son comme prédicteur majeur (groupe « son-prédictif »). De façon intéressante, ce pattern d’activité est similaire à celui retrouvé dans les études cliniques de l’ESPT, observant des altérations hippocampiques associées à une hyperactivité amygdalienne (Bremner et al., 1995; Liberzon et al., 1999).

3. Conclusion

En conclusion, nos résultats montrent que, lors de l’augmentation du niveau de stress, les glucocorticoïdes basculent d’un rôle facilitateur à un rôle délétère sur la consolidation mnésique, conduisant à une sélection incorrecte de stimuli non prédictifs. De façon intéressante, certains aspects des altérations mnésiques et neurobiologiques spécifiques de l’ESPT peuvent ainsi être modélisés chez la souris. L’action des glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal après une situation émotionnelle intense serait alors un mécanisme physiopathologique potentiel du développement de mémoires de type ESPT.

91 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT

Expériences préalables

Des expériences ont été au préalable effectuées afin d’évaluer un effet dose-réponse d’une injection de corticostérone dans l’HPCd sur l’expression de RCE, dans les trois conditions d’intensité de choc électrique (0.3, 0.5 et 0.8 mA). Nous avons initialement testé une gamme de doses de corticostérone de 1 à 100 ng par côté. Les résultats sont présentés sur la figure suivante (Figure 13). Il est à préciser que les RCE au son sont, cette fois-ci, présentées sous la forme d’un ratio normalisé, dont la formule est la suivante : [% freezing pendant le son – (% freezing en pré-son + % freezing en post-son)/2]/[% freezing pendant le son + (% freezing en pré-son + % freezing en post-son)/2]. Ce ratio permet de considérer le niveau de freezing exprimé pendant le son en comparaison du niveau de freezing basal, i.e. exprimé dans le contexte neutre avant et après la présentation du son. Un ratio tendant vers 1 indique un fort conditionnement au son, tandis qu’un ratio tendant vers 0, voire vers les valeurs négatives, indique une absence de conditionnement au son. L’utilisation, ici, de ce ratio s’explique par le fait que la multiplication des groupes expérimentaux (ici, 12 groupes) augmente la probabilité d’obtenir une plus grande variabilité de niveau de freezing basal, pouvant conduire à une interprétation difficile des résultats exprimées sous la simple forme de pourcentage de freezing pendant le son. Nos résultats montrent qu’après un conditionnement utilisant une faible intensité de chocs (0.3 mA), l’injection de corticostérone potentialise les RCE au contexte dès 10 ng, et ce indépendamment de la procédure d’apprentissage à partir de la dose de 20 ng. En revanche, la dose de 100 ng ne potentialise plus ces RCE au contexte. En situation d’intensité modérée de chocs (0.5 mA), la corticostérone préserve l’expression de RCE au stimulus prédictif du choc (son ou contexte). En revanche, à partir de 50 ng, les RCE au contexte sont altérées dans le sens où il y a une absence de sélection appropriée du stimulus prédictif. Enfin, en situation de forte intensité de chocs (0.8 mA), la corticostérone chez le groupe « contexte-prédictif » abolit le conditionnement au contexte dès la dose de 1 ng et promeut, à la dose de 10 ng, la sélection du stimulus saillant non prédictif (son) comme prédicteur du choc. Ces expériences ont conduit à sélectionner une dose de corticostérone (10 ng par côté) qui présente trois effets différents sur les RCE en fonction de l’intensité émotionnelle de l’apprentissage : potentialisation des RCE au contexte à 0.3 mA, préservation des RCE à 0.5 mA, et abolition des RCE au contexte en faveur de RCE au son à 0.8 mA. De plus, nos résultats indiquent que l’augmentation de l’intensité émotionnelle est associée à une

92 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT diminution de la dose de corticostérone nécessaire permettant de passer d’un effet facilitateur à un effet délétère sur les RCE. Ceci conforte aussi l’idée qu’en situation de fort stress, un excès de corticostérone dans l’hippocampe dorsal constitue un facteur critique dans le développement d’une mémoire émotionnelle pathologique de type ESPT.

Son-prédictif 0.3 mA Test au son Test au contexte Contexte-prédictif 0.6 40 0.5 0.4 30 # 0.3 # ## 0.2 # 20 0.1

0 % freezing -0.1 10 Ratio de conditionnement Ratio de conditionnement -0.2 -0.3 0 aCSF 1 10 20 50 100 aCSF 1 10 20 50 100 Dose corticosterone (ng) Dose corticosterone (ng) 0.5 mA 0.6 40 0.5 * * # 0.4 * * * * 30 * 0.3 * * 0.2 * 20 0.1 # 0 % freezing -0.1 10 -0.2 Ratio conditionnement de -0.3 0 aCSF 1 10 20 50 100 aCSF 1 10 20 50 100 Dose corticosterone (ng) Dose corticosterone (ng) 0.8 mA 0.6 40 0.5 0.4 # 30 0.3 * 0.2 * 20 0.1 ## 0 % freezing -0.1 10 -0.2 Ratio de conditionnement -0.3 0 aCSF 1 10 aCSF 1 10 Dose corticosterone (ng) Dose corticosterone (ng)

Figure 13. Effet dose de la corticostérone sur les RCE en fonction de l’intensité des chocs. Les * indiquent un effet de la procédure d’apprentissage (groupe son-prédictif vs. contexte-prédictif), P < 0.05. Les # indiquent un effet pharmacologique (une dose de corticostérone vs. aCSF), P < 0.05.

93 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT

94 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT

Title: Glucocorticoids can induce PTSD-like memory impairment in mice.

Authors: Nadia Kaouane1,2*, Yves Porte1,2, Ludovic Calandreau3, Nicole Mons1,2, Aline Marighetto1,2, Pier-Vincenzo Piazza4,2*, Aline Desmedt1,2*#

1 CNRS UMR 5228, Centre de Neurosciences Intégratives et Cognitives, Talence, France. 2 Université de Bordeaux, Bordeaux, France 3 INRA Centre de Tours Nouzilly, Physiologie de la Reproduction et des Comportements, CNRS UMR 6175, INRA UMR 85, Université de Tours - Haras Nationaux, Nouzilly, France 4 INSERM U862, Neurocentre Magendie, Bordeaux, France

* Equally contributing authors # Correspondence and reprint request should be addressed to Aline Desmedt Centre de Neurosciences Intégratives et Cognitives (UMR 5228) Avenue des Facultés, Talence, F-33405, France [email protected]

Running head: PTSD-like memories in mice

Text pages: 6 (2516 words) Figures: 3

95 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT

Post-traumatic stress disorder (PTSD) is characterized by a hypermnesia of the trauma and by a memory impairment which degrades the ability of the subject to restrict fear to the appropriate context. Infusion of glucocorticoids in the hippocampus after fear conditioning altered the pattern of neural activation in the hippocampal-amygdalar circuit and induced PTSD-like memory impairment. Animals become unable to identify the threat context as the right predictor of the threat and show a fear response for a discrete cue normally identified as safe. These data demonstrate PTSD-like memory impairment in rodents and identify a potential pathophysiological mechanism of this condition.

96 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT

Situations surrounding emotional events and in particular threatening ones are better remembered than the ones accompanying neutral events. This hypermnesia for environments and cues predicting threatening events is found practically in all the species able of learning, probably because it increases the probability of survival in uncontrolled environments. In humans the exposure to threatening situations can also result in memory impairments culminating in severe pathological states such as posttraumatic stress disorder (PTSD) (1). In this case, a hypermnesia for a salient proximal trauma-related cue is associated with a memory deficit for peritraumatic contextual cues (2-3), which leads to amnesia for important aspects of the traumatic event (1). In other words, the memory for the core traumatic event is enhanced but the capacity of the subject to place it in the right place and/or in response to the right cues is impaired. This diminished ability of the subject to identify the right predictors and restrict the fear response to the appropriate situation contributes to the intrusive recollection, i.e. re-experiencing the fear response in actually safe situations, which characterizes PTSD. Despite this well accepted clinical syndrome, animal models of traumatic memories and PTSD almost exclusively focus on the quantitative aspect of fear memories, i.e. an increased and persistent fear response (4). In contrast, the critical landmark of PTSD, the inability of the subject to restrict fear responses to the appropriate predicting cues or contexts, is largely neglected. As a consequence not only it is unclear whether PTSD-like memory impairment exists in other species than humans but the biological mechanisms determining the shift from adaptive fear memories to pathological PTSD-like memories remain largely unknown. In order to address this issue we analyzed if, in situations in which the impact of stress is increased, PTDS-like memory impairment can be observed in mice. At this purpose we injected the stress hormone corticosterone, the main glucocorticoid in rodents, in the hippocampus of mice submitted to a fearful situation. An increase in glucocorticoids secretion is one of the major biological responses to stress and this hormone is known to increase the impact of stress related memories (5-8). In addition, a deregulation of glucocorticoids secretion has been involved in the pathophysiology of PTSD (9). The hippocampus was chosen because it plays an important role in memory, is the major brain target of glucocorticoids (5, 8) and has been repeatedly found impaired in PTSD (10-11). To study the effects of glucocorticoids we developed a behavioral model that allows evaluating both the intensity of fear memories and the ability of the individual to restrict them to the appropriate predictor of the threatening stimulus. This model consists in a conditioning

97 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT procedure during which mice are submitted to a threatening situation, the delivery of an electric footshock, when concomitantly exposed to a specific context (conditioning cage) and to a discrete cue (a tone). By applying two different schedules of association between the presentation of the tone and the delivery of the shock it is possible to bring animals to identify either the context or the tone as the right predictors of the threat. When the presentation of the tone is always followed by the delivery of the shock (cue-shock pairing schedule) the animals identify the tone and not the conditioning context as the main predictor of the threat (predicting-cue group). In contrast, when the tone presentation is never followed by shock delivery (cue-shock unpairing schedule) the animals identify the conditioning context and not the cue as the right predictor of the threat (predicting-context group). The advantage of this procedure is that animals in the two groups are submitted to exactly the same nature and quantities of environmental stimuli but are able to identify different predictors of the threat (12-13). In our experimental conditions, 24 hours after this conditioning procedure animals were re-exposed first to the cue alone in a familiar and safe environment and then without the cue to the conditioning context alone. Animals in the predicting-cue group show conditioned fear when re-exposed to the cue alone but not to the context. In contrast, animals in the predicting-context group show conditioned fear when re-exposed to the context alone but not to the cue. The magnitude of these fear responses depends on the intensity of the threat since in both conditioning schedule it progressively increases as a function of the shock intensity (from 0.3 mA to 0.8 mA) (Fig. 1). We then studied the effects of corticosterone (10 ng per side) infused in the dorsal hippocampus immediately after the conditioning training. In this case three footshock intensities, low (0.3 mA), intermediate (0.5 mA) and high (0.8 mA), were used during conditioning in independent groups. In animals for which the cue is the right predictor, corticosterone did not significantly modify the fear response (Fig. 2). This lack of significant effect is not surprising. Indeed, the hippocampus is known to be necessary for the establishment of contextual conditioning but it appears to be dispensable for cue conditioning (14-15). In contrast, in the group for which the context was the right predictor, corticosterone modified fear memory as a function of the threat intensity. As previously described (6-7), when corticosterone was infused after conditioning with the lowest shock intensity (0.3 mA) an increase in the magnitude of conditioned fear was observed when animals were exposed to the context alone (Fig. 2B). However, when corticosterone was infused after conditioning with the highest shock intensity

98 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT

(0.8 mA) a PTSD-like memory impairment was observed. Indeed, these animals did not show fear in response to the context (Fig. 2B), the right predictor of the threat in this group, but showed a fear response to the tone (Fig. 2A), normally not a relevant predictor of the threat for them. Remarkably in this condition, animals in the predicting-context group started behaving as animals in the predicting-cue group. In a third experiment, we analyzed if the PTSD-like memory impairment observed in the predicting-context group were also associated with an altered neural activity within the hippocampus and the amygdala. The hippocampus and the amygdala were both studied in this case because during acquisition of fear conditioning, the selection of the best predictor of the shock (tone vs. context) differentially requires the activation of the hippocampal-amygdalar circuit (12, 16). Neural activation was evaluated by comparing the expression of the immediate early gene c-fos (number of c-Fos positive cells per mm2) ninety minutes after the infusion in the hippocampus of corticosterone (10 ng per side) or of a control solution (an artificial cerebrospinal fluid, aCSF) that followed the conditioning procedure. Since in the previous experiment animals in the predicting-context group infused with corticosterone behaved as control animals in the predicting-cue group, we also studied c-Fos in the latest group of animals. Controls (aCSF infusions) in the predicting-context and predicting-cue groups showed very different patterns of c-Fos activation. The correct identification of the context as predictor of the shock (predicting-context group) was associated with high levels of c-Fos expression in the DG of the hippocampus and low levels of c-Fos expression in the amygdala. In contrast, the identification of the cue as the correct predictor (predicting-cue group) was associated with low levels of c-Fos activation in the dentate gyrus (DG) and high levels of c-Fos expression in the amygdala (Fig. 3). No significant differences between the two groups were observed in the CA1 and the CA3 (fig. S1). Surprisingly in the amygdala, the response was completely lateralized and present only in the right hemisphere, whilst no changes were observed in the left amygdala (fig. S2). Corticosterone infusions in the predicting-context group induced a decrease in c-Fos expression in the dorsal CA1 and the ventral DG, whilst increased c-Fos expression in the amygdala. Thus, the pattern of c-Fos expression in the predicting-context group infused with corticosterone becomes similar to the one observed in control animals for which the right predictor was the cue. In conclusion, the results of these experiments show that during conditioning with an intense threat an increase in glucocorticoid level in the hippocampus can generate PTSD-like memory impairments in mice. Indeed, animals in the predicting-context group infused with corticosterone after conditioning with the highest shock intensity did not show conditioned

99 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT fear in response to the conditioning context, the right predictor of the threat, whilst conditioned fear appeared in response to a salient discrete cue, the tone, which, although part of the stressful experience, was never paired with the shock. This impairment is very similar to what observed in PTSD patients in which contextual peritraumatic cues are often forgotten, whilst salient but irrelevant ones are strongly remembered and become able to induce a strong fear response in contexts different from the traumatic one (1-2). The induction of PTSD-like memory impairments by corticosterone infusion in the hippocampus is associated with a switch in neural activation within the hippocampal- amygdalar circuit. Indeed, in control conditions, the identification of the context as the right predictor of the threat is associated with low amygdalar activation and high activation in the DG, whilst the opposite pattern is observed in animals identifying the cue as the right predictor. After corticosterone infusions, when the animals in the predicting-context group identify the cue instead of the context as the predictor of the threat, the activation of the amygdala increases whilst a decreased activation is observed in the ventral DG and the dorsal CA1 regions of the hippocampus. This hippocampal sub-regions selectivity is consistent with both the critical role of the dorsal CA1 in the processing of contextual information and with the high sensitivity of the ventral DG to stress effects (17-18). Strikingly, theses alterations of neural activation are also very similar to those observed in PTSD patients, showing an impaired hippocampal function, sometimes associated with a decreased hippocampal volume, whilst an amygdalar hyperactivation is observed in response to trauma-related cues (10, 19). In conclusion, these results provide solid evidences for the existence of PTSD-like memory impairments in rodents and identify one of the potential pathophysiological mechanisms of this condition. The understanding of the molecular mechanisms through which high levels of glucocorticoids in the hippocampus can modify neural activation in the hippocampal-amygdalar circuit could open new avenues for the development of innovative treatments of PTSD.

100 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT

References and notes

1. APA, Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders IV - Text Revision. (American Psychiatric Press, Washington D.C., 2000). 2. B. M. Elzinga, J. D. Bremner, J Affect Disord 70, 1 (2002). 3. B. Layton, R. Krikorian, J Neuropsychiatry Clin Neurosci 14, 254 (2002). 4. S. Tronel, C. M. Alberini, Biol Psychiatry 62, 33 (2007). 5. J. L. McGaugh, B. Roozendaal, Curr Opin Neurobiol 12, 205 (2002). 6. J. M. Revest et al., Nat Neurosci 8, 664 (2005). 7. J. M. Revest et al., Mol Psychiatry 15, 1125 (2010). 8. C. Sandi, M. T. Pinelo-Nava, Neural Plast 2007, 78970 (2007). 9. R. Yehuda, J Clin Psychiatry 62 Suppl 17, 41 (2001). 10. J. D. Bremner, J. H. Krystal, S. M. Southwick, D. S. Charney, J Trauma Stress 8, 527 (1995). 11. M. W. Gilbertson et al., Nat Neurosci 5, 1242 (2002). 12. L. Calandreau et al., J Neurosci 26, 13556 (2006). 13. A. Desmedt, R. Garcia, R. Jaffard, J Neurosci 18, 480 (Jan 1, 1998). 14. R. G. Phillips, J. E. LeDoux, Behav Neurosci 106, 274 (1992). 15. J. J. Kim, M. S. Fanselow, Science 256, 675 (1992). 16. P. Trifilieff, L. Calandreau, C. Herry, N. Mons, J. Micheau, Neurobiol Learn Mem 88, 424 (2007). 17. S. Brummelte, L. A. Galea, Neuroscience 168, 680 (2010). 18. M. R. Hunsaker, R. P. Kesner, Neurobiol Learn Mem 89, 61 (2008). 19. I. Liberzon et al., Biol Psychiatry 45, 817 (1999). 20. We thank F. Naneix for corrections of the manuscript and helpful discussions and L. Brayda-Bruno, A. Faugere, F. Rougé-Pont and C. Dupuy for their technical help. NK and AD conceived and designed the experiments. NK, NM, YP, and AD performed the experiments. NK and AD analyzed the data. NK, AM, PVP and AD wrote the manuscript. YP, LC and NM revised the manuscript. This work was supported by the Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) and the Fédération pour la Recherche sur le Cerveau (FRC) to AD. The authors have declared that no competing interests exist.

101 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT

Figure 1

ABRe-exposure to the Re-exposure to the cue alone context alone oo oo 50 oo * 30 oo o * * o 40 ** 20 * 30 **

20 10 % Freezing % Freezing 10

0 0 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 Shock intensity (mA) Shock intensity (mA) Predicting-cue group Predicting-context group

Fig. 1. Increasing shock intensity produced fear responses to the right predictor and increased their magnitude. (A) When re-exposed to the cue alone, the predicting-cue group displayed more conditioned fear than the predicting-context group from 0.4 mA to 0.8 mA [all F > 6.78, P < 0.05], but not with 0.3 mA [F(1,16) = 0.08; P = 0.78]. (B) When the same animals were re-exposed to the conditioning context alone, the predicting-context group expressed more conditioned freezing than the predicting-cue group with 0.5 and 0.8 mA [all F > 6.09, P < 0.05] but not with lower shock intensities [all F < 1.88, P > 0.1]. The two groups also increased the magnitude of their fear responses to the right predictor as a function of the shock intensity [all F < 4.67, P < 0.01]. Intensities ranging from 0.5 to 0.8 mA produced higher levels of freezing compared to lower intensities [Fisher’s PLSD, all P < 0.05]. *P < 0.05, **P < 0.01, Predicting-cue vs. Predicting-context groups; oP < 0.05, ooP < 0.01, one intensity vs. 0.3 mA.

102 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT

Figure 2

A Re-exposure to the cue alone 50

40 #

20 % Freezing 10

0 0.3 0.5 0.8 0.3 0.5 0.8 Shock intensity (mA) Shock intensity (mA) B Re-exposure to the context alone 30

# 20 #

10 % Freezing

0 0.3 0.5 0.8 0.3 0.5 0.8 Shock intensity (mA) Shock intensity (mA) Predicting-cue group Predicting-context group aCSF CORT aCSF CORT

Fig. 2. Corticosterone infusions can induce PTSD-like memory impairment with increasing shock intensity. (A) When animals were exposed to the cue alone, corticosterone (CORT) increased fear response to the irrelevant tone cue in the predicting-context group when the intensity of the threat was high (0.8 mA) [F(1,17) = 6.62, P < 0.05], whilst same infusion had no significant effect in any of the other conditions studied [all F < 2.75, P > 0.11]. (B) When animals in the predicting-context group were exposed to the context alone, corticosterone increased the appropriate fear response for a threat of low intensity (0.3 mA) [F(1,14) = 7.05, P < 0.05]. However, when the intensity of the threat was high (0.8 mA) corticosterone impaired the ability of the subject to identify the context as the right predictor [F(1,17) = 4.76, P < 0.05]. Corticosterone had no effect in the predicting-cue group in any of the condition studied [all F < 2.67, P > 0.12]. #P < 0.05, aCSF vs. CORT.

103 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT

Figure 3

Hippocampus Naive 200 Dorsal CA1 300 Ventral CA1 Predicting-context aCSF 150 200 Predicting-cue aCSF

100 Predicting-context CORT # 100 50 (number/mm²) c-Fos positive cells positive c-Fos 0 0

800 Dorsal DG 400 Ventral DG

600 300 * * 400 200

200 100 # (number/mm²) c-Fos positivecells 0 0

Amygdala

1500 Right LA 800 Right BLA 2000 Right CEA ## ### ## 600 1500 1000

400 1000

500 200 500 (number/mm²) * c-Fos positive cells * ** 0 0 0

Fig. 3. PTSD-like memories were associated with an impairment of neural activity within the hippocampal-amygdalar circuit. Control animals in the predicting-context group were characterized by high levels of c-Fos expression in the dentate gyrus (DG) of the hippocampus and low levels of c-Fos expression in the right amygdala (lateral (LA), basolateral (BLA) and central (CEA) nuclei). The opposite pattern was observed in the predicting-cue group [all P < 0.05]. No significant differences between the two groups were observed in the CA1. Corticosterone infusions in the predicting-context group induced a decrease in c-Fos expression in the dorsal CA1 and the ventral DG [both P < 0.05], whilst increased c-Fos expression in the amygdala [all P < 0.01]. *P < 0.05, **P < 0.01, Predicting- cue vs. Predicting-context groups; #P < 0.05, ##P < 0.01, ###P < 0.001, aCSF vs. CORT.

104 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT

Supplemental figure 1

Dorsal CA3 Ventral CA3 800 500

400 600 Naive 300 Predicting-context aCSF 400 200 Predicting-cue aCSF 200 (number/mm²) 100 Predicting-context CORT c-Fos positive cells 0 0

Fig. S1. Levels of c-Fos expression in the CA3 were not changed in the experimental groups. In all experimental groups (predicting-context and predicting-cue groups infused with aCSF; predicting-context infused with corticosterone, CORT), levels of c-Fos expression in the dorsal and ventral CA3 were higher than baseline level (naive animals) [all P < 0.01]. No effect of treatment nor of procedure was observed [all P > 0.21].

105 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT

Supplemental figure 2

Left LA Left BLA Left CEA 1500 800 2000

Naive 600 1500 1000 Predicting-context aCSF 400 1000 Predicting-cue aCSF 500 200 500 (number/mm²) Predicting-context CORT c-Fos positive cells positive c-Fos 0 0 0

Fig. S2. Fear responses were associated with a low activation of the left amygdala. In all experimental groups (predicting-context and predicting-cue groups infused with aCSF; predicting-context infused with corticosterone, CORT), levels of c-Fos expression in the left amygdala (lateral (LA), basolateral (BLA) and central (CEA) nuclei) were higher than baseline level (naive animals) [all P < 0.05] and lower than those observed in the right hemisphere [all P < 0.05]. No effect of treatment nor of procedure was observed [all P > 0.09].

106 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT

Supporting online material

Materials and methods

Subjects For all the experiments, 3-month-old naive male mice (C57Bl/6 JI Co; Charles River Laboratories, Arbresle, France) were individually housed in standard Macrolon cages in a temperature- and humidity-controlled room under a 12-h light/dark cycle (lights on at 07:00) and had ad libitum access to food and water. All experiments took place during the light phase. All animal care and behavioral tests were conducted in compliance with the European Communities Council Directive (86/609/EEC). The final group sizes were as follows: - Shock intensity study: predicting-cue group 0.3 mA (n = 9), 0.4 mA (n = 9), 0.5 mA (n = 9), 0.6 mA (n = 9) and 0.8 mA (n = 6); predicting-context group 0.3 mA (n = 9), 0.4 mA (n = 8), 0.5 mA (n = 8), 0.6 mA (n = 6) and 0.8 mA (n = 6). - Corticosterone infusions study: predicting-cue group 0.3 mA aCSF (n = 12), 0.3 mA CORT (n = 8), 0.5 mA aCSF (n = 9), 0.5 mA CORT (n = 9), 0.8 mA aCSF (n = 12), 0.8 mA CORT (n = 10); predicting-context group 0.3 mA aCSF (n = 9), 0.3 mA CORT (n = 7), 0.5 mA aCSF (n = 10), 0.5 mA CORT (n = 8), 0.8 mA aCSF (n = 10), 0.8 mA CORT (n = 9). - Immunohistochemistry study: naive animals (n = 7); predicting-cue group 0.8 mA aCSF (n = 4); predicting-context group 0.8 mA aCSF (n = 6), CORT (n = 5).

Surgical procedure Mice were anesthetized with ketamine (80 mg/kg body weight, i.p.) and xylazine (16 mg/kg body weight, i.p.) (Bayer, Wuppertal, Germany) and secured in a David Kopf Instruments (Tujunga, CA) stereotaxic apparatus. Stainless-steel guide cannulae (26 gauge, 8- mm length) were implanted bilaterally 1 mm above the dorsal hippocampus (A/P, -2 mm; M/L, ±1.3 mm; D/V, 1 mm; relative to dura and bregma) (S1), then fixed in place with dental cement and two jewel screws attached to the skull. Mice were then allowed to recover in their home cage for at least 8 days before behavioral experiment. Mice were submitted to a fear conditioning procedure as previously described.

107 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT

Behavioral studies Fear conditioning procedures Two days before the beginning of fear conditioning, all mice were individually placed daily for 4 min into an opaque PVC chamber (30 x 24 x 22 cm) with an opaque PVC floor, in a brightness of 100 lux. The box was cleaned with 4% acetic acid before each trial. This pre- exposure allowed the mice to acclimate and become familiar with the chamber used for the cue alone test. Acquisition of fear conditioning was performed in a different context, a Plexiglas conditioning chamber (30 x 24 x 22 cm), in a brightness of 60 lux, given access to the different visual-spatial cues in the experimental room. The floor of the chamber consisted of 60 stainless-steel rods (2 mm diameter), spaced 5 mm apart and connected to a shock generator (Imetronic, Pessac, France). The box was cleaned with 70% ethanol before each trial. Animals were trained with either the cue-shock pairing or unpairing procedure. These training procedures have been fully described in previous studies (S2-5). Briefly, each animal was placed in the conditioning chamber for 4 min during which it received two tone cues (63 dB, 1 kHz, 15 s) and two footshocks (ranging from 0.3 to 0.8 mA, 50 Hz, 3 s). When the presentation of the tone is always followed by the delivery of the shock (cue-shock pairing procedure) the animals identify the tone cue and not the conditioning context as the main predictor of the shock (predicting-cue group). In contrast, when the tone presentation is never followed by shock delivery (cue-shock unpairing procedure) the animals identify the conditioning context and not the cue as the right predictor of the shock (predicting-context group). Twenty-four hours later, all mice were submitted to two memory retention tests. First, mice were exposed to the cue alone during 2 min in the safe and familiar chamber. Two hours later, mice were exposed to the conditioning context alone during 2 min without the cue. During these two tests, freezing behavior of animals, defined as a lack of all movement except for respiratory-related movements, was used as an index of conditioned fear response (S6). Animals were continuously recorded on videotape for off-line second-by-second scoring of freezing by an observer blind of experimental groups. Freezing response was calculated as the percentage of the total time spent freezing during the 2-min period of test.

Intracerebral infusions Immediately after the acquisition of fear conditioning, animals were replaced in their home cage and received intrahippocampal bilateral infusions (0.3 µl per side) of corticosterone (2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin complex; Sigma-Aldrich; 10 ng per side; CORT) or artificial cerebrospinal fluid (aCSF) . For infusions, the stylets normally obtruding

108 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT the guide cannulae were removed. Stainless-steel cannulae (32 gauge, 9 mm) attached to 1-µl Hamilton syringes (PolyLabo, Strasbourg, France) with polyethylene catheter tubing were inserted through the guide cannulae. The syringes were fixed in a constant rate infusion pump (0.1 µl/min). The cannulae were left in place for an additional 1 min before removal to allow diffusion of the drug away from the cannulae tips. The doses of corticosterone have been selected on the basis of previous studies reporting that intrahippocampal corticosterone infusion of 10 ng after conditioning with low footshock intensity (0.3 mA) increased contextual fear memories in mice (S7, 8).

Histology After behavioral testing, animals were given an overdose of pentobarbital and transcardially perfused with physiological saline, followed by 10% buffered formalin. Brains were postfixed in formalin-saccharose 30% solution for 1 week, frozen, cut coronally on a sliding microtome into 60 µm sections that were mounted on gelatin-coated glass slides, and stained with thionine to evaluate the cannula placements.

Immunohistochemistry A separate cohort of mice was prepared, conditioned as described before (cue-shock pairing or unpairing schedule) with the highest shock intensity (0.8 mA) and underwent intrahippocampal infusions of aCSF or corticosterone (10 ng per side). A group of naive mice, handled similarly and stayed in their home cages, was used as control. Mice were then killed 90 min after infusions for examination of c-Fos expression. Mice were deeply anesthetized with pentobarbital (120 mg/Kg) and perfused intracardiacally with 100 ml of 4% paraformaldehyde (PFA) in 0.1 M Na2HPO4/NaH2PO4 buffer (pH 7.5) at 4°C. Brains were quickly removed, post-fixed one night in the same fixative solution as described above then in the phosphate buffer (PB)/sucrose 30% solution, and then coronally sectioned using a sliding microtome. Free-floating sections (50-μm thin) were rinsed in PB and pretreated with 0.6% H2O2 in PB to reduce endogenous peroxidase activity. After four rinses in phosphate buffer saline (PBS) (15 min each), sections were incubated in a blocking solution (4% normal goat serum/0.2% Triton X-100) for 1 h at room temperature. Then, they were incubated in primary polyclonal rabbit anti-c-Fos antibody (Oncogene Research Products; 1/10000 dilution) diluted in the blocking solution overnight at room temperature. Subsequently, sections were washed four times with PBS and incubated for 2 h at room temperature with biotinylated goat anti-rabbit IgG (Jackson Immunoresearch;

109 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT

1/2000 dilution in PBS) followed by 2 h incubation at room temperature in the avidin-biotin peroxidase complex (Vectastain Elite kit; Vector Laboratories). Sections were rinsed in PBS and then 0.05 M Tris (pH 7.6). The peroxidase reaction end-product was visualized by incubating sections in Tris containing 3,3’-diaminobenzidine tetrahydrochloride (Sigma- Aldrich, 0.1%) as chromogen and hydrogen peroxide (0.02%) for 15 min. Finally, immunolabeled sections were washed in PB, mounted on gelatin-coated slides, dehydrated, and coverslipped. A videocamera (SONY DXC-950P) attached to a microscope (OLYMPUS BX 50) and connected to an analysis software (Biocom; Visiolab 2000, V4.50) was used for labeled cell quantification. Quantifications were carried out at ×10 magnification. Sections from the dorsal hippocampus were quantified between bregma -2 mm and bregma -2.4 mm and from the ventral hippocampus were between -2.9 bregma and bregma -3.3 mm (Franklin & Paxinos, 1997). Dentate gyrus (DG) granular cell layer, CA1 and CA3 pyramidal layers were targeted. Sections from the lateral (LA), basolateral (BLA) and central (CEA) nuclei of the amygdala were quantified between bregma -1.2 mm and bregma -1.6 mm. For all brain regions, 6 measurements (three per hemisphere) were made from 3 different sections per animal and averaged. Measurements were also averaged between hemispheres for hippocampal subfields but not for amygdalar nuclei, since we have observed lateralization of c-Fos expression. The computer automatically counted all positive targets in the regions of interest excluding noncellular irregularities in the background staining. The experimenter was blind to the experimental grouping. Results were expressed as number of c-Fos- immunopositive cells per mm2 for each region.

Data analysis All data are presented as mean + SEM. Statistical analyses were performed with Statview (SAS Institute, Cary, NC). For the behavioral data, statistical tests were performed using analysis of variance (ANOVA), with shock intensity (from 0.3 to 0.8 mA), procedure (predicting-cue vs. predicting-context groups) and treatment (aCSF vs. CORT) as between- groups factors. ANOVAs were followed by post hoc analyses (Fisher’s PLSD) when appropriate. For the immunohistochemestry data, groups were compared two by two using Student’s t-test. Values of P < 0.05 were considered as significant.

110 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT

Supporting references

S1. K. B. J. Franklin, G. Paxinos, The mouse brain in stereotaxic coordinates (Academic Press, San Diego, 1997). S2. A. Desmedt, R. Garcia, R. Jaffard, J Neurosci 18, 480 (Jan 1, 1998). S3. L. Calandreau, A. Desmedt, L. Decorte, R. Jaffard, Learn Mem 12, 383 (2005). S4. L. Calandreau et al., J Neurosci 26, 13556 (2006). S5. L. Calandreau, R. Jaffard, A. Desmedt, Learn Mem 14, 422 (2007). S6. M. S. Fanselow, Pavlov J Biol Sci 15, 177 (1980). S7. J. M. Revest et al., Nat Neurosci 8, 664 (2005). S8. J. M. Revest et al., Mol Psychiatry 15, 1125 (2010).

111 CHAPITRE 1 : Glucocorticoïdes et profil mnésique de type ESPT

112

CHAPITRE 2

Effets opposés des glucocorticoïdes dans l'hippocampe dorsal vs. ventral sur les réponses de peur conditionnées

Article 2 : Opposite effects of glucocorticoids on fear memories in dorsal vs. ventral hippocampus.

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114 CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral

CHAPITRE 2 Effets opposés des glucocorticoïdes dans l'hippocampe dorsal vs. ventral sur les réponses de peur conditionnées (Article 2)

1. Introduction

Une libération importante de glucocorticoïdes lors d’une situation de stress intense affecte la consolidation mnésique de cet événement dépendante de l’hippocampe (McEwen, 2000; Roozendaal et al., 2003). Ceci pourrait expliquer l’apparition d’un profil mnésique pathologique comme la mémorisation de stimuli saillants mais peu pertinents au regard de l’événement traumatique, ainsi que leur décontextualisation (Layton & Krikorian, 2002). Dans ce cadre, nous venons de voir dans le chapitre 1 qu’une injection de glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal après un conditionnement aversif intense (chocs à 0.8 mA) altère le conditionnement contextuel et conduit les animaux à sélectionner un stimulus discret et saillant (le son) qui n’était pas prédictif du choc électrique. De façon intéressante, de nombreuses données conduisent à établir une dissociation fonctionnelle le long de l’axe dorso-ventral de l’hippocampe chez le rongeur (Moser & Moser, 1998; Fanselow & Dong, 2010; Segal et al., 2010). Dans le cadre du conditionnement aversif, l’hippocampe dorsal (HPCd) est clairement requis dans le conditionnement contextuel et n’est pas nécessaire pour le conditionnement élémentaire à un stimulus discret (comme un son). Au contraire, l’hippocampe ventral (HPCv) apparait requis dans le conditionnement élémentaire, tandis que sa contribution dans le conditionnement contextuel semble être mineure (Maren & Holt, 2004; Hunsaker & Kesner, 2008). De plus, il existe un gradient d’expression des récepteurs aux corticostéroïdes au sein de l’hippocampe. En effet, l’HPCv présente globalement un niveau d’expression de récepteurs plus important que l’HPCd (Robertson et al., 2005). L’ensemble de ces dissociations entre les régions dorsale et ventrale de l’hippocampe suggère fortement que les glucocorticoïdes pourraient avoir des effets différents sur les réponses conditionnées de peur en fonction du secteur hippocampique ciblé. Par ailleurs, les effets mnésiques des glucocorticoïdes dépendent de l’activation des récepteurs aux glucocorticoïdes (GR) dans l’hippocampe (Oitzl et al., 2001). Bien que l’activation des GR soit cruciale pour la consolidation d’un conditionnement aversif en situation émotionnellement modérée (Revest et al., 2005), il a également été montré que

115 CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral l’activation des GR est responsable des effets délétères des glucocorticoïdes sur la plasticité synaptique hippocampique (Segal et al., 2010) ainsi que sur la mémoire spatiale (Conrad et al., 1999). Toutefois, l’implication des récepteurs de type GR au sein de chaque secteur hippocampique dans les effets des glucocorticoïdes sur les réponses de peur conditionnées lors d’une forte situation émotionnelle reste à déterminer.

Ainsi, nous avons déterminé si les effets délétères de la corticostérone sur les réponses de peur sont dépendants du secteur hippocampique ciblé. Nous avons aussi déterminé dans quelle mesure les GR des secteurs dorsal et ventral de l’hippocampe pourraient être responsables des effets de la corticostérone sur les réponses de peur.

2. Résumé des principaux résultats

Expérience 1 Dans un premier temps, nous avons évalué les effets d’une injection de corticostérone ou de dexaméthasone, un agoniste spécifique des GR, dans l’HPCd sur les réponses de peur en fonction de la procédure de conditionnement aversif (appariement ou non-appariement son-choc) en situation émotionnelle intense (0.8mA). Comme observé dans l’étude du chapitre 1, les résultats montrent que l’injection de corticostérone dans l’HPCd altère le conditionnement contextuel et induit une RCE au son chez des animaux qui devaient normalement sélectionner le contexte comme prédicteur du choc (groupe « contexte- prédictif »). De plus, l’injection de dexaméthasone reproduit ce même type de profil mnésique. Ces données indiquent que le profil mnésique induit par l’action des glucocorticoïdes dans l’HPCd implique l’activation des GR.

Expérience 2 Nous avons ensuite testé si une injection de corticostérone ou une injection de dexaméthasone dans l’HPCv avaient des effets opposés sur les réponses de peur des injections ciblées dans l’HPCd. De façon intéressante, l’injection de corticostérone dans l’HPCv induit un profil de RCE complètement opposé à celui induit par la corticostérone dans l’HPCd. En effet, les animaux qui devaient normalement sélectionner le son comme prédicteur du choc (groupe « son-predictif ») présentent maintenant un déficit de conditionnement au son et expriment au contraire une forte RCE au contexte. De plus, l’injection de dexaméthasone dans l’HPCv mime les effets délétères de la corticostérone sur le profil de RCE.

116 CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral

3. Conclusion

Nos résultats montrent que les glucocorticoïdes après une expérience de fort stress importante ont des effets délétères sur les réponses conditionnées de peur mais opposés en fonction du secteur hippocampique ciblé. Ces effets sont médiés au sein de l’HPCd et de l’HPCv par le même type de récepteurs, les GR. Par ailleurs, il a été montré que ces récepteurs sont responsables d’altérations de l’excitabilité et de la plasticité neuronale à la fois dans l’HPCd et dans l’HPCv (Maggio & Segal, 2007b, 2009a, 2009b). Par conséquent, les glucocorticoïdes pourraient altérer la fonction préférentielle du secteur hippocampique ciblé dans le conditionnement aversif (traitement du contexte dans l’HPCd et traitement du son dans l’HPCv) et conduire à la sélection incorrecte d’un stimulus (son ou contexte, respectivement) qui n’était pas prédictif de l’événement aversif.

117 CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral

118 CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral

Title: Opposite effects of glucocorticoids on fear memories in dorsal vs. ventral hippocampus Authors: Nadia Kaouane1,2, Aline Marighetto1,2, Menahem Segal3, Aline Desmedt1,2*

1 CNRS UMR 5228, Centre de Neurosciences Intégratives et Cognitives, Talence, France. 2 Université de Bordeaux, Bordeaux, France 3 Department of Neurobiology, The Weizmann Institute, Rehovot, Israel * Correspondence and reprint request should be addressed to Aline Desmedt Centre de Neurosciences Intégratives et Cognitives, CNRS UMR 5228, Avenue des Facultés, Talence, F-33405, France [email protected]

Running head: Glucocorticoids in hippocampus

Text pages: 18 Figures: 3 Abstract: 243; Introduction: 439; Discussion: 1374 words

Keywords: glucocorticoids receptor, dorsal and ventral hippocampus, fear conditioning, stress

Aknowledgments: This work was supported by the Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) and the Fédération pour la Recherche sur le Cerveau (FRC) to AD. The authors have declared that no competing interests exist. We thank F. Naneix for corrections of the manuscript and helpful discussions and C. Dupuy for animals care. NK designed and performed the experiments. NK and AD analyzed the data. NK, AM, MS and AD wrote and revised the manuscript.

119 CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral

Abstract

High glucocorticoids release under extreme stressful situation can impair memory consolidation. The hippocampus is a major brain target of glucocorticoids and could be implicated in theses negative effects on memory. However, recent findings suggest a functional dissociation along the septo-temporal (dorso-ventral) axis of the hippocampus. In order to assess the effect of glucocorticoids on memory consolidation, corticosterone was infused locally in the dorsal or ventral hippocampus (DH and VH, respectively) after acquisition of fear conditioning. Two procedures of fear conditioning, which differed in the contingency between an auditory cue and a high-intensity footshock, allow an investigation of the selection of the cue or the context as the predictor of the shock. Infusions of corticosterone into the DH impaired contextual fear conditioning and promoted fear response to the cue in the group for which the context is predictive of the shock. In contrast, corticosterone infusion into the VH had opposite effects on fear memories. Animals for which the cue is predictive of the shock did not express fear response to the cue but did show contextual conditioning. Moreover, infusions of the glucocorticoid receptor (GR) agonist dexamethasone into DH or VH mimicked the effects of corticosterone on fear responses, indicating that corticosterone effect may be mediated by activation of GR within both the DH and VH sectors of the hippocampus. These findings demonstrate that glucocorticoids, acting on GR, can induce opposite forms of emotional memory impairment depending on the hippocampal sector where they are activated.

120 CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral

Introduction

Exposure to an extreme stress can produce highly fearful memories, which contribute to the development and symptoms of anxiety disorders (de Quervain et al., 2009). In such stressful situation, it is well known that excess glucocorticoids specifically impair the hippocampal-dependent memory consolidation of this event (McEwen, 2000; Roozendaal, 2003), which may explain pathological fear memories (Layton and Krikorian, 2002). Therefore, investigating the glucocorticoids actions within the hippocampus may have important implications for understanding the neurobiological mechanisms of anxiety disorders. In this context, we have recently demonstrated in mice that, under a high stressful situation, post-training infusion of glucocorticoids into the dorsal hippocampus (DH) impairs contextual fear memories whilst fear responses for a discrete tone cue never paired with the footshock now emerge (Kaouane et al., 2010). Contrary to common belief on the unity of hippocampal operation, a functional dissociation has been shown recently to exist along the dorsal-ventral axis of the hippocampus (Fanselow and Dong, 2010). In particular, while contextual learning is assigned to the DH, the ventral hippocampus (VH) may rather contribute to emotion-related processes (Moser and Moser, 1998; Bannerman et al., 2004) and particularly to tone fear conditioning (Maren, 1999; Richmond et al., 1999; Bast et al., 2001; Maren and Holt, 2004). However, the involvement of the VH in contextual fear conditioning remains controversial (Maren and Holt, 2004; Rudy and Matus-Amat, 2005). Furthermore, whereas the DH is able to express a high-magnitude long-term potentiation (LTP), the VH has a lower ability to express LTP (Maggio and Segal, 2007b, a). Nonetheless, the hippocampal sector-dependent effects of high glucocorticoids levels on fear memories are still elusive. The effects of glucocorticoids on memory depend on the activation of glucocorticoid receptors (GR) within the hippocampus (Oitzl et al., 2001). In fear conditioning, GR activation within the hippocampus is crucial for the consolidation of contextual fear memories (Donley et al., 2005; Revest et al., 2005; Revest et al., 2010). In contrast, full GR activation results in impaired spatial memory (Conrad et al., 1999; Brinks et al., 2007). Specific activation of GR also abolishes in vitro synaptic excitability in both DH and VH (Segal et al., 2010). Thus, we hypothesized that GR activation within these hippocampal sectors may be responsible for the glucocorticoids-induced effects on fear memories.

121 CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral

The aim of the present study was to compare the effects of post-training local infusions of corticosterone, the major glucocorticoid in the rodent, into either the DH or the VH on the consolidation of tone and contextual fear memories. Additionally, infusion of the GR agonist dexamethasone is aimed to assess the extent to which the effect of corticosterone on fear memories is mediated by GR activation.

Materials and methods

Subjects For all the experiments, 3-month-old naive male mice (C57Bl/6 JI Co; Charles River Laboratories, Lyon, France) were individually housed in standard Macrolon cages in a temperature- and humidity-controlled room under a 12-h light/dark cycle (lights on at 07:00) and had ad libitum access to food and water. All experiments took place during the light phase. All animal care and behavioral tests were conducted in compliance with the European Communities Council Directive (86/609/EEC).

Surgical procedure Mice were anesthetized with ketamine (80 mg/kg body weight, i.p.) and xylazine (16 mg/kg body weight, i.p.) (Bayer, Wuppertal, Germany) and secured in a David Kopf Instruments (Tujunga, CA) stereotaxic apparatus. Stainless-steel guide cannulae (26 gauge, 8- mm length) were implanted bilaterally 1 mm above either the dorsal hippocampus (A/P, -2 mm; M/L, ±1.3 mm; D/V, 1 mm) or the ventral hippocampus (A/P, -3.6 mm; M/L, ±3 mm; D/V, 3.3 mm; relative to dura and bregma) (Franklin and Paxinos, 1997), then fixed in place with dental cement and two jeweler screws attached to the skull. Mice were then allowed to recover in their home cage for at least 8 days before behavioral experiments.

Fear conditioning procedures Two days before the beginning of fear conditioning, all mice were individually placed daily for 4 min in an opaque PVC chamber (30 x 24 x 22 cm) with an opaque PVC floor, in a brightness of 100 lux. The box was cleaned with 4% acetic acid before each trial. This pre- exposition allowed the mice to acclimate and become familiar with the chamber used for the cue alone test. Acquisition of fear conditioning was performed in a different context, a Plexiglas conditioning chamber (30 x 24 x 22 cm), in a brightness of 60 lux, given access to

122 CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral the different visual-spatial cues in the experimental room. The floor of the chamber consisted of 60 stainless-steel rods (2 mm diameter), spaced 5 mm apart and connected to a shock generator (Imetronic, Pessac, France). The box was cleaned with 70% ethanol before each trial. Animals were trained with either the cue-shock pairing or unpairing procedure. These training procedures have been fully described in previous studies (Calandreau et al., 2005; Calandreau et al., 2006; Calandreau et al., 2007). Briefly, each animal was placed in the conditioning chamber for 4 min during which it received two tone cues (63 dB, 1 kHz, 15 s) and two footshocks (0.8 mA, 50 Hz, 3 s). When the presentation of the tone was always followed by the delivery of the shock (cue-shock pairing procedure) the animals identified the tone and not the conditioning context as the main threat predictor (predicting-cue group). In contrast, when the tone presentation was never followed by shock delivery (cue-shock unpairing procedure) the animals identified the conditioning context and not the cue as the right predictor of the threat (predicting-context group) (Fig. 1). The footshock intensity of 0.8 mA has been selected on the basis of a previous study demonstrating that this intensity induced a high conditioning to the tone in the predicting-cue group or to the context in the predicting-context group (Kaouane et al., 2010). Twenty-four hours later, all mice were submitted to two memory retention tests. First, mice were exposed to the cue alone during 2 min in the safe and familiar chamber. Two hours later, mice were exposed to the conditioning context alone during 2 min without the cue. During these two tests, freezing behavior of animals, defined as a lack of all movement except for respiratory-related movements, was used as an index of conditioned fear response (Fanselow, 1980). Animals were continuously recorded on videotape for off-line second-by-second scoring of freezing by an observer blind of experimental groups. Freezing response was calculated as the percentage of the total time spent freezing during the 2-min period of test.

Intracerebral infusions Immediately after the acquisition of fear conditioning, animals were placed back in their home cage and received intra-DH or intra-VH bilateral infusions (0.3 or 0.1 µl per side, respectively) of artificial cerebrospinal fluid (aCSF), corticosterone (2-hydroxypropyl-β- cyclodextrin complex; Sigma-Aldrich; 10 ng per side; CORT) or the specific GR agonist dexamethasone (DEX, 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin complex; Sigma-Aldrich; 1 ng per side). The dose of corticosterone was selected on the basis of previous study reporting that post-training intra-DH infusions of 10 ng disturbed the selection of the right predictor of the shock under a 0.8-mA footshock intensity in mice (Kaouane et al., 2010). The dose of

123 CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral dexamethasone (1 ng in 0.1 µl) was selected on the basis of previous studies using intra-DH infusions of 10 ng in 1 µl in rats (Mizoguchi et al., 2007) and reporting that dose 10-fold lower than for corticosterone is efficient to mimic in vitro corticosterone effects (Maggio and Segal, 2007a; Chaouloff et al., 2008). For infusions, the stylets normally obtruding the guide cannulae were removed. Stainless-steel cannulae (32 gauge, 9 mm) attached to 1-µl Hamilton syringes (PolyLabo, Strasbourg, France) with polyethylene catheter tubing were inserted through the guide cannulae. The syringes were fixed in a constant rate infusion pump (0.1 µl/min). The cannulae were left in place for an additional 1 min before removal to allow diffusion of the drug away from the cannulae tips.

Histology After behavioral testing, animals were given an overdose of pentobarbital and transcardially perfused with physiological saline, followed by 10% buffered formalin. Brains were postfixed in formalin-sucrose 30% solution for 1 week, frozen, cut coronally on a sliding microtome into 60 µm sections that were mounted on gelatin-coated glass slides, and stained with thionine to evaluate the cannula placements.

Data analysis Conditioned fear responses to the tone and to the context were expressed as the mean of the percentage of freezing during the 2-min tone presentation or during the 2-min period of the context test. Data are presented as the mean + SEM. Statistical analyses were performed using analysis of variance (ANOVA) followed by Fisher’s PLSD post hoc test when appropriate (Statview; SAS Institute, Cary, NC).

Results

Experiment 1: Intra-DH CORT or DEX switched the selection from the context to the cue as predictor of the shock. On the basis of a previous study (Kaouane et al., 2010) showing that intra-DH CORT infusions can disturb the identification of the right predictor of the shock occurrence, we have investigated whether specific GR activation within the DH could be responsible for such CORT effects. For this, we assessed whether the corticosterone effects can be mimicked by the specific GR agonist dexamethasone.

124 CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral

The final group sizes were as follows: predicting-cue control group aCSF (n = 7), predicting-cue group CORT (n = 7), predicting-cue group DEX (n = 9), predicting-context control group aCSF (n = 8), predicting-context group CORT (n = 7), predicting-context DEX (n = 6).

Cue alone test Freezing during the cue presentation is shown in Fig. 2A. As expected in controls (aCSF-infused mice), the predicting-cue group displayed a higher fear response to the cue than the predicting-context group. Infusions of glucocorticoids abolished this procedure effect. Indeed, intra-DH corticosterone induced fear response to the cue in the predicting- context group but had no effect in the predicting-cue group. Interestingly, DEX infused into the DH mimicked the effects of CORT by inducing fear responses to the tone in the predicting-context group. A two-way ANOVA, with procedure and treatment as between-groups factors, confirmed this description and showed a significant effect of procedure [F(1,38) = 9.01, P < 0.01] and a significant procedure x treatment interaction [F(2,38) = 6.13, P < 0.01]. Indeed, cue conditioning was dependent on the procedure only in the aCSF-infused control mice, attested by a higher percentage of freezing to the tone in the predicting-cue than in the predicting-context group. A one-way ANOVA confirmed that the effect of the procedure was observed in the aCSF-infused control groups [F(1,13) = 20.18, P < 0.001]. However CORT and DEX infusions abolished the difference in freezing response between the predicting-cue and predicting-context groups [F(1,12) = 0.12, ns and F(1,13) = 1.65, ns respectively]. In particular, the effect of glucocorticoids was observed in the predicting-context groups [F(2,18) = 10.26, P < 0.01] but not in the predicting-cue groups [F(2,20) = 0.87, ns]. Specifically, in predicting-context group, CORT- and DEX-infused mice differed from aCSF- infused mice [Fisher’s PLSD test P < 0.001 and P < 0.01 respectively], but did not differ from each other [Fisher’s PLSD test P > 0.05]. This demonstrates that the action of CORT on GR within the DH is involved in glucocorticoids-induced cue conditioning. These results cannot be attributable to differences in pre-tone freezing [predicting-cue control group 15.0 ± 4.5, predicting-context control group 9.9 ± 1.0, predicting-cue group CORT 12.8 ± 3.5, predicting-context group CORT 13.2 ± 2.8, predicting-cue DEX group 12.8 ± 2.1, predicting-context group DEX 13.5 ± 2.6]. Indeed, an ANOVA conducted on pre-tone freezing values revealed no significant effect of treatment [F(2,38) = 0.04, ns], procedure [F(1,38) = 0.34, ns] or treatment x procedure interaction [F(2,38) = 0.68, ns].

125 CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral

Context alone test We next examined if, on the same CORT and DEX-infused animals, the induction of cue conditioning was associated with an impairment of fear response to the conditioning context (Fig. 2B). As expected, in controls (aCSF-infused mice), the predicting-context group displayed a higher fear response to the conditioning context than the predicting-cue group. Infusions of CORT or DEX both abolished this procedure effect by decreasing the level of fear response to the context. A two-way ANOVA, with procedure and treatment as between-groups factors, confirmed this description and showed a significant effect of procedure [F(1,38) = 5.45, P < 0.05], treatment [F(1,38) = 6.20, P < 0.01] and a significant procedure x treatment interaction [F(2,38) = 7.04, P < 0.01]. Indeed, context conditioning was dependent on the procedure only in the aCSF-infused control mice, attested by a higher percentage of freezing to the context in the predicting-context than in the predicting-cue group. A one-way ANOVA confirmed that the effect of the procedure was observed in the aCSF-infused control groups [F(1,13) = 12.72, P < 0.01]. However CORT and DEX infusions abolished the difference in freezing response between predicting-cue and predicting-context groups [F(1,12) = 0.15, ns and F(1,13) = 0.31, ns respectively]. In particular, the effect of the treatment was observed in the predicting- context groups [F(2,18) = 8.42, P < 0.01] but not in the predicting-cue groups [F(2,20) = 0.87, ns]. Specifically, in predicting-context group, CORT- and DEX-infused mice differed from aCSF-infused mice [Fisher’s PLSD test both P < 0.01], but did not differ from each another [Fisher’s PLSD test P > 0.05]. Both infusions of CORT and DEX in the dorsal part of the hippocampus impaired contextual fear responses and promoted cue fear responses. Thus, CORT, via this action on the GR in the dorsal hippocampus, switched the selection from the context to the cue as the right predictor of the occurrence of the shock.

Experiment 2: Intra-VH CORT or DEX switched the selection from the cue to the context as predictor of the shock. While the processing of contextual information is assigned to dorsal part of the hippocampus, the ventral part is associated with tone cue conditioning (Maren and Holt, 2004). Interestingly, GR activation produces a same in vitro impairment of neuronal plasticity in DH and VH. Thus, we hypothesized that infusions of CORT or DEX in VH should produce an opposite effect on fear memories as compared to DH infusions.

126 CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral

The final group sizes were as follows: predicting-cue control group aCSF (n = 8), predicting-cue group CORT (n = 8), predicting-cue group DEX (n = 8), predicting-context control group aCSF (n = 8), predicting-context group CORT (n = 7), predicting-context DEX (n = 7).

Cue alone test While intra-DH infusions of CORT induced conditioned fear response to the cue (Experiment 1), infusions of CORT in the VH decreased the high level of fear responses to the cue observed in the control predicting-cue group, but had no effect on fear response in the predicting-context group (Fig. 3A). As CORT infusions, intra-VH infusions of DEX also abolished cue fear responses in the predicting-cue group, suggesting that, like in the DH, CORT effect on fear response was mediated by GR. The two-way ANOVA with procedure and treatment as factor confirmed this description of data and showed a significant effect of procedure [F(1,40) = 13.43, P < 0.001] and a significant procedure x treatment interaction [F(2,40) = 9.82, P < 0.001]. Separate analysis shown that significant effect of procedure were only observed in aCSF-infused control group [F(1,14) = 25.95, P < 0.001]. In contrast, CORT- and DEX-infusions abolished the difference in freezing response between predicting-cue and predicting-context groups [F(1,13) = 1.46, ns and F(1,13) = 0.15, ns respectively]. Interestingly, and contrary to intra- DH infusions (Experiment 1), the effect of glucocorticoids infusions was observed in the predicting-cue group but not in the predicting-context group [F(2,21) = 9.56, P < 0.01 and F(2,19) = 1.81, ns respectively]. Moreover, in the predicting-cue group, CORT- and DEX- infused mice differed from control mice [Fisher’s PLSD test P < 0.01 and P < 0.001 respectively], and did not differ from each other [Fisher’s PLSD test P > 0.05], demonstrating that the action of CORT on GR within the VH is involved in the glucocorticoids-dependent impairment of cue conditioning. Although intra-VH CORT and DEX induced an increase of freezing levels before the cue presentation compared to aCSF-infused mice [predicting-cue control group 12.8 ± 2.7, predicting-context control group 11.2 ± 3.4, predicting-cue group CORT 19.1 ± 2.6, predicting-context group CORT 19.2 ± 1.8, predicting-cue DEX group 18.1 ± 1.1, predicting- context group DEX 17.9 ± 3.2; treatment effect F(2,40) = 4.39, P < 0.05], all CORT- and DEX-infused animals exhibited significant decrease in freezing levels during tone presentation. This attested a deficit in cue-conditioning. Indeed, in the control mice, freezing levels were increased in the predicting-cue group and decreased in the predicting-context

127 CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral group. A repeated measures ANOVA, with block (tone versus pre-tone) as within-groups and procedure as between-groups factors, showed a significant effect of procedure [F(1,14) = 4.6, P = 0.05] and a significant procedure x block interaction in the control group [F(1,14) = 16.87, P < 0.01]. Separate analysis for each procedure confirmed that, compared to the pre- tone, freezing during the tone significantly increased in control predicting-cue group [F(1,7) = 13.67, P < 0.01] while it decreased in control predicting-context group [F(1,7) = 7.46, P < 0.05]. In contrast, CORT- and DEX-infused mice exhibited a significant decrease of freezing during the tone [effect of block, F(1,13) = 47.10, P < 0.001 and F(1,13) = 47.53, P < 0.001, respectively] whatever the procedure [interaction procedure x block, both F < 0.66, ns].

Context test We thus examined in the same animals whether contextual fear response was affected by intra-VH infusions of CORT or the GR agonist DEX (Fig. 3B). Infusions of CORT into the VH had the opposite effect on contextual fear conditionning than observed after DH infusions. Indeed, even though CORT in DH abolished contextual fear responses in the predicting-context group, the same drug in the VH abolished the difference between the predicting-cue and predicting-context groups by inducing high contextual fear responses in the predicting-cue groups. DEX had the same behavioral effects, indicating that GR mediates CORT effects on fear memories. A two-way ANOVA confirmed this description and showed a significant procedure x treatment interaction [F(2,40) = 8.61, P < 0.001]. Separate analysis for each drug infusions showed that context conditioning was dependent on the procedure only in the aCSF-infused control mice. This is attested by a higher percentage of freezing to the context in the predicting-context than in the predicting-cue groups [F(1,14) = 8.88, P < 0.05]. However difference in contextual freezing between the predicting-cue and predicting-context groups was not observed with CORT or DEX infusions [F(1,13) = 0.57, ns and F(1,13) = 5.51, ns respectively]. In particular, separate analysis for each procedure showed that glucocorticoids had an effect restricted to the predicting-cue groups [F(2,21) = 14.55, P < 0.001 and F(2,19) = 1.54, ns for predicting-context groups]. Moreover, in the predicting-cue group, CORT- and DEX-infused mice differed from aCSF-infused mice [Fisher’s PLSD test P < 0.001 both], but did not differ from each other [Fisher’s PLSD test P > 0.05]. Both infusions of CORT and DEX in the ventral part of the hippocampus impaired cue fear responses and increased contextual fear responses. Thus, GR-mediated glucorticoids effect in the VH switched the identification from the context to the cue as the shock predictor.

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In summary, infusions of CORT into the VH induced a pattern of conditioned fear responses which was the exact opposite of that one induced by the same treatment into the DH. Intra-VH infusions of DEX mimicked the CORT effects. Thus, as within the DH, GR activation within the VH mediates the CORT-induced alterations of fear memories.

Discussion

The present study shows that infusion of CORT alters differentially fear memories depending on the hippocampal sector targeted. In accordance with previous data, intra-DH CORT infusion impairs contextual fear conditioning and induces fear responses to a non predicting discrete cue, a tone never paired with the shock (Kaouane et al., 2010). Strikingly, intra-VH infusion produces the exact opposite pattern, i.e. impairment of cue fear conditioning and induction of fear response to the conditioning context which was not a predictor of the shock. Moreover, the same corticosteroid receptors subtype (GR) is recruited to produce opposite actions on fear memories in the two sectors of the hippocampus.

Our first experiment shows that CORT infusion into the DH specifically reduced conditioned freezing levels to the context in the predicting-context group for which the context is the right predictor of the shock (cue-shock unpairing procedure). There is evidence that the dorsal part of the hippocampus is crucial for contextual fear conditioning (Kim and Fanselow, 1992; Phillips and LeDoux, 1992; Anagnostaras et al., 2001). Indeed, the DH receives the major input of visuo-spatial information from the sensory cortices (Amaral and Witter, 1995) and supports the establishment of a unified representation of the context (Rudy et al., 2002; Matus-Amat et al., 2004). The impairment of contextual fear conditioning is also consistent with previous studies showing that CORT has differential effect on contextual memories. Under low stress situation, low to moderate doses of CORT increases the magnitude of contextual fear memories (Pugh et al., 1997; Cordero and Sandi, 1998; Revest et al., 2005; Abrari et al., 2009; Revest et al., 2010). However, administration of high levels of CORT can disrupt hippocampal-dependent memory such as spatial memory (de Quervain et al., 1998; Conrad et al., 1999). Nevertheless, our studies are, to our knowledge, the first showing that CORT can reduce contextual fear memories under high stressful situation (Kaouane et al., 2010).

129 CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral

CORT infusions into the DH also resulted in the selection of the discrete tone cue instead of contextual cues as predictor of the shock. Similar switch from contextual to cue fear conditioning was already observed after pharmacological manipulations that reduced dorsal hippocampal activity (Calandreau et al., 2006). This indicates that, when the consolidation of predicting contextual information is disrupted in the DH, the consolidation processes would be engaged for a cue-shock association, which does not require the DH, and despite the absence of any explicit cue-shock pairing during training. Interestingly, it is not surprising that CORT infusion had no effect in the predicting-cue group, since the DH is apparently not involved in tone cue fear conditioning (Kim and Fanselow, 1992; Phillips and LeDoux, 1992).

Our second experiment demonstrates that post-training intra-VH infusion of CORT impaired tone cue conditioning. Conditioned fear to a discrete tone involves a brain circuit restricted to the amygdala and the thalamus (LeDoux, 2000). However, numerous studies have reported that tone cue conditioning can be impaired by electrolytic (Maren and Holt, 2004), neurotoxic lesions (Maren, 1999; Richmond et al., 1999; Bast et al., 2001; Zhang et al., 2001) or inactivation of the VH (Maren and Holt, 2004; Esclassan et al., 2009). Because the VH is monosynaptically connected with the amygdala (Maren and Fanselow, 1995; Pitkanen et al., 2000), it could contribute to amygdala-based cue-shock fear learning. Its contribution can be similar to the one of the DH for contextual information (Rudy and O'Reilly, 2001), i.e. by coding characteristics of the tone (Sakurai, 2002) and supporting a tone representation (Hunsaker and Kesner, 2008). Moreover, further studies have reported an implication of glucocorticoids on fear response to a discrete cue. In particular tone fear conditioning is increased by systemic administrations of CORT under low aversive situation (Hui et al., 2004; Marchand et al., 2007). However, to our knowledge, our study is the first to show that tone cue conditioning is reduced by selective CORT infusion into the VH after high stressful situation. Thus, CORT can be deleterious for cue-shock fear learning by acting in the VH after a high stressful situation. Intra-VH CORT infusion also increased conditioned freezing to the context in animals for which the tone is the best predictor of the shock. The role of the VH in contextual fear conditioning is unclear since various results have been reported after lesion or inactivation of the VH (Bast et al., 2001; Zhang et al., 2001; Kjelstrup et al., 2002; Maren and Holt, 2004; Rudy and Matus-Amat, 2005; Hunsaker and Kesner, 2008; Esclassan et al., 2009). Nonetheless, the VH receives little visuo-spatial information from the sensory cortices

130 CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral

(Amaral and Witter, 1995; Pitkanen et al., 2000). So, the VH appears to be less essential than the DH for processing contextual information. Alternatively, the VH appears to be also involved in unconditioned aspects of fear and anxiety (Richmond et al., 1999; Bannerman et al., 2004). Indeed, studies have shown that lesion or inactivation of the VH reduce unconditioned freezing (Kjelstrup et al., 2002; Esclassan et al., 2009). Moreover, an acute treatment of high-dose of CORT is known to induce anxiety-related behavior in rodents (Mitra and Sapolsky, 2008). In accordance with theses studies, our results showed that intra-VH infusion of CORT increased freezing levels to a familiar and safe context. Therefore, it could be possible that CORT, acting directly in the VH, can have anxiogenic effects besides the impairment of the cue-shock learning.

Interestingly, our results indicate that the same subtype of corticosteroid receptors within both the DH and VH mediates the opposite alterations of fear memories induced by CORT. Indeed, infusion of the specific GR agonist DEX into either the DH or the VH mimicked the CORT-induced alterations of fear memories. CORT can act on two subtypes of nuclear receptors: the high-affinity mineralocorticoid receptor (MR) and the low-affinity glucocorticoid receptor (GR) (de Kloet et al., 1998). Interestingly, MR and GR were found in the hippocampus and were often co-localized on the same neurons (Joels, 2007). At the basal level, only the MR are occupied. During mild stress, the increase of CORT levels results in full MR and moderate GR occupancy. In this case, further studies have shown that CORT enhances synaptic plasticity in the hippocampus (Diamond et al., 1992). This effect could mediate the facilitating effects of glucocorticoids on hippocampal-dependent memory function (Conrad et al., 1999; Brinks et al., 2007). On the other hand, it is known that full GR occupancy, which occurred during high stress, impairs synaptic excitability and hippocampal-dependent memory functions (Conrad et al., 1999; Brinks et al., 2007). Specifically, GR activation in the DH was shown to disrupt excitability and synaptic plasticity (Diamond et al., 1992; Kim and Yoon, 1998; Garcia, 2001; Maggio and Segal, 2007a), which is crucial for contextual fear conditioning (Sacchetti et al., 2001). Similarly, recent studies have demonstrated that specific GR activation results in low excitability and synaptic plasticity in the VH (Maggio and Segal, 2007b, a, 2009b, a), which could explain the disruption of the cue conditioning. As mentioned before, DH and VH contribute differentially to fear conditioning. Then, GR activation seems to affect the main function of the targeted hippocampal sector (context or tone processing, respectively) by impairing excitability and synaptic plasticity.

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In conclusion, our study shows that glucocorticoids alter fear memories in an opposite way as a function of the hippocampal sector, providing evidence for a functional dissociation between the DH and the VH in the action of glucocorticoids on fear memories. These findings indicate that glucocorticoids, under high stressful situation, first produce the incorrect selection of a stimulus that was not the best predictor of an aversive event, and second have opposite memory effects depending on the hippocampal sector considered. This dissociation could be related to the development of emotional disorders. For example, specific alterations in the posterior (dorsal in animals) hippocampus are linked with posttraumatic stress disorder in which hypermnesia for a salient trauma-related cue is associated with amnesia for peritraumatic contextual cues (APA, 2000; Elzinga and Bremner, 2002; Bonne et al., 2008). In contrast, the anterior (ventral in animals) hippocampus may be more involved in anxiety- related behaviors in which contextual fear is increased (Degroot and Treit, 2004). Thus, our study contributes to the understanding of various memory effects of high glucocorticoids levels in high stressful events. This may explain the constellation of memory alterations observed after high stressful events.

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136 CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral

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137 CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral

Figure 1

FEAR CONDITIONING

Cue-shock pairing or Cue-shock unpairing

cue context cue context Predicting Predicting cue context

shock shock

INTRA-HIPPOCAMPAL INFUSIONS

aCSFor CORT 10 ngor DEX 1 ng Intra-DH: 0.3 µL per side or Intra-VH: 0.1 µL per side

MEMORY TESTS (24 h later)

Cue alone test Context alone test

Figure 1. Experimental design of behavioral procedure. Mice were either submitted to a cue-shock pairing procedure (predicting-cue group) or to a cue-shock unpairing procedure (predicting-context group). Immediately after conditioning, animals received intrahippocampal infusions of artificial cerebrospinal fluid (aCSF), corticosterone (CORT) or dexamethasone (DEX). Twenty four hours later, mice were first re-exposed to the cue alone in a safe and familiar chamber, then (2 h later) they were re-exposed to the conditioning context alone. During theses tests, the freezing responses were measured during a 2-min period.

138 CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral

Figure 2

ABCue alone Context alone 40 30

30 ** 20 ### 20 ##

## 10 ## % Freezing% Freezing% 10 *** 0 0 aCSF CORT DEX aCSF CORT DEX

Predicting-cue Predicting-context

Figure 2. Intra-DH CORT or DEX switched the selection from the context to the cue as predictor of the shock. Percentage of freezing (mean + SEM) during re-exposition to the cue alone (A) and during re-exposition to the context alone (B) for the predicting-cue and predicting-context groups received intra-DH infusions of aCSF, CORT or DEX. * indicates the procedure effect (predicting cue vs. predicting context group; ** P < 0.01 and *** P < 0.001); # indicates the treatment effect (aCSF vs. CORT or aCSF vs. DEX; ## P < 0.01 and ### P < 0.001).

139 CHAPITRE 2 : Glucocorticoïdes et hippocampe dorsal vs. ventral

Figure 3

ABCue alone Context alone

30 30 ### * ### 20 *** 20

## ### 10 10 * % Freezing % Freezing %

0 0 aCSF CORT DEX aCSF CORT DEX

Predicting-cue Predicting-context

Figure 3. Intra-VH CORT or DEX switched the selection from the cue to the context as predictor of the shock. Percentage of freezing (mean + SEM) during re-exposition to the cue alone (A) and during re-exposition to the context alone (B) for the predicting-cue and predicting-context groups received intra-VH infusions of aCSF, CORT or DEX. * indicates the procedure effect (predicting cue vs. predicting context group; ** P < 0.01 and *** P < 0.001); # indicates the treatment effect (aCSF vs. CORT or aCSF vs. DEX; ## P < 0.01 and ### P < 0.001).

140

CHAPITRE 3

Altération de la mémoire relationnelle par les glucocorticoïdes intra-hippocampiques : vulnérabilité par un stress antérieur

Article 3 : Glucocorticoids impair relational/declarative memory in mice previously exposed to stress.

141

142 CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle

CHAPITRE 3 Altération de la mémoire relationnelle par les glucocorticoïdes intra- hippocampiques : vulnérabilité par un stress antérieur (Article 3)

1. Introduction

Le déficit de la mémoire déclarative peut être considéré comme au cœur des altérations mnésiques de l’ESPT. En effet, les sujets sont incapables de construire une mémoire épisodique de l’événement traumatique, ce qui pourrait expliquer la reviviscence de l’événement sous un format implicite (APA, 2000; Elzinga & Bremner, 2002). Afin de comprendre les mécanismes sous-jacents de cette altération, une première étape serait d’observer chez l’animal l’induction par un stress de déficits spécifiques de la mémoire relationnelle, analogue de la mémoire déclarative chez le rongeur, sans altération d'une forme de mémoire implicite pour les mêmes informations. L’action des glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal pourrait jouer un rôle essentiel dans le développement de déficits de mémoire relationnelle liés au stress. En effet, une forte dose de glucocorticoïdes peut induire des altérations de la mémoire déclarative chez l’Homme (Lupien et al., 1998; de Quervain et al., 2000) et de la mémoire spatiale chez l’animal (Oitzl et al., 1994; de Quervain et al., 1998; Conrad et al., 1999). De plus, l’hippocampe est crucial pour la mémoire déclarative humaine (Zola-Morgan & Squire, 1990) et plus particulièrement le secteur dorsal pour la mémoire relationnelle chez le rongeur (Bannerman et al., 2004; Mingaud et al., 2007). Enfin, nous avons montré que l’injection de glucocorticoïdes spécifiquement dans l’hippocampe dorsal altère le traitement du contexte dans une tâche de conditionnement aversif (Chapitres 1 et 2). Toutefois, les effets d’injections de glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal sur la mémoire relationnelle chez le rongeur sont méconnus. Par ailleurs, un facteur de risque majeur pour le développement de l’ESPT est la pré- exposition à des épisodes traumatiques au cours de la vie du sujet, ce qui contribuerait à fragiliser l’hippocampe, augmentant sa vulnérabilité à un stress ultérieur (Gilbertson et al., 2002; Yehuda, 2004). Cependant, l’influence de ce facteur de risque a jusqu’ici été très peu observé sur le développement de déficits spécifiques de mémoire relationnelle chez le rongeur

143 CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle

Nous avons donc évalué si des injections de glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal pouvaient contribuer à l’émergence d’un déficit spécifique de la mémoire relationnelle chez la souris et si ce déficit pouvait dépendre d’un préalable épisode de stress.

Dans cette étude préliminaire, afin d’évaluer la mémoire relationnelle chez un modèle murin, nous avons utilisé un modèle comportemental d’apprentissage spatial en labyrinthe radiaire qui permet de dissocier une mémoire procédurale (implicite) lors de la phase d’acquisition, d’une mémoire relationnelle nécessitant la mise en relation des mêmes informations lors d’une phase ultérieure de test (Marighetto et al., 1999). Au cours de la phase d’acquisition, les animaux doivent d’abord discriminer des bras selon leur valence (appâtés ou non appâtés), présentés de façon séparée et successive (go/no-go). Cette phase, dépendante du striatum, implique également l’activité de l’hippocampe sans que celui-ci soit nécessaire pour l’apprentissage per se (Mingaud et al., 2008). La phase de test consiste à présenter les mêmes bras mais de façon simultanée (par paire). Les animaux sont ainsi confrontés à un choix entre deux bras de valence opposée, les obligeant à comparer, contraster et mettre en relation les informations acquises séparément en vue de résoudre ce problème nouveau. Cette présentation des bras par paires est une situation nouvelle permettant ainsi d’évaluer la flexibilité de la mémoire et est dépendante de la fonctionnalité hippocampique lors de la phase d’acquisition (Mingaud et al., 2007).

2. Résumé des principaux résultats

Nos résultats préliminaires montrent que des injections de corticostérone dans l’hippocampe dorsal lors de l’acquisition de la tâche peuvent altérer les performances en mémoire relationnelle tout en préservant l’acquisition et la rétention de ces informations en mémoire procédurale (go/no-go). De façon intéressante, ce déficit de mémoire relationnelle est observé que chez des animaux ayant au préalable vécu un épisode de stress (exposition à des chocs électriques). Ainsi, cette étude, qui devra être complétée, indique qu’une pré- exposition à une situation se stress est un facteur de prédisposition important dans l’apparition de déficits spécifiques de mémoire relationnelle induits par l’action des glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal.

144 CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle

3. Conclusion

Nos résultats montrent que des injections de glucocorticoïdes, associées à un stress préalable, préservent l’expression d’une forme de mémoire implicite mais perturbent l’expression d’une mémoire relationnelle pour les mêmes informations. Cette étude suggère qu’un épisode de stress initial peut constituer un important facteur de risque à l’émergence de perturbations de la mémoire déclarative lors d’un stress ultérieur. Il a été montré chez l’animal qu’un épisode de stress rend l’hippocampe plus vulnérable aux effets délétères d’un stress ultérieur (Conrad, 2008). Nos données, en accord avec celle de la littérature, renforcent donc l’hypothèse selon laquelle des altérations préalables de l’hippocampe, pouvant être induites par un épisode traumatique antérieur, prédisposeraient des individus au développement de troubles anxieux de type ESPT (Yehuda et al., 2007). Dans cette pathologie, le déficit de mémoire déclarative et associé à une préservation de la mémoire implicite liée aux mêmes informations relatives à l’événement traumatique.

145 CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle

146 CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle

Title: Glucocorticoids impair relational/declarative memory in mice previously exposed to stress

Authors: Nadia Kaouane1,2, Aline Marighetto1,2, Aline Desmedt1,2*

1 CNRS UMR 5228, Centre de Neurosciences Intégratives et Cognitives, Talence, France. 2 Université de Bordeaux, Bordeaux, France

* Correspondence and reprint request should be addressed to Aline Desmedt Centre de Neurosciences Intégratives et Cognitives (UMR 5228) Avenue des Facultés, Talence, F-33405, France [email protected]

Running head: Glucocorticoids and relational memory

Text pages: 13 Figures: 2 Abstract: 207; Introduction: 494; Discussion: 1050

Keywords: glucocorticoids, hippocampus, radial maze, relational memory, stress

Aknowledgments: This work was supported by the Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) and the Fédération pour la Recherche sur le Cerveau (FRC) to AD. The authors have declared that no competing interests exist. We thank F. Naneix and L. Brayda- Bruno for corrections of the manuscript and helpful discussions, M. Mondesir for experimental help and D. Panzeri, N. Argenta and J. Huard for animals care. NK designed, and performed the experiments. NK and AD analyzed the data. NK, AM and AD wrote and revised the manuscript.

147 CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle

Abstract

Deficits in declarative memory are present in numerous psychiatric disorders including posttraumatic stress disorder. In this disorder, declarative amnesia for trauma-related information is associated with preservation of implicit recall for the same information. We have developed a behavioral model, a two-stage radial maze paradigm, which is precisely devoted to the assessment in mice of declarative-like (relational) and implicit (procedural) memory for the same acquired information. In stage 1 (“go/no-go”), mice learnt to discriminate baited arms from the other arms, while they are separately presented. In stage 2 (“two-choice” test), mice are challenged with novel presentation of the arms by pairs. Previous experiments have demonstrated that the “two-choice” situation is a critical test for relational/declarative memory (R/DM). We hypothesized that action of glucocorticoids stress hormones in the hippocampus and previous stress exposure are potential causes of emergence of R/DM deficits. The results showed that intrahippocampal infusions of glucocorticoids during the initial “go/no-go” learning stage of the radial maze task produced, subsequently, selective deficits in R/DM only in animals which were previously exposed to stress. Furthermore, glucocorticoids infusions, previous stress exposure or their combination preserved implicit memory performances. This study indicates that a pre-exposure to stress is an important vulnerability factor to the emergence of glucocorticoid-induced declarative memory deficits.

148 CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle

Introduction

Declarative memory (DM) is defined as the memory of events and required the integrity of the hippocampus (Cohen and Squire, 1980). Impairment of DM is an important symptom of posttraumatic stress disorder (PTSD), a psychopathology induced in 20 to 60% of subjects submitted to traumatic events (APA, 2000). In contrast, implicit memory (non-DM), which is not dependent on the hippocampus, appears to be preserved in PTSD (McNally, 1997). Further studies have shown that, in animals, stress selectively impairs hippocampal-dependent spatial memory (McEwen, 2000; Roozendaal, 2003). However, relational theories suggest that flexibility, the ability to compare and contrast separately acquired information to guide inferential decision in novel situations, is a fundamental property of DM that can be assessed in animals (Cohen, 1984). Less is known about stress effects on relational/declarative memory (R/DM). Identifying the neurobiological mechanisms of selective R/DM deficits is crucial for a better understanding of the development of PTSD-related memory alterations. A first step would be to show in animals a specific stress-induced deficit in R/DM associated with preservation of non-R/DM for the same information. Glucocorticoids secreted in response to stress preferentially act on the hippocampus, their main brain target (de Kloet et al., 1998). Moreover, high levels of these hormones are well-known to impair DM in human (Lupien et al., 1997) and mediate stress-induced deficits in spatial memory (Oitzl et al., 1994; Conrad et al., 1999) and hippocampal plasticity alterations (Diamond et al., 1992; Avital et al., 2006) in animals. In particular, we have recently demonstrated that infusion of corticosterone into the dorsal hippocampus after high stress in mice impairs contextual fear conditioning (Kaouane et al., 2010). Thus, high levels of intrahippocampal glucocorticoids may also be in part responsible for deficits in R/DM while preserving non-R/DM. Nonetheless, one episode of stress or the associated increased glucocorticoids levels may be insufficient to alter R/DM. Indeed, psychiatric studies indicate that stressful individual history may predispose to the development of PTSD (Gilbertson et al., 2002; Yehuda, 2004). It was also found in animal models that previous exposure of stress exacerbates the behavioral consequences of subsequent exposure of stress (Avital et al., 2006; Tsoory et al., 2007). However, it remains to determine whether a previous stressful episode can be a risk factor for the development of stress-induced R/DM deficits in animals.

149 CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle

Collectively, these studies highly suggest that high glucocorticoids levels in the hippocampus may selectively disrupt R/DM and that the emergence or the severity of memory deficits may depend on the stress history. The aim of this study is to assess the effects of intrahippocampal infusions of high-dose corticosterone, combined or not with a previous stress exposure, on R/DM and non-R/DM performance. Toward this end, we used a two-stage radial maze paradigm that can dissociate between expression of R/DM and non- R/DM related to the same acquired information. This behavioral paradigm was previously shown to capture the selective R/DM deficits of mice with hippocampal alterations (Marighetto et al., 1999; Etchamendy et al., 2003; Mingaud et al., 2007).

Materials and methods

Animals 36 male naïve mice (C57Bl/6 JI Co; Charles River Laboratories, Lyon, France) were obtained at the age of 2 months. Upon arrival they were caged in groups, housed in a temperature- and humidity-controlled room under a 12-h light/dark cycle (lights on at 07:00) and had ad libitum access to food and water. After 3-4 weeks and 1 week before the surgery, the animals were housed singly in standard Macrolon cages. All experimental manipulations took place during the light phase. All animal care and behavioral tests were conducted in compliance with the European Communities Council Directive (86/609/EEC).

Surgical procedure Mice were anesthetized with ketamine (80 mg/kg body weight, i.p.) and xylazine (16 mg/kg body weight, i.p.) (Bayer, Wuppertal, Germany) and secured in a David Kopf Instruments (Tujunga, CA) stereotaxic apparatus. Stainless-steel guide cannulae (26 gauge, 8- mm length) were implanted bilaterally 1 mm above the dorsal hippocampus: A/P, -2 mm; M/L, ±1.3 mm; D/V, 1 mm; relative to dura and bregma (Franklin and Paxinos, 1997), then fixed in place with dental cement and two jewel screws attached to the skull. Mice were then allowed to recover in their home cage for at least 8 days before behavioral experiment.

Stress exposure Mice were randomly divided in two groups: mice were exposed to a stress procedure between 08:00 and 13:00 (Stress group) or exposed only to the experimental chamber as no

150 CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle stressed controls (No Stress group). Stress exposure took place in four experimental identical chambers (25 x 18 x 20 cm; Imetronic, Pessac, France). Each chamber had one opaque PVC panel on the right or left side and three transparent Plexiglas panels in the other sides. The floor of each chamber consisted of 40 stainless-steel rods (2 mm diameter), spaced 3 mm apart and connected to a shock generator. Stressed mice received 27 electric footshocks (0.8 mA, 6 s, interval 22-40 s) during 20 min. Animals were then remained in the animal room for three weeks before radial maze testing.

Radial maze testing Apparatus The apparatus was a fully automated eight-arm radial maze (Imetronic, Pessac, France). The maze was constructed of grey Plexiglas and was located in a quiet testing room enriched with distal visuals cues to allow spatial orientation. The diameter of the central platform was 30 cm and the arms were 55 cm long by 10 cm large. Each arm is equipped with a door at its entrance and a food-pellet delivering system at its end. A software installed in a personal computer next to the maze room controlled the movement of each door, the pellet availability in each arm and continuously tracked the position of the mouse within the maze.

Radial maze task A two-stage discrimination learning paradigm was used as previously described (Mingaud et al., 2008). Each mouse was separately assigned six adjacent arms of which three served as positive (baited) arms and the remaining three served as negative (unbaited) arms. The reward contingency of the arms remained unchanged during the entire experiment, but the manner of presenting the arms (i.e., one-by-one or by pair) was modified between the two stages of the experiment (see in Fig. 1). In Stage 1, the mice learned the constant locations of food reward through successive and separate exposures to individual arms using a “go/no-go” discrimination task. In Stage 2, the same arms were now presented by pairs of arms of opposite valence (simultaneous “two-choice” discrimination). The mice had to compare separately acquired information in stage 1 to guide inferential choice in this novel situation. This assessed the memory flexibility, a cardinal property of R/DM (Cohen, 1984). The two stages of the learning paradigm taxed different forms of memory: while the stage 1 (“go/no- go” task) assessed the procedural non-R/DM, the stage 2 tested the R/DM for the same information.

151 CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle

Mice were submitted to partial food deprivation four days before the beginning of the radial maze training and maintained around 90% of their free feeding weight throughout the duration of training. They were also previously habituated to the apparatus over two sessions (one session per day) by allowing them free exploration until all the food pellets in the eight arms were collected. In Stage 1, all the mice were trained in the successive “go/no-go” discrimination task until reaching the acquisition criterion. Each daily session consisted of 24 trials (inter-trial interval: 20 s spent in the central platform) with four presentations of each arm in a pseudo- randomized sequence, and limited to 40 min. On each trial, one arm was opened and we recorded the latency taken by the mouse to enter into the arm. Acquisition criterion was reached when median latency for negative arms was at least 30% higher than the one for positive arms over two consecutive sessions. Discriminative performance was measured by a discrimination ratio of median latencies for negative arms relative to positive ones [(negative- positive)/(negative+positive)]. In Stage 2 (R/DM test), the six arms used in stage 1 were featured into three pairs of adjacent arms (one positive, one negative). Once the mouse had entered one of the two arms, the door of the non-chosen arm was closed. Each daily session (during two days) comprised a minimum of twelve trials (20-s inter-trial interval) with four presentations of each pair in a pseudo-randomized sequence, limited to 20 min duration. On each trial, the chosen arm and the entry latency were recorded. Discriminative performance was measured by the percentage of correct choices (of positive arms) over the two sessions of the test.

Intrahippocampal infusions Twenty minutes before a “go/no-go” session of the radial maze task, animals received in their home cage intrahippocampal bilateral infusions (0.3 µl per side) of artificial cerebrospinal fluid (aCSF) or corticosterone (CORT; 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin complex; Sigma-Aldrich; 100 ng per side). The dose of corticosterone has been selected on the basis of our previous pilot study reporting that only the highest dose used (100 ng) impaired contextual fear conditioning under low footshock intensities in mice. Infusions were restricted to the first three “go/no-go” sessions in order to disturb the hippocampal activity when this activity is required to compare and use separately acquired information for the subsequent flexibility test (Mingaud et al., 2008; Brayda-Bruno, 2010). For infusions, the stylets normally obtruding the guide cannulae were removed. Stainless-steel cannulae (32 gauge, 9 mm) attached to 1-µl Hamilton syringes (PolyLabo, Strasbourg, France) with

152 CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle polyethylene catheter tubing were inserted through the guide cannulae. The syringes were fixed in a constant rate infusion pump (0.1 µl/min). The cannulae were left in place for an additional 1 min before removal to allow diffusion of the drug away from the cannulae tips. The final group sizes were as follows: aCSF No Stress (n = 11), aCSF Stress (n = 8), CORT No Stress (n = 12), CORT Stress (n = 5).

Data analysis Data are presented as the mean ± SEM. Statistical analyses were performed using analysis of variance (ANOVA), followed by t-test for comparison with a hypothesized mean and post hoc analyses (Fisher’s PLSD) for between-groups comparison when appropriate (Statview; SAS Institute, Cary, NC).

Results

During Stage 1 (“go/no-go” discrimination), the six arms were presented one by one successively, the half baited (positive) and the other half unbaited (negative). Discrimination between positive and negative arms is presented in Fig. 2A by the difference in the entry latency between the two sets or arms. This result showed that all groups of mice acquired the task at the same rate, and displayed similar responses across the first and last four sessions Specifically, a mixed ANOVA with treatment and stress as between-subject factors and session as within-subject factors showed a significant improvement of performance across the first four sessions [F(3,96) = 6.55, P < 0.001] with no effect of treatment, stress, nor nteraction with sessions [both F < 2.1, ns]. The same analysis conducted across the last four sessions revealed that all groups further improved their performance across the sessions [F(3,96) = 58.11, P < 0.001] with no effect of treatment, stress, nor interaction with session [both F < 1.7, ns]. Moreover, there are no significant difference in the mean number of sessions needed to reach the learning criterion [aCSF No Stress, 5.36 ± 0.28; aCSF Stress, 5.50 ± 0.33; CORT No Stress, 6.00 ± 0.52; CORT Stress, 4.80 ± 0.37; two-way ANOVA, all F < 1.4, ns]. In the final session (n), all groups had learned to distinguish arms and entered faster into the positive than the negative ones. Indeed, the discriminative ratio of the entry latency was significantly above chance [t-test, P < 0.05 for each group]. A two-way ANOVA on these data also confirmed no significant effect of treatment, stress or treatment x stress interaction [all F < 1.3, ns].

153 CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle

These findings support the conclusion that the four groups of mice similarly learned the initial “go/no-go” discrimination task. Neither the previous stress protocol nor the intrahippocampal infusions performed during training affected discriminative performance in this stage. In Stage 2 (R/DM test), the animals were challenged with a choice between two familiars arms of opposite valence. In contrast to the “go/no-go” discrimination stage 1, the previous stress exposure impaired the discriminative performances in the two-choice test, measured as the percentage of correct choices over the two sessions of the test (Fig. 2B). Mice which were exposed or not to stress pre-exposure and infused with vehicle (aCSF) displayed high percentage of correct choices between the two arms presented. Interestingly, infusions of corticosterone during acquisition of the radial maze task impaired the ability of mice to make correct choices during the two-choice test only in mice which had a previous stress exposure. A two-way ANOVA with treatment and stress as between-subject factors confirmed a significant effect of stress [F(1,32) = 10.32, P < 0.01] but not of treatment [F(1,32) = 0.83, ns]. Interestingly, separate analysis for each aCSF and CORT-infused mice showed a significant effect of stress pre-exposure only with the infusions of corticosterone [F(1,15) = 5.61, P < 0.05] but not in aCSF control groups [F(1,17) = 4.34, ns]. Moreover, only the CORT-infused mice submitted to the stress protocol had performance levels close to the chance level [t-test, P = 0.12], whereas the three other groups were performing significantly above the chance [t-test, P < 0.001 for each group]. In conclusion, this experiment demonstrates that intrahippocampal infusions of corticosterone during the initial “go/no-go” learning stage resulted in selective deficits in R/DM only in animals which were previously exposed to a stressful experience. Either exposure to footshocks or corticosterone infusions alone failed to affect performance on R/DM.

Discussion

Using a two-stage radial maze paradigm, the findings described in this study show that the combination of previous stress experience and intrahippocampal infusions of high-dose corticosterone during acquisition of the radial maze task selectively impairs R/DM, while non-R/DM for the same information is preserved. These results suggest that a previous stress

154 CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle history sensitized the hippocampus to the deleterious effect of high-levels intrahippocampal corticosterone on memory. Stress exposure and intrahippocampal infusions of corticosterone did not produce any significant change in the “go/no-go” discriminative performance, which is dependent on the procedural memory system. There is extensive evidence that procedural memory depends critically on the dorsal striatum (Cohen and Squire, 1980). The implication of the dorsal striatum was also revealed using a neuroimaging approach in R/DM radial maze task (Mingaud et al., 2007; Mingaud et al., 2008; Brayda-Bruno, 2010). Furthermore, previous studies using hippocampal lesions (Etchamendy et al., 2003) or inactivation during the “go/no-go” learning stage (Mingaud et al., 2007) indicate that the functional integrity of the hippocampus is not required for the acquisition, storage and use of information acquired separately. Then, the current finding that intrahippocampal infusions of corticosterone did not modulate procedural memory is consistent with the evidence that infusions of various drugs into the hippocampus selectively modulate hippocampal-dependent, but not striatum- dependent memories (Packard and Knowlton, 2002). Moreover, the absence of effect of stress pre-exposure is consistent with recent studies which have shown that stress exposure, shortly before training or retention testing, does not impair procedural memory (Packard, 2009; Schwabe et al., 2010). This absence of stress effect could be explained by the low level of corticosteroid receptor in the striatum (McEwen et al., 1986). However, when challenged with a choice between two familiar arms in stage 2, deficit of relational memory is observed only in animals that were both previously stressed and infused with corticosterone. Indeed, the “two-choice” discrimination test would call for comparison among separately acquired information and thus assess a fundamental property of R/DM, its flexibility (Cohen, 1984). It was proposed as a mouse model for selective R/DM loss (Marighetto et al., 1999). The deficits observed are similar to than seen in mice with hippocampal dysfunctions (aged mice), lesions or inactivation (Marighetto et al., 1999; Etchamendy et al., 2003; Mingaud et al., 2007). In particular, it has been demonstrated that, although not critical for the acquisition of the task, the hippocampus is engaged in encoding information during the “go/no-go” training for subsequent R/DM expression (Mingaud et al., 2007). The hippocampus is the main brain target of glucocorticoids and expresses high level of corticosteroid receptors (McEwen et al., 1969). It is well-known that stress exposure or glucocorticoids can act differentially on hippocampal-dependent memories. Low to moderate doses of corticosterone enhance performance on spatial memory (Akirav et al., 2004). On the

155 CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle opposite, high levels of corticosterone impair synaptic plasticity (Diamond et al., 1992) and hippocampal-dependent memory (de Quervain et al., 1998; Conrad et al., 1999). Thus, in mice previously exposed to stress, intrahippocampal infusions of high dose of corticosterone during training would alter the encoding processes required for subsequent memory flexibility during the choice test.

Interestingly, a previous stress exposure seems to be necessary for the emergence of R/DM deficits by later intrahippocampal corticosterone infusions. Further studies have shown that a first exposure to stress enhances the consequences of a subsequent stress exposure. Indeed, some characteristics of stress-related disorders, as abnormal low basal plasma levels of corticosterone and anxiety or depressive-like symptoms, emerge after several exposures to stressful events (Avital and Richter-Levin, 2005; Bazak et al., 2009). Stressful situations produce elevated levels of glucocorticoids that render the hippocampal neurons more sensitive to further insult (Conrad, 2008). Hence, subsequent direct administration of glucocorticoids into the hippocampus may produce more severe effects on hippocampal neurons, which can be observable by the emergence of deficits in hippocampal-dependent R/DM. To our knowledge, we first demonstrate that a previous stress experience selectively increases the vulnerability to glucocorticoids-induced deficits in hippocampal-dependent memory, such as R/DM. Nonetheless, numerous studies using stress pre-exposure have assessed effects of early-life (juvenile) stress on adult responses to stress or memory performance. Although childhood emotional trauma significantly contributes to later emergence of stress-related psychopathologies, particularly PTSD (Briere and Elliott, 1994), stress history during adulthood could also have a great importance. Further studies in animals are needed to explore this idea.

Our study contributes to a better understanding of the development of PTSD-related memory symptoms. First, our results show a stress-induced specific deficit in R/DM without impairment of procedural non-R/DM for the same information. This indicates that when the hippocampus is not functionally engaged in encoding processes, information can still be encoded and recalled in an implicit memory format. Interestingly, such memory profile is a main feature of PTSD (APA, 2000). Indeed, whereas PTSD patients cannot explicitly recall important aspects of their traumatic experience and have deficits in R/DM, their implicit memory for the same information remain intact (McNally, 1997). Most of the current animal models of stress-induced hippocampal alterations have demonstrated general deficits in

156 CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle spatial memory after stress or glucocorticoids administration (McEwen, 2000; Roozendaal, 2003). However, a specific deficit in the hippocampal-dependent R/DM associated with the preservation of implicit memory in same subjects and for the same information had not yet been observed. Second, our study supports the hypothesis that high levels of intrahippocampal glucocorticoids contribute to the development of memory alterations specific to PTSD. Indeed, we have previously shown that intrahippocampal infusion of corticosterone impairs contextual processing while producing traumatic-like memories for a discrete cue, which is reminiscent to PTSD symptoms (Kaouane et al., 2010). Thus, excessive levels of glucocorticoids in the hippocampus seem to be a key mechanism for the development of PTSD. Furthermore, the selective deficit of R/DM observed only in previously stressed animals is in line with evidences that previous stress-induced hippocampal alterations could be an important factor of vulnerability to the development of PTSD (Yehuda et al., 2007). It remains to determinate to what extent a previous stress episode is a risk factor for the emergence of full memory alterations related to PTSD. In summary, our study demonstrates that high levels of glucocorticoids into the hippocampus associated with a stressful history selectively impair R/DM while sparing procedural memory. Future studies will have to specify the neurobiological mechanism responsible for such deleterious effect of glucocorticoids on relational memory.

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157 CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle

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160 CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle

Figure 1 Stress exposure

Stress group No Stress group

Experimental chambers Experimental chambers

shocks

Intra-hippocampal infusions aCSF CORT 100 ng

Infusions were performed during the first 3 sessions of Stage 1: Acquisition Successive “go/no-go” discrimination

+ - ……………+... - - + Until reaching criterion, then

Stage 2: R/DM test

Simultaneous “two-choice” discrimination

+ ...... +... - - + - Figure 1. Schematic representation of the stress pre-exposure and relational/declarative memory radial maze task. Briefly, mice were exposed or not to high-intensity footshocks (0.8 mA) in experimental chambers (Stress or No Stress group, respectively). In a second step, same animals learned the radial maze task. In stage 1, the six arms were presented one by one, successively, until reaching the criterion (see Materials and Methods). During the first three sessions, mice received infusions of aCSF or corticosterone into the dorsal hippocampus. In stage 2, the same arms were combined into three pairs, composed of one positive and one negative arm. Correct choices (of positive arms) assessed memory flexibility and indicated good R/DM performance.

161 CHAPITRE 3 : Glucocorticoïdes et mémoire relationnelle

Figure 2

ABStage 1 Stage 2 “go/no-go” discrimination R/DM test

aCSF, No Stress No Stress 0.5 aCSF, Stress 100 Stress 0.4 CORT, No Stress 90 # 0.3 CORT, Stress * 80 *** 0.2 *** 70 0.1 *** chance 60 0 chance

-0.1 correct choices% 50 Discrimination ratio -0.2 40 1 2 3 4 n-3 n-2 n-1 n aCSF CORT Daily session number Intrahippocampal infusions

Figure 2. Performance in the radial maze paradigm in function of stress pre-exposure (No Stress, Stress) and intrahippocampal infusion (aCSF, CORT). (A) Progression of the “go/no-go” discriminative performance evaluated by the discrimination ratio (mean ± SEM) over the first four (1-4) sessions (i.e., the presently observed minimum number of sessions required to attain the criterion) and the last four (n-3 to n) session of training before reaching criterion in stage 1. (B) Percentage of correct choices (mean + SEM) over the two sessions of the “two-choice” relational memory test of stage 2. * indicates difference from chance (*P < 0.05, ***P < 0.001), # P < 0.05 indicates between-groups difference.

162

DISCUSSION GENERALE

163

164 DISCUSSION GENERALE

Discussion générale

L’objectif général de cette thèse était de déterminer les conditions dans lesquelles les glucocorticoïdes dans l’hippocampe pouvaient altérer la mémoire émotionnelle et la mémoire relationnelle, conduisant à des troubles mnésiques de type ESPT chez la souris. Une importante partie de ce travail (Chapitre 1) visait à modéliser chez la souris le profil mnésique paradoxal de type ESPT, associant une hypermnésie pour un élément saillant non nécessairement prédictif du choc à une amnésie pour les éléments contextuels d’un même événement traumatique. Nous avons pu montrer que l’injection de corticostérone dans l’hippocampe dorsal après un conditionnement aversif en situation de stress intense (chocs à 0.8 mA), via l’implication des récepteurs aux glucocorticoïdes (GR), permet effectivement d’observer un profil mnésique similaire chez la souris. En particulier, à la suite d’une procédure de conditionnement dans laquelle le contexte est le meilleur prédicteur du choc (non-appariement son-choc), les animaux présentent un déficit de RCE au contexte et expriment une forte RCE au son, seul stimulus discret et saillant de l’apprentissage mais non prédictif du choc. Ces données suggèrent que, sous l’action de la corticostérone dans l’hippocampe dorsal, les animaux ont sélectionné de manière inadaptée un élément saillant (le son), au lieu du contexte, afin de prédire la source du danger (le choc électrique). Ce profil mnésique est associé à une diminution de l’activité de régions hippocampiques (expression de c-Fos), pouvant expliquer le déficit de traitement du contexte, associée à un accroissement de l’activité de l’amygdale, pouvant sous-tendre l’hypermnésie pour un élément discret. De façon intéressante, via l’implication du même type de récepteurs (GR), l’injection de corticostérone dans l’hippocampe ventral conduit également à des effets délétères mais opposés sur les RCE (Chapitre 2). En effet, les animaux, pour qui le son est dans ce cas prédictif du choc (appariement son-choc), n’expriment pas de RCE au son mais expriment une forte RCE au contexte. Ce profil mnésique atteste d’une sélection inappropriée des éléments contextuels afin de prédire la source du danger, au lieu de l’élément sonore discret prédictif de l’événement aversif. Enfin, nous montrons que des injections de glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal lors de l’acquisition d’une tâche en labyrinthe radiaire conduisent à un déficit spécifique de mémoire relationnelle uniquement chez les animaux ayant au préalable été exposé à un stress (chocs électriques) (Chapitre 3). Ces données suggèrent que des épisodes de stress dans

165 DISCUSSION GENERALE l’histoire d’un sujet peuvent constituer un important facteur de risque à l’émergence de perturbations de la mémoire déclarative lors d’une exposition ultérieure à un événement traumatique. L’ensemble de nos données indique que certaines conditions favoriseraient l’apparition d’altérations mnésiques de type ESPT : une libération excessive de glucocorticoïdes en situation de stress intense, une action de ces hormones sur l’hippocampe préférentiellement au niveau de sa partie dorsale et sur les GR, ainsi que l’existence d’épisodes de stress dans l’histoire personnelle du sujet. Tous ces facteurs contribueraient aux dysfonctionnements du circuit hippocampo-amygdalien, ce qui entraînerait des déficits de mémoires dépendantes de l’hippocampe, et une hyper-activation de l’amygdale pouvant promouvoir une consolidation implicite de l’événement. L’altération des processus de sélection de stimuli prédictifs d’un événement aversif serait à l’origine au développement de ce profil mnésique pathologique.

A. Conditions favorisant l’apparition d’altérations mnésiques de type ESPT

1. Forte intensité émotionnelle

Un ensemble d’études suggèrent que les glucocorticoïdes basculent d’un rôle facilitateur à délétère sur les performances mnésiques en fonction de l’intensité émotionnelle de la situation. En effet, des études chez le rongeur ont montré que l’injection systémique de corticostérone facilite les performances mnésiques en mémoire spatiale dans une piscine de Morris à eau tempérée (Sandi et al., 1997; Akirav et al., 2004) mais au contraire altère les performances mnésique en conditions d’eau froide (Roozendaal et al., 1997; de Quervain et al., 1998). Les effets facilitateurs de la corticostérone ont par la suite été observé dans une procédure d’évitement passif (Roozendaal et al., 1997) ou de conditionnement contextuel (Pugh et al., 1997b; Cordero & Sandi, 1998; Revest et al., 2005) en situation de faible intensité de choc électrique. En revanche, l’effet des glucocorticoïdes lors d’un conditionnement plus intense sur le plan émotionnel n’avait pas encore été testé. Dans ce cadre, notre étude a permis de montrer que les effets des glucocorticoïdes sur la consolidation mnésique d’un conditionnement aversif sont en fonction de l’intensité émotionnelle (Chapitre 1). En particulier, les glucocorticoïdes injectés dans l’hippocampe dorsal potentialisent les réponses conditionnées de peur au contexte dans une situation de faible intensité émotionnelle (faible

166 DISCUSSION GENERALE intensité de chocs, 0.3 mA). En revanche lorsque l’intensité émotionnelle augmente, les glucocorticoïdes n’ont pas d’effet (chocs à 0.5 mA) ou bien réduisent (chocs à 0.8 mA) les réponses de peur au contexte. La libération de glucocorticoïdes endogènes par les glandes surrénales pourrait être impliquée dans les effets différentiels de ces hormones en fonction de l’intensité émotionnelle. En effet, il a été montré une corrélation positive entre l’intensité du choc électrique utilisée dans une procédure de conditionnement aversif et le taux plasmatique de corticostérone à la suite de l’apprentissage (Cordero et al., 1998). De plus, une administration de glucocorticoïdes après un apprentissage faiblement aversif élève le niveau des performances mnésiques à un niveau comparable à celui observé après un apprentissage plus aversif (Cordero & Sandi, 1998; Revest et al., 2005). Nous observons aussi cet effet : l’injection de glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal en situation à 0.3 mA augmente les RCE au contexte à un niveau similaire à celui induit par une situation d’apprentissage à 0.8 mA. En revanche, lorsque l’intensité émotionnelle est importante, une assez forte libération de glucocorticoïdes qui est lui associée faciliterait d’emblée l’apprentissage. Par conséquent, l’apport supplémentaire de glucocorticoïdes dans l’hippocampe constituera un excès. Les glucocorticoïdes n’auront plus alors une action facilitatrice mais une action délétère sur les processus de consolidation mnésique. L’amygdale pourrait également jouer un rôle crucial dans les effets différentiels des glucocorticoïdes sur la consolidation mnésique en fonction de l’intensité émotionnelle. L’amygdale participe au contrôle de l’axe corticotrope (Herman et al., 2003) et son recrutement pourrait sous-tendre la libération de glucocorticoïdes associée à une situation de stress. De plus, de nombreuses études chez l’animal ont montré que l’amygdale module la consolidation mnésique relevant de l’hippocampe (McGaugh & Roozendaal, 2002). En particulier, la lésion du complexe basolatéral bloque les effets facilitateurs d’agonistes, ou les effets délétères d’antagonistes, aux récepteurs GR injectés dans l’hippocampe dorsal sur la consolidation mnésique d’un tâche d’évitement passif ou de mémoire spatiale, respectivement (Roozendaal & McGaugh, 1997). Ainsi dans notre étude, les effets facilitateurs et délétères de l’injection de glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal sur la consolidation mnésique d’un conditionnement aversif pourrait aussi dépendre de l’activité de l’amygdale. Par ailleurs, nous faisions l’hypothèse d’un accroissement de l’activité de l’amygdale avec l’augmentation de l’intensité émotionnelle. Une étude chez le rongeur a notamment montré une augmentation dans l’amygdale de l’expression de molécules d’adhésion cellulaires neuronales, nécessaires aux phénomènes de plasticité, avec l’intensité du choc électrique (Markram et al., 2008).

167 DISCUSSION GENERALE

Cependant dans notre étude, l’augmentation de l’intensité du choc électrique de 0.3 à 0.8 mA n’est pas associée à un accroissement du niveau d’expression de c-Fos dans l’amygdale (voir Annexe 1). Certaines études suggèrent que l’expression de c-Fos dans l’amygdale pourrait aussi être due à l’exposition à des stimuli nouveaux (Radulovic et al., 1998; Stanciu et al., 2001). Ceci pourrait expliquer le fort niveau d’expression de c-Fos observé après un conditionnement à 0.3 mA. L’ensemble de ces données suggère ainsi que l’augmentation de l’intensité émotionnelle d’un événement conduirait à une augmentation de la libération de glucocorticoïdes qui, associé à l’activité de l’amygdale, pourrait faire basculer l’influence des glucocorticoïdes de bénéfique à délétère sur la consolidation mnésique.

2. Activation excessive des GR de l’hippocampe

Notre étude a également pu déterminer que l’activation des GR de l’hippocampe était responsable des effets délétères des glucocorticoïdes sur la consolidation mnésique d’un conditionnement aversif (Chapitre 2). En effet, nos résultats montrent que les effets délétères d’une injection de corticostérone dans l’hippocampe dorsal ou ventral sur les RCE, après une situation de stress intense (chocs à 0.8 mA), pouvaient être mimés par une injection de dexaméthasone, agoniste spécifique des GR. Les récepteurs de type GR sont présents en forte quantité dans le cerveau et notamment au sein de l’hippocampe (McEwen et al., 1969; Reul & de Kloet, 1985). Sur le plan cellulaire, l’activation des GR est connue pour réduire l’excitabilité neuronale des neurones hippocampiques (Diamond et al., 1992; Kim & Yoon, 1998; Chaouloff et al., 2007) aussi bien dans la partie dorsale que ventrale (Maggio & Segal, 2007b, 2009a, 2009b). Nos résultats sont cohérents avec les données de la littérature montrant qu’en condition de stress intense, les GR sont occupés par les glucocorticoïdes et altèrent les fonctions hippocampiques (Conrad et al., 1997; Roozendaal et al., 2003). Par ailleurs, notre groupe a contribué, en collaboration avec J.-M. Revest et P.V. Piazza, à l’identification in vitro d’une voie de signalisation intracellulaire impliquée dans les effets de l’activation des GR sur les cellules hippocampiques. Cette voie débute avec la fixation des glucocorticoïdes sur les GR et conduit à la phosphorylation de ERK1/2 et à l’activation de la synthèse du facteur de transcription Egr-1 (Revest et al., 2005). Par la suite, au cours de mes travaux de thèse, nous avons étudié les effets transcriptionels de l’expression d’Egr-1 (Revest et al., 2010; voir Annexe 2). Il a ainsi pu être montré que l’activation des GR avait finalement pour effet de stimuler la synthèse (via Egr-1) et la phosphorylation (via ERK1/2) de la

168 DISCUSSION GENERALE synapsine. La phosphorylation de la synapsine est connue pour induire un transport des vésicules synaptiques vers la synapse, conduisant ainsi à la libération de neurotransmetteurs, principalement du glutamate. Ainsi, cette étude indique que les glucocorticoïdes, via les GR, modulent la mémoire en induisant une libération de glutamate, pouvant moduler par la suite la plasticité synaptique au sein de l’hippocampe. Nous avons également pu montrer dans ces deux études (Revest et al., 2005; Revest et al., 2010) que cette voie GR/ERK/Egr-1/Synapsine était responsable des effets facilitateurs in vivo de l’injection de corticostérone dans l’hippocampe dorsal sur les RCE au contexte dans une situation de faible stress (0.3 mA). L’implication de cette voie moléculaire dans les effets délétères de la corticostérone sur les fonctions hippocampiques reste néanmoins à déterminer. Outre les effets intracellulaires induits par l’activation des GR, un des paramètres importants modulant les effets des glucocorticoïdes dans l’hippocampe est le niveau d’occupation des récepteurs. Il a notamment été montré qu’une situation de stress intense similaire à notre situation à 0.8 mA induit une forte libération de corticostérone (Cordero et al., 1998), pouvant ainsi conduire à une occupation importante, mais partielle, des GR dans l’hippocampe. Des études ont montré qu’un niveau d’occupation modéré des GR est crucial pour la consolidation mnésique, tandis qu’un niveau d’occupation total devient délétère pour la mémoire (Conrad et al., 1999; Brinks et al., 2007). Dans notre étude, un apprentissage à 0.8 mA permet bien une expression de RCE par le stimulus prédictif du choc, attestant d’une consolidation mnésique optimale, ce qui suggère que le niveau d’occupation des GR ne serait que partiel. En revanche, l’injection de corticostérone ou d’agoniste aux GR dans cette situation d’apprentissage conduirait à l’occupation totale des GR de l’hippocampe. Cette occupation totale des récepteurs aurait alors des effets délétères sur les processus de consolidation mnésique au sein de l’hippocampe. Afin de clarifier les effets opposés des glucocorticoïdes sur la consolidation mnésique (facilitateur ou délétère) par une action sur les mêmes récepteurs, Conrad et al. ont établit un modèle de fonctionnement des GR selon leur niveau d’occupation et leur possibilité d’interaction avec les récepteurs aux minéralocorticoïdes (MR) intracellulaires (Conrad et al., 1999) (Figure 14). En effet, les neurones de l’hippocampe co-expriment les GR et les MR. Ces derniers ont une affinité pour la corticostérone dix fois plus élevée que les GR et sont quasiment totalement occupés à l’état basal. Dans le modèle de Conrad, les GR sont modérément occupés en condition de stress et peuvent former des hétérodimères avec les MR. Au contraire des GR, les MR auraient plutôt un rôle dans les processus attentionnels et la sélection de réponses comportementales au vue de la situation (Oitzl & de Kloet, 1992;

169 DISCUSSION GENERALE

Conrad et al., 1997; Brinks et al., 2007). Par conséquent, l’action des glucocorticoïdes en synergie sur les MR et les GR permettrait de sélectionner et de consolider une stratégie comportementale adaptée à l’exposition à un stress. En revanche, lorsque le stress de la situation augmente, le modèle postule que l’occupation totale des GR ne leur permet plus d’interagir avec les MR. L’action des GR seuls serait alors responsable des effets délétères des glucocorticoïdes sur la mémoire. Ce modèle est en accord avec des études montrant que le complexe GR/MR induit des changements génomiques différents de ceux des GR seuls ou complexés en homodimères (Trapp et al., 1994). En conclusion, nos résultats, en accord avec la littérature, suggèrent que la libération excessive de glucocorticoïdes en situation de stress intense entraîne une activation excessive des GR de l’hippocampe, qui conduirait à des déficits de plasticité hippocampique et de consolidation mnésique. Ceci pourrait expliquer les déficits de mémoires dépendantes de l’hippocampe observés.

Figure 14. Modèle putatif de l’influence bimodale des GR sur les performances mnésiques. Ce modèle rend compte de l’évolution bidirectionnelle des performances mnésiques en fonction du taux de glucocorticoïdes circulant, donc du niveau d’occupation des récepteurs MR et GR. Il émerge de ce modèle qu’un niveau d’occupation modéré des GR, via une synergie avec les MR, permet des performances mnésiques optimales. En revanche, l’occupation excessive des GR réduit les performances mnésiques. Type I : MR, Type II : GR. (Adapté de Conrad et al., 1999).

3. Effets opposés des glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal vs. ventral

Lors d’un stress intense (chocs à 0.8 mA), les glucocorticoïdes présentent des effets délétères mais opposés sur les RCE en fonction du secteur hippocampique ciblé (Chapitre 2). En particulier, l’injection de glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal abolit les RCE au contexte et promeut une RCE au son à la suite d’une procédure d’apprentissage dans laquelle

170 DISCUSSION GENERALE le contexte était le prédicteur majeur du choc (non-appariement son-choc). En revanche, l’injection de glucocorticoïdes dans l’hippocampe ventral induit un profil de RCE exactement opposé. Il est ainsi observé une abolition des RCE au son et une induction d’une RCE au contexte à la suite d’une procédure d’apprentissage dans laquelle le son était le prédicteur majeur du choc (appariement son-choc). Les régions dorsale et ventrale de l’hippocampe apparaissent différemment impliquées dans le conditionnement aversif. Les nombreuses données de la littérature indiquent que l’hippocampe dorsal est clairement requis dans le conditionnement contextuel et n’est pas nécessaire pour un conditionnement élémentaire au son (Kim & Fanselow, 1992; Phillips & LeDoux, 1992, 1994; Anagnostaras et al., 2001; Maren & Holt, 2004). Au contraire, l’hippocampe ventral apparait requis dans le conditionnement au son, tandis que sa contribution dans le conditionnement contextuel semble être mineure (Maren, 1999; Richmond et al., 1999; Bast et al., 2001; Zhang et al., 2001; Maren & Holt, 2004; Hunsaker & Kesner, 2008; Esclassan et al., 2009). En accord avec cette dissociation dorso-ventrale dans les processus de conditionnement aversif, nous montrons qu’une injection de glucocorticoïdes, via une action sur les GR, altère la fonction du secteur hippocampique ciblé. De façon intéressante, l’injection de glucocorticoïdes dans l’hippocampe n’induit pas seulement une altération du type de conditionnement impliquant le secteur hippocampique ciblé, mais promeut également un conditionnement pour le stimulus non prédictif du choc. En d’autres termes, l’injection intra-hippocampique de glucocorticoïdes conduit à une sélection incorrecte d’un stimulus qui n’était pas prédictif de l’événement aversif. L’induction d’un conditionnement au son après une procédure de non-appariement n’est généralement pas observée dans des études lésionnelles ou d’inactivation de l’hippocampe dorsal (Selden et al., 1991; Anagnostaras et al., 1999). Inversement, une étude a montré que la lésion de l’hippocampe ventral après une procédure d’appariement son-choc abolit le conditionnement au son mais n’induit pas de RCE au contexte (Maren & Holt, 2004). Les effets des glucocorticoïdes sont donc différents des effets observés après lésions ou inactivation qui, en abolissant l’activité du secteur hippocampique ciblé, altèrent seulement le type de conditionnement principalement sous-tendu par cette région. Les glucocorticoïdes semblent plutôt altérer l’activité de l’ensemble du circuit hippocampo-amygdalien, conduisant à la mauvaise sélection et à la rétention d’un stimulus non prédictif d’un événement aversif.

L’action des glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal va notamment permettre d’observer un profil mnésique paradoxal comparable à celui observé dans l’ESPT, i.e. une

171 DISCUSSION GENERALE hypermnésie vis-à-vis d’un stimulus discret et saillant associée à une amnésie pour les éléments contextuels. En accort avec ces données, une étude révèle que des patients atteints d’ESPT présentent une diminution du volume hippocampique seulement dans la partie postérieure (Bonne et al., 2008). Cette région de l’hippocampe pourrait être alors préférentiellement affectée lors du développement d’un ESPT à la suite d’un événement traumatique. L’hippocampe dorsal, comparé à la partie ventrale, est la partie hippocampique la plus impliquée dans le traitement, la consolidation et la restitution d’informations spatio- temporelles (Moser & Moser, 1998; Bannerman et al., 2004). Plusieurs études ont montré que l’exposition à un stress ou l’administration systémique de glucocorticoïdes altère les processus de traitement du contexte (Diamond et al., 1996; de Quervain et al., 1998; Wang et al., 2000; Sandi et al., 2005), suggérant des altérations préférentielles du fonctionnement de l’hippocampe dorsal par les glucocorticoïdes. L’altération sélective de l’hippocampe dorsal pourrait être due à une densité de récepteur de type GR trois fois supérieure dans l’hippocampe dorsal par rapport à l’hippocampe ventral (Robertson et al., 2005). Or, comme nous l’avons discuté précédemment, les GR sont impliqués dans les effets délétères des glucocorticoïdes. Ceci suggère qu’une situation de stress pourrait induire une activation des GR plus massives dans l’hippocampe dorsal que dans l’hippocampe ventral, conduisant alors à des effets délétères prépondérants dans cette partie de l’hippocampe. En accord avec cette hypothèse, une série d’études a montré qu’une exposition à un stress ou l’application de corticostérone réduit, via l’activation des GR, l’excitabilité neuronale dans l’hippocampe dorsal (diminution de la PLT, augmentation de la DLT et des courants synaptiques inhibiteurs), alors que les mêmes traitements augmentent l’excitabilité dans l’hippocampe ventral via l’activation des MR (Maggio & Segal, 2007b, 2009a, 2009b). De plus, des données indiquent que l’ESPT pourrait être associé à une hypersensibilité des GR hippocampiques, ce qui expliquerait l’augmentation du rétrocontrôle négatif de l’axe corticotrope (Yehuda, 2000) via l’hippocampe postérieur (Kovacs & Makara, 1988). En conclusion, nos résultats, en accord avec les données de la littérature, indiquent que l’altération de la partie postérieure/dorsale de l’hippocampe, une cible cérébrale préférentielle des glucocorticoïdes libérés lors d’un événement traumatique, serait essentiellement responsables des altérations mnésiques de type ESPT.

172 DISCUSSION GENERALE

4. Glucocorticoïdes, épisodes de stress et vulnérabilité

Nos travaux montrent également que l’exposition à un stress préalable pourrait fragiliser l’hippocampe et le rendre plus vulnérable aux effets d’un stress ultérieurs (Chapitre 3). En effet, il a pu être montré que des injections de corticostérone dans l’hippocampe dorsal au cours d’un apprentissage en labyrinthe radiaire altèrent les performances en mémoire relationnelle (dépendante de l’hippocampe) uniquement chez des animaux ayant au préalable vécu un épisode de stress (exposition à des chocs électriques). Ces résultats révèlent que des épisodes de stress dans l’histoire d’un sujet constitueraient un facteur de prédisposition important dans l’apparition de déficits de mémoire déclarative liée à un événement traumatique ultérieur. Pour expliquer ces effets à long terme d’une exposition au stress, il a été montré que les glucocorticoïdes n’affectent pas seulement la fonction mais aussi la structure de l’hippocampe (McEwen & Sapolsky, 1995; McEwen, 2000; Sapolsky, 2000). Il a notamment été observé que l’exposition à un stress fragilise l’hippocampe par une diminution du nombre d’épines dendritiques (Conrad, 2008). Cet ensemble d’études a conduit à suggérer l’hypothèse du rôle neurotoxique des glucocorticoïdes sur l’hippocampe (Sapolsky, 1986; McIntosh & Sapolsky, 1996; Schaaf et al., 2000). Selon cette hypothèse, la libération excessive de glucocorticoïdes lors d’un stress intense induirait une importante entrée de calcium dans les cellules hippocampiques et la production de radicaux libres. Ceci entraînerait la mort des cellules hippocampiques et l’atrophie de la structure. Finalement, l’altération de la structure même de l’hippocampe pourrait être l’une des causes de l’apparition de perturbations de formes de mémoire dépendantes de l’hippocampe, lors de l’exposition à un stress ultérieur. Des études chez l’animal ont également montré que l’exposition à un stress rend les animaux vulnérables aux effets d’un stress ultérieur. En particulier, l’équipe de Richter-Levin utilise un modèle de « stress juvénile » dans lequel des rats sont exposés à des épisodes de stress pendant la période juvénile (âge de 26-29 jours) et sont par la suite nouvellement exposés à un stress à l’âge adulte (60 ou 90 jours). Leurs études ont montré que ces rats présentent des réponses exacerbées lors de la nouvelle exposition au stress, telles qu’un faible niveau de glucocorticoïdes basal et des comportements de type anxieux ou dépressifs (Avital & Richter-Levin, 2005; Tsoory et al., 2007; Bazak et al., 2009), comparables aux symptômes de l’ESPT. Ce modèle de « stress juvénile » a été développé sur la base des données épidémiologiques de l’ESPT révélant que des événements traumatiques survenus particulièrement pendant l’enfance contribuent à l’émergence de cette pathologie à l’âge

173 DISCUSSION GENERALE adulte lors d’un événement de stress ultérieur (Briere & Elliott, 1994). De plus, l’axe corticotrope ainsi que des aires cérébrales clefs, tels que le cortex préfrontal, l’hippocampe et l’amygdale, sont en plein développement pendant l’enfance et l’adolescence chez l’Homme et le rongeur (Spear, 2000). Cependant, les études de l’équipe de Richter-Levin ne montrent pas de réponses exacerbées à un stress ultérieur lorsque la première exposition au stress est effectuée à l’âge adulte. Cette divergence de résultats entre notre étude et celles de l’équipe de Richter-Levin pourrait s’expliquer par le fait que nous ayons utilisé une approche pharmacologique ciblant directement l’hippocampe dorsal pour mimer une seconde exposition aux effets du stress (glucocorticoïdes). Ces injections de glucocorticoïdes seraient ainsi efficaces pour altérer les fonctions de l’hippocampe à l’âge adulte. L’exposition à plusieurs épisodes de stress, conduisant à une vulnérabilité individuelle, parait être l’un des facteurs importants dans le développement de l’ESPT. Dans ce cadre, des études épidémiologiques révèlent que la plupart des sujets atteints d’ESPT ont déjà vécu d’autres événements traumatiques au cours de leur vie (Kessler et al., 1995). Il a donc été suggéré que l’altération hippocampique et les altérations de l’axe corticotrope observées chez des patients ESPT pourrait autant constituer un facteur de risque qu’une conséquence de la pathologie (Gilbertson et al., 2002; Yehuda et al., 2007). En résumé, un épisode de stress préalable pourrait fragiliser l’hippocampe et l’axe corticotrope et prédisposerait ainsi les individus à des déficits de mémoire relevant de l’hippocampe lors de l’exposition à un stress ultérieur. Dans le cas de l’ESPT, ces déficits mnésiques concernent notamment la formation de souvenirs épisodiques de l’événement traumatique.

B. Altérations mnésiques de type ESPT : dysfonctionnements du circuit hippocampo-amygdalien et sélection inadaptée de stimuli prédictifs

1. Déficit de mémoires dépendantes de l’hippocampe

Comme il été discuté précédemment, les altérations de l’hippocampe dorsal seraient au centre de l’induction du profil mnésique paradoxal observé dans le cadre de l’ESPT. Au cours de notre étude, les effets du stress sur le fonctionnement de l’hippocampe dorsal ont été

174 DISCUSSION GENERALE

étudiés via une tâche de conditionnement contextuel ou de mémoire relationnelle en labyrinthe radiaire. D’une part, lors du conditionnement contextuel, l’injection de corticosterone a été effectuée immédiatement après l’apprentissage afin d’influencer la phase de consolidation. Lors de cette phase, l’hippocampe dorsal établi et/ou consolide une représentation unifiée du contexte à partir des différents éléments toniques et polymodaux le constituant (Rudy & O'Reilly, 2001; Rudy et al., 2002; Maren & Holt, 2004; Matus-Amat et al., 2004). En revanche, l’association de la représentation du contexte et du choc électrique ne dépend pas de l’hippocampe dorsal, mais est sous-tendue par l’amygdale. L’utilisation d’une tâche de conditionnement contextuel permet ainsi d’évaluer la capacité d’un sujet de mettre en relation divers stimuli sensoriels appartenant à un contexte d’apprentissage afin de pouvoir par la suite prédire correctement les événements et établir une réponse adaptée. D’autre part, dans l’apprentissage en labyrinthe radiaire, l’injection de corticostérone a été effectuée en pré-apprentissage pendant la phase d’acquisition (go/no-go) de la tâche (Chapitre 3). Il a été montré au sein de l’équipe que, bien qu’il ne soit pas nécessaire pour l’apprentissage du go/no-go, l’hippocampe dorsal présente une augmentation d’activité lors de cette phase d’acquisition. Cette sollicitation « spontanée » de l’hippocampe s’avère critique pour que l’animal puisse établir une réponse de choix correcte lors de la phase ultérieure de test (Mingaud et al., 2007). Ainsi dans la tâche en labyrinthe radiaire, l’hippocampe dorsal joue un rôle crucial dans l’encodage d’informations séparées en vue de les mettre en relation et de former une représentation unifiée de la situation d’apprentissage, afin de l’utiliser par la suite. Un tel rôle de l’hippocampe est en accord avec la théorie relationnelle énoncée par Eichenbaum (Eichenbaum et al., 1992). Ainsi, l’hippocampe dorsal est crucial pour mettre en relation des épisodes séparés temporellement et spatialement (visite d’un bras) qui comprennent à la fois une composante sensorielle et spatiale (position du bras) et une composante émotionnelle liées à la valence du bras visité (récompensé ou non). Etant donné le haut niveau de complexité de ces relations, l’apprentissage en labyrinthe radiaire permet d’évaluer une forme de mémoire plus élaborée que celle induite par le conditionnement contextuel et qui semble beaucoup plus proche de la mémoire déclarative humaine. Dans tous les cas, les résultats de nos deux études montrent qu’un niveau élevé de glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal, dans certaines conditions spécifiées dans cette thèse, altère la consolidation mnésique et induit des déficits de formes de mémoire nécessitant l’intégrité de cette région cérébrale. Nos résultats suggèrent notamment que de fortes doses de

175 DISCUSSION GENERALE glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal altèrent les processus de sélection des stimuli à mettre en relation et à consolider afin d’effectuer une réponse comportementale correcte et adaptée à la situation. Un tel déficit de sélection et de traitement des éléments contextuels à consolider est comparable à ce que l’on peut observer dans le cadre de l’ESPT. En effet, comme il a été dit précédemment, les sujets atteints d’ESPT présentent des déficits de mémoire déclarative relatifs aux éléments contextuels de l’événement traumatique. De plus, l’ESPT se caractérise par une focalisation sur un élément saillant et décontextualisé, qui évoquera des réponses de peur de façon relativement automatique dans des contextes différents du contexte original traumatique (Layton & Krikorian, 2002). C’est ce déficit d’indexation contextuelle de l’ensemble de l’événement qui contribuerait fortement à l’altération de souvenirs épisodiques. Par conséquent, nos résultats supportent l’hypothèse selon laquelle une libération excessive de glucocorticoïdes perturbe, via une action dans l’hippocampe dorsal, la formation de souvenirs épisodiques liés à l’événement traumatique, et promeut donc une consolidation mnésique sous un seul format plus implicite.

2. Altérations hippocampiques et rôle de l’amygdale dans la consolidation de l’événement traumatique

La consolidation mnésique d’un événement traumatique peut basculer d’un format explicite et verbalisable, sous-tendu par l’hippocampe, vers un format implicite, relevant alors de la fonction amygdalienne. Notre étude suggère notamment que l’action des glucocorticoïdes lors d’un stress intense n’altère pas seulement la fonction hippocampique, mais conduirait aussi à une consolidation de l’événement qui relèverait plutôt de l’amygdale. Ceci se traduit par une sélection incorrecte d’un élément discret et saillant (le son) afin de prédire l’événement aversif (le choc). De nombreuses études montrent que l’hippocampe et l’amygdale interagissent afin de produire une représentation mnésique et une réponse comportementale adaptée. La majorité de ces études portent sur l’influence de l’amygdale sur l’hippocampe afin de rendre compte de la modulation des souvenirs émotionnellement connotés supportés par l’hippocampe (McGaugh, 2004; Phelps & LeDoux, 2005). Toutefois, les études de White et McDonald, portant sur la théorie des compétitions entre systèmes mnésiques, ont montré l’existence d’influences majeures de l’hippocampe sur l’amygdale dans les apprentissages. Il a notamment été montré que l’acquisition d’informations spatiales lors d’une pré-exposition à la pièce d’apprentissage retarde l’acquisition d’une tâche de conditionnement de place indicé

176 DISCUSSION GENERALE dépendante de l’intégrité de l’amygdale (McDonald & White, 1995). Inversement, une lésion du fornix facilite l’acquisition de cette tâche (White & McDonald, 1993). Au sein de notre équipe, il a été montré que l’activité de l’amygdale (mesurée par l’expression de la forme phosphorylée d’EK1/2, p-ERK1/2) était corrélée à celle de l’hippocampe seulement dans le cas où le contexte constituait le meilleur prédicteur de l’occurrence du choc électrique (Trifilieff et al., 2007). Enfin, une altération du fonctionnement hippocampique par l’injection locale de scopolamine modifie l’expression de p-ERK1/2 dans l’hippocampe mais également dans l’amygdale, et induit ainsi une sélection inadaptée du son comme prédicteur du choc (Calandreau et al., 2006). En accord avec ces dernières données, nous montrons que l’injection de glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal, en situation de stress intense, induit une forte activation des noyaux amygdaliens (LA, BLA et CE, mesurée par l’expression de la protéine c-Fos), laquelle est associée à la sélection du stimulus saillant comme prédicteur du choc (Chapitre 1). En effet, le niveau de c-Fos dans l’amygdale est faible chez des animaux qui sélectionnent le contexte comme prédicteur du SI (non-appariement). En revanche, le niveau de c-Fos est plus élevé chez des animaux qui sélectionnent le son de manière adaptée (appariement son-choc) ou inadaptée (non-appariement son-choc suivi d’une injection intra- hippocampique de corticostérone). La différence d’expression de c-Fos en fonction du type de conditionnement n’implique pas forcément que l’amygdale serait moins recrutée dans le conditionnement au contexte que dans le conditionnement au son, ce qui serait en contradiction totale avec l’ensemble de la littérature attribuant un rôle crucial de l’amygdale dans ces deux types de conditionnement (LeDoux, 2007). Plus que le recrutement de la structure, nos résultats révèleraient plutôt une mobilisation différentielle de la structure, visualisée par l’expression de c-Fos en fonction de la relation de contingence SC-SI. De façon similaire, il a été montré une activation différentielle d’une combinaison de gènes (Ressler et al., 2002; Lamprecht et al., 2009) et d’ERK1/2 dans le complexe basolatéral de l’amygdale (Calandreau et al., 2006; Trifilieff et al., 2007) en fonction de la contingence SC-SI. Ainsi, dans nos conditions d’apprentissage, l’utilisation de c-Fos serait un marqueur d’intérêt permettant de révéler, au sein de l’amygdale, la sélection d’un stimulus comme prédicteur du choc (son ou contexte). Dans ce cadre, nous montrons que la sélection inadaptée du son comme prédicteur du choc est associée à une forte expression de c-Fos dans l’amygdale. Ce niveau d’expression est signe de la détection d’une relation de forte contingence SC-SI alors même que ces stimuli n’étaient pas objectivement contingents. Ainsi par l’action des glucocorticoïdes dans

177 DISCUSSION GENERALE l’hippocampe dorsal, les informations contextuelles n’étant pas traitées, la formation d’une forme mnésique plus simple, reposant sur une association son-choc et dépendante de l’amygdale est alors promue. Ce type de mécanismes serait à l’origine du développement du profil mnésique de l’ESPT. Il existerait alors un lien causal entre le déficit mnésique pour les stimuli contextuels péri-traumatiques et le développement d’une mémoire émotionnelle pathologique de type ESPT.

3. Altérations mnésiques de type ESPT

• Altération des processus de sélection des stimuli prédictifs Comme nous venons de le discuter, l’injection de glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal en situation de stress intense perturbe la sélection du prédicteur majeur du choc. En particulier, les animaux ne sélectionnent pas les éléments contextuels les plus pertinents pour prédire l’arrivée du choc mais sélectionnent le seul élément simple et saillant de l’expérience (le son). De façon intéressante, des études de Yerkes et Dodson publiées en 1908 ont montré que l’augmentation de l’intensité émotionnelle influence différemment les performances mnésiques dans une tâche d’évitement en fonction de la complexité de la tâche (pour revue (Diamond et al., 2007)). En effet, lorsque la discrimination est simple (compartiment éclairé vs. sombre), l’augmentation de l’intensité du choc électrique améliore les performances de discrimination. En revanche, lorsque la discrimination est plus complexe (deux compartiments éclairés), l’augmentation de l’intensité du choc diminue les performances. Ces études ont conduit à penser qu’en situation de stress intense, les animaux seraient réduits à sélectionner un indice simple afin de prédire le choc. Ces études ont conduit à la loi théorique de Yerkes-Dodson (Figure 15A). Cette loi propose qu’une situation émotionnellement intense améliore les performances mnésiques lors d’un apprentissage simple, basé sur l’utilisation d’un nombre limité de stimuli. En revanche, cette même situation conduit à une altération des performances mnésiques pour des formes d’apprentissage plus complexes, impliquant une large gamme de stimuli et/ou des associations complexes entre ces stimuli. Afin d’apporter des explications complémentaires à la loi de Yerkes-Dodson, Easterbrook (1959) a proposé que l’augmentation de la charge émotionnelle conduirait à réduire la gamme de stimuli pouvant être utilisés par un individu. Selon son hypothèse, cette réduction permettrait au sujet de se focaliser sur le stimulus pertinent lors d’un apprentissage simple, ce qui explique alors l’augmentation des performances mnésiques. En revanche, dans

178 DISCUSSION GENERALE une situation complexe, la réduction de la gamme de stimuli qui sont quasiment tous nécessaires à la réalisation de la tâche pourrait conduire à une forme d’amnésie pour certains éléments pertinents au regard de la situation, ce qui expliquerait les déficits de performances mnésiques. Les résultats obtenus dans notre étude sont accord avec cette loi théorique. En effet, une situation de stress intense, mimée par l’injection de glucocorticoïdes en situation de chocs à 0.8 mA, n’a pas d’effet lors d’une situation d’apprentissage relativement simple, i.e. basée sur la capacité de mettre en relation deux stimuli (appariement son-choc). En revanche, lorsque le sujet doit mettre en relation les éléments toniques et polymodaux constituant le contexte afin l’associer préférentiellement au choc (non-appariement son-choc), les conditions de stress altèrent le traitement de ces éléments et promeut une association simple du choc avec le stimulus simple et saillant de l’apprentissage (son). En conséquence, la sélection des stimuli prédictifs d’un événement aversif, processus critique pour la formation d’une mémoire émotionnelle normale, est fortement altérée dans cette situation.

• Dysfonctionnements du circuit hippocampo-amygdalien Par ailleurs, en 2002, Layton et Krikorian ont proposé un modèle neurobiologique dans lequel les interactions hippocampo-amygdaliennes seraient en fonction de l’intensité émotionnelle d’un événement (Figure 15B) (Layton & Krikorian, 2002). De manière intéressante, ce modèle rend également compte d’un point de vue neurobiologique la loi théorique de Yerkes-Dodson. En effet, il propose qu’au cours d’un événement associé à un stress modéré, l’amygdale contribuerait favorablement à la consolidation de formes mnésiques complexes comme la formation des souvenirs épisodiques en « stimulant » l’activité de l’hippocampe. Ceci est en accord avec les nombreuses données de la littérature traitant de l’influence facilitatrice amygdalienne sur la consolidation de souvenirs émotionnellement connotés (McGaugh, 2004; Phelps & LeDoux, 2005). En revanche, lorsque le stress devient intense à extrême, l’influence amygdalienne deviendrait néfaste pour le fonctionnement du système de mémoire épisodique. En particulier, une hyper-activation amygdalienne « inhiberait » le fonctionnement de l’hippocampe, perturbant ainsi le traitement épisodique des informations relatives à l’événement traumatique. La formation de mémoires complexes relevant de l’hippocampe serait donc altérée par une charge émotionnelle importante. Toutefois, l’hyper-activation de l’amygdale conduirait à ce que cette structure supporte, seule, la consolidation de cet événement mais sous une forme plus simple et implicite, non accessible à la conscience. Ces dysfonctionnements potentiels du circuit

179 DISCUSSION GENERALE hippocampo-amygdaliens expliqueraient, selon Layton et Krikorian, le profil hypermnésie/amnésie caractéristique de l’ESPT. Il est à noter que, à la différence du modèle de Layton et Krikorian dans lequel une influence inhibitrice de l’amygdale sur l’hippocampe explique l’altération mnésique, nos résultats indiquent que c’est une altération de l’hippocampe qui pourrait contribuer à l’hyperactivité de l’amygdale. Ainsi, intégré au modèle de Layton & Krikorian, nos données suggèrent qu’une altération des interactions hippocampo-amygdaliennes serait à l’origine du profil mnésique paradoxal observé dans l’ESPT.

A. Loi de Yerkes-Dodson B. Modèle de Layton & Krikorian Amygdale élevées Formes de mémoire « simples » élevé Ex : conditionnement élémentaire + - Formes de mémoire « complexes » Ex : conditionnement contextuel, mnésiques

Performances mémoire relationnelle/déclarative faibles Niveau d‘activité faible Hippocampe faiblemodérée forte faiblemodérée forte Intensité émotionnelle Intensité émotionnelle

Figure 15. Modèles de l’influence de l’intensité émotionnelle sur les fonctions mnésiques. (A) La loi de Yerkes-Dodson met en évidence que l’augmentation de l’intensité émotionnelle facilite une forme de mémoire relativement simple et altère une forme mnésique plus complexe. (Adapté de Diamond et al., 2007). (B) Le modèle de Layton & Krikorian (2002) met, lui, en évidence que cette augmentation de l’intensité émotionnelle conduit à une hyperactivité de l’amygdale, qui au lieu de stimuler, inhiberait l’activité de l’hippocampe. Ces changements d’activité expliqueraient la consolidation d’une forme de mémoire simple/implicite et le déficit de souvenirs épisodiques, respectivement.

En accord avec la loi de Yerkes-Dodson et le modèle de Layton et Krikorian, l’ensemble de nos résultats suggèrent qu’en fonction (1) de l’intensité émotionnelle de la situation, (2) du niveau d’occupation des GR de l’hippocampe dorsal et (3) de l’histoire personnelle du sujet, l’influence des glucocorticoïdes sur la consolidation d’un événement aversif passe de facilitateur à délétère et favorise la consolidation de l’événement sous un format mnésique implicite. Dans une situation de stress intense, une altération des processus de sélection de stimuli prédictifs, reposant sur des dysfonctionnements du circuit hippocampo-amygdalien, peut aboutir à l’établissement de mémoires émotionnelles pathologiques.

180 DISCUSSION GENERALE

Conclusion et perspectives

Dans leur ensemble, les travaux menés au cours de ce travail de thèse ont permis de modéliser chez la souris certains aspects mnésiques et neurobiologiques de l’ESPT. L’action des glucocorticoïdes dans l’hippocampe dorsal pourrait constituer un mécanisme pathophysiologique important de cette pathologie. Cependant, cette modélisation chez l’animal n’en est qu’à ces débuts. D’une part, l’hypermnésie pour un élément au cœur de l’événement traumatique est décrite comme persistante et résistante à l’extinction (Orr et al., 1998; Orr & Roth, 2000). L’extinction de peur conditionnée est une forme d’apprentissage adaptée permettant d’inhiber l’expression de cette peur en réponse à une diminution de la valeur prédictive du stimulus conditionnel. Des déficits d’extinction des réponses conditionnées à des stimuli rappelant le trauma compléteraient la modélisation du symptôme d’hypermnésie. Des modèles animaux de résistance à l’extinction, se basant sur l’exposition à un stress ou sur des différences interindividuelles, montrent un disfonctionnement du circuit cérébral sous-tendant cet apprentissage (pour revue (Herry et al., 2010)). Dans la suite de ces travaux de thèse, il apparait alors nécessaire d’évaluer la capacité d’extinction des animaux présentant un profil mnésique de type ESPT. D’autre part, l’ESPT se caractérise par une constellation de symptômes bien définis dans le DSM-IV (APA, 2000). Outre la « ré-expérience » de l’événement traumatique, une grande diversité de modèles animaux est notamment dédiée à l’étude des autres symptômes de l’ESPT (pour revue (Bonne et al., 2004)). En particulier, les symptômes d’évitement de stimuli rappelant l’événement traumatique peuvent être étudiés via la tâche d’évitement actif/passif, les symptômes de type dépressifs via le test d’impuissance acquise (learned helplessness) après l’exposition à un stress incontrôlable, enfin les symptômes d’anxiété et de sursaut sont par le test du labyrinthe en croix surélevé et le test de réactions de sursaut. Une batterie de tests comportementaux pourrait alors venir compléter le tableau comportemental pathologique chez l’animal. Outre la symptomatologie comportementale, des altérations de l’activité de l’axe corticotrope caractérisent aussi l’ESPT (Yehuda, 2000). En particulier, un faible taux basal de cortisol, une augmentation exagérée du taux en réponse à un stimulus rappelant l’événement traumatique et un rétrocontrôle négatif de l’axe accru sont d’autant de caractéristiques devant être étudiées chez l’animal.

181 DISCUSSION GENERALE

En plus d’une libération de glucocorticoïdes, l’exposition à un événement émotionnellement connoté conduit aussi à une libération d’adrénaline. Une activation exagérée du système nerveux sympathique est souvent reportée chez les sujets atteints d’ESPT (Elzinga & Bremner, 2002). Des études chez l’Homme et chez l’animal ont clairement montré que le système adrénaline/noradrénaline est impliqué dans la modulation amygdalienne de souvenirs épisodiques dépendants de l’hippocampe (Cahill et al., 1994; McGaugh & Roozendaal, 2002). Un fonctionnement exacerbé de ce système serait responsable d’une hyperactivité de l’amygdale, qui en retour exercerait une influence néfaste sur la fonction hippocampique (Layton & Krikorian, 2002). Dans la compréhension de l’ESPT, l’une des questions critiques est la suivante : pourquoi certaines personnes développent-elles un état pathologique à la suite d’un événement traumatique alors que d’autres ne présentent pas ou peu de séquelles après le même événement ? De plus, pourquoi des individus développent-ils cette pathologie après un événement, certes, impliquant un stress, mais à priori non traumatique ? Pour tenter de répondre à ces questions, les facteurs de vulnérabilité, tant génétiques qu’environnementaux, sont à considérer.

182

ANNEXES

183

184 ANNEXES

Annexe 1

Hippocampe Amygdale CA1 dorsal CA1 ventral LA droite LA gauche 200 300 1500 1500

150 o 200 oo 1000 1000

100

100 500 500 50 o * Cellules c-Fos/mm² Cellules 0 0 0 0 Contexte- Son- Contexte- Son- Contexte- Son- Contexte- Son- prédictif prédictif prédictif prédictif prédictif prédictif prédictif prédictif CA3 dorsal CA3 ventral BLA droite BLA gauche 800 500 800 800

400 600 600 600

300 400 400 400 200 o 200 200 200 100 *

Cellules c-Fos/mm² Cellules 0 0 0 0 Contexte- Son- Contexte- Son- Contexte- Son- Contexte- Son- prédictif prédictif prédictif prédictif prédictif prédictif prédictif prédictif DG dorsal DG ventral CEA droite CEA gauche 800 400 2000 2000 oo 600 o 300 * 1500 1500 * 400 200 1000 1000

200 100 500 500 oo

Cellules c-Fos/mm² Cellules 0 0 0 ** 0 Contexte- Son- Contexte- Son- Contexte- Son- Contexte- Son- prédictif prédictif prédictif prédictif prédictif prédictif prédictif prédictif 0.3 mA 0.8 mA

Effets de l’augmentation de l’intensité du choc sur l’activité neuronale de l’hippocampe et l’amygdale. Chez le groupe contexte-prédictif, l’augmentation de l’intensité de 0.3 à 0.8 mA augmente globalement l’expression de c-Fos dans l’hippocampe mais la réduit dans l’amygdale droite. Au contraire chez le groupe son-prédictif, aucun changement d’expression de c-Fos n’est observé dans l’hippocampe et l’amygdale. Les o indiquent un effet de l’intensité du choc (0.3 vs. 0.8 mA), oP < 0.05, ooP < 0.01. Les * indiquent un effet de la procédure d’apprentissage (groupe contexte-prédictif vs. son- prédictif), *P < 0.05, **P < 0.01.

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Annexe 2

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Résumé : Une mémoire émotionnelle normale se base sur la sélection de stimuli prédictifs d’un événement important pour l’individu. Cependant, ce processus de sélection peut être compromis en situation de forte intensité émotionnelle. En particulier, la sélection d’un élément saillant non nécessairement prédictif, associée à une amnésie de type déclaratif pour les éléments contextuels, caractérise les altérations mnésiques de l’état de stress post- traumatique (ESPT). Les données de la littérature suggèrent que l’action de glucocorticoïdes dans l’hippocampe serait l’une des causes possibles du développement de troubles mnésiques de type ESPT. Nos travaux ont porté sur les conditions dans lesquelles les glucocorticoïdes dans l’hippocampe peuvent altérer les fonctions mnésiques chez la souris. En utilisant des procédures de conditionnement classique aversif, nous montrons que l’injection post- apprentissage de corticostérone dans l’hippocampe dorsal, en situation de forte intensité émotionnelle, conduit (1) à une sélection incorrecte du stimulus saillant non prédictif du choc électrique au détriment des éléments contextuels (2) et à des dysfonctionnements d’activité neuronale au sein du circuit hippocampo-amygdalien (expression de c-Fos). De façon intéressante, par une action sur le même type de récepteurs (aux glucocorticoïdes, GR), l’injection de corticostérone dans l’hippocampe ventral conduit également à un processus incorrect de sélection du stimulus prédictif mais en faveur des éléments contextuels. Enfin, un apprentissage en labyrinthe radiaire révèle que l’injection de corticostérone dans l’hippocampe dorsal altère spécifiquement la mémoire relationnelle, analogue de la mémoire déclarative humaine, uniquement chez les animaux ayant été au préalable exposés à un stress. L’ensemble de nos données révèlent qu’un excès de glucocorticoïdes dans l’hippocampe contribue (1) à des déficits de mémoires émotionnelle et relationnelle, (2) à la sélection inadaptée de stimuli non prédictifs d’un événement aversif (3) reposant sur des dysfonctionnements du circuit hippocampo-amygdalien, le tout, correspondant à des altérations mnésiques de type ESPT.

Mots-clefs : conditionnement aversif, intensité émotionnelle, consolidation, mémoire relationnelle, souris, hippocampe, amygdale, stress, glucocorticoïdes, GR, gènes précoces.

Abstract: Normal emotional memory is based on the selection of cues predicting threatening events. However, exposure to extreme threatening situation can compromise the selection of the correct cues. In particular, selection of a salient not necessarily predictive cue, associated with declarative amnesia for peritraumatic contextual cues, characterizes the memory disturbances of posttraumatic stress disorder (PTSD). Accumulating evidence suggest that action of glucocorticoids into the hippocampus could be a potential mechanism for PTSD- related memory disturbances. Hence, we studied the conditions for which glucocorticoids into the hippocampus can alter memory functions in mice. Using Pavlovian fear conditioning, we showed that post-training infusion of glucocorticoids in the dorsal hippocampus, in stressful situation, resulted in (1) selection of a salient non predictive cue instead of contextual cues and in (2) dysfunctions of neural activity of the hippocampal-amygdalar circuit (c-Fos expression). Interestingly, via action on the same receptor subtype (glucocorticoid receptors, GR), infusion of glucocorticoids in the ventral hippocampus also resulted in incorrect selection of predictive cue but in favor of contextual cues. Finally, using radial-maze task, we showed that infusion of glucocorticoids in the dorsal hippocampus specifically impaired relational declarative-like memory, only in mice previously exposed to stress. Altogether, our findings reveal that excess glucocorticoids in the hippocampus contributes to (1) deficits in emotional and relational memories, (2) incorrect selection of predictive cues (3) based to dysfunctions of the hippocampal-amygdalar circuit, all, corresponding to PTSD-related memory disturbances.

Key words: fear conditioning, emotional intensity, consolidation, relational memory, mice, hippocampus, amygdala, stress, glucocorticoids, GR, immediate early genes.

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