Évolution des circuits moteur chez les vertébrés/ Evolution of motor circuits in vertebrate species

Séminaire organisé par Claire Wyart, Joana Guedes et Ruben Portugues du 12 au 17 septembre 2022.

Participants

Andrew BASS (Harvard University, USA), Kevin BRIGGMAN (Max Planck Institute for Neurobiology of Behavior, Allemagne), Martin CARBO-TANO (Institut du Cerveau, Paris, France), Boris CHAGNAUD (Université de Graz, Autriche), Jeremy S. DASEN (NYU School of Medicine, USA), Kevin FIDELIN (Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research, Suisse), Antonia GRONEBERG (Hôpital de la Charité, Berlin, Allemagne), Moritz GROSSE-WENTRUP (Université de Vienne, Autriche), Joana GUEDES (Institut du Cerveau, Paris, France), Li-Ju HSU (Karolinska Institute, Stockholm, Suède), Michael ORGER (Champalimaud Centre for the Unknown, Lisbonne, Portugal), Ruben PORTUGUES (Technical University of Munich, Allemagne), Dimitri RYCZKO (Université de Sherbrooke, Canada), Hans STRAKA (Université de Ludwig-Maximilians (LMU), Allemagne), Lora SWEENEY  (Institute of Science and Technology (ISTA), Autriche), Claire WYART (Institut du Cerveau, Paris), Li ZHAOPING (Max Planck Institute for Biological Cybernetics – Tuebingen, Allemagne)

Résumé

Les systèmes moteurs permettent aux animaux de se déplacer et d’interagir avec leur environnement. Ces systèmes présentent des similitudes de fonctionnement entre les espèces, mais sont adaptés aux besoins spécifiques de chaque espèce. Si la locomotion est une caractéristique essentielle de la vie animale, elle prend des formes différentes selon les habitats naturels : alors que les animaux dans l’eau nagent, d’autres sur terre rampent, marchent ou volent dans les airs. Dans tous les cas, la locomotion repose sur l’activité oscillatoire de motoneurones qui contrôlent les contractions des muscles squelettiques. Des études comparatives ont révélé une remarquable conservation de la configuration des circuits moteurs des vertébrés, ce qui soulève la question de savoir comment la composition et l’architecture des circuits moteurs ont évolué au sein de lignées cellulaires spécifiques à partir d’un ancêtre nageur.  L’étude de la façon dont les systèmes moteurs résolvent des problèmes chez des espèces ayant des contraintes environnementales différentes est une occasion unique de comprendre comment les circuits ont évolué pour générer des comportements moteurs. Du 12 au 17 septembre 2022, un groupe de scientifiques experts en physiologie, génétique moléculaire, comportement ou neurosciences des systèmes dans le domaine de la motricité se sont réunis aux Treilles, en provenance d’Europe, des Etats-Unis et du Canada. Ils ont discuté et partagé leurs connaissances sur les fondements, la structure, la dynamique et la polyvalence des systèmes moteurs chez les vertébrés. Ils ont fait un brainstorming pour identifier les questions ouvertes qui aideront à résoudre les principes fondamentaux qui sous-tendent le contrôle moteur en mettant l’accent sur la navigation, la coordination des parties du corps et l’organisation des circuits dans le tronc cérébral. La diversité des idées, techniques, modèles et approches présentés a permis des discussions stimulantes et un échange de connaissances approfondi entre les participants. Les interactions permettront de futures collaborations entre les participants, qui ont déjà exprimé le désir d’organiser une réunion similaire à l’avenir aux Treilles, afin de continuer à faire avancer le domaine.

Abstract

Motor systems allow animals to move and interact with their environment. These systems share similarities in function across species but are tailored to species-specific needs. Although locomotion is an essential characteristic of animal life, it takes different forms according to the natural habitats: while animals in the water swim, others on earth crawl, walk or fly in the air. In all cases, locomotion relies on the oscillatory activity of motor neurons that control the contractions of skeletal muscles. Comparative studies have revealed a remarkable conservation in the patterning of vertebrate motor circuits, raising the question of how the composition and architecture of motor circuits have evolved within specific cell lineages from a swimming ancestor.  Studying how motor systems solve problems across species with different environmental constraints is a unique opportunity to understand how circuits have evolved to generate motor behaviours. From 12 to 17 September 2022, a group of diverse scientists expert in physiology, molecular genetics, behavior or system neuroscience in the motor field have come together from Europe, the USA and Canada, to gather in Les Treilles. They discussed and shared their knowledge on the foundation, structure, dynamics and versatility of motor systems across vertebrate species. They brainstormed ideas to identify open questions that will help solving the fundamental principles underlying motor control with a focus of navigation, coordination of body parts and organization of circuits in the brainstem. The diversity of ideas, techniques, models and approaches presented allowed for stimulating discussions and deep knowledge exchange between participants. The interactions will enable future collaborations between the participants, who already expressed the desire to organize a similar meeting in the future in Les Treilles, to continuing advancing the field. 

 

Compte rendu

Les fonctions motrices – l’essence de la vie animale

Les organisateurs, Claire Wyart (Institut du Cerveau, France) et Ruben Portugues (Technical University Munich, Allemagne), ont lancé le séminaire en présentant les objectifs de la réunion et les perspectives d’évolution du domaine des circuits moteurs. Ils ont abordé les circuits contrôlant la locomotion en mettant l’accent sur le tronc cérébral, les entrées sensorielles, la navigation, et ont posé la question de savoir ce que nous pouvons apprendre dans différents modèles génétiques en comparant des classes de neurones définies au niveau moléculaire afin de mieux comprendre la structure et les fonctions de base telles que la vitesse et l’amplitude du mouvement.

Certaines des questions ouvertes partagées avec le groupe étaient les suivantes :

• Comment relier la physiologie cellulaire et l’identité moléculaire ?
• Qu’est-ce qui définit un module ? – Type de bout, cinétique et posture, coordination des yeux, de la tête et de la queue.
• Quelles sont les règles de sélection des actions qui régissent la navigation ?
• Comment perturber dynamiquement l’activité des composants du circuit moteur ?
• Comment se déroule l’apprentissage moteur ?
• Comment les circuits moteurs peuvent-ils se régénérer ?

La réunion a ensuite été organisée en sessions où chaque participant a eu l’opportunité de présenter l’ensemble de ses travaux ainsi que de soulever des questions ouvertes majeures et de suggérer des ponts/opportunités pour le domaine.

La première communication a été faite par Zhaoping Li (Max Planck Institute for Biological Cybernetics – Tuebingen, Allemagne) sur la Modélisation mathématique du circuit neuronal de la locomotion chez la lamproie : des neurones, aux segments, au réseau et au contrôle. Zhaoping a parlé d’un modèle de générateur de motifs central (CPG) de la colonne vertébrale et a exprimé son intérêt pour la mise en relation avec des collaborateurs expérimentaux et pour l’inclusion d’une entrée/rétroaction sensorielle dans sa modélisation.

Dimitri Ryczko (Université de Sherbrooke, Canada) a présenté ses travaux sur Le contrôle moteur chez la lamproie, la salamandre et la souris. Le CPG était une fois de plus au centre de l’exposé, qui comprenait également ses travaux sur la région locomotrice mésencéphalique (MLR) et dans des modèles de la maladie de Parkinson et de lésions de la moelle épinière.

Dans l’après-midi, Lora Sweeney (Institute of Science and Technology (IST), Autriche) a présenté un exposé sur Le développement et l’évolution des circuits moteurs des tétrapodes, en se concentrant sur la manière dont la composition du circuit moteur, au niveau moléculaire, peut façonner l’activité du circuit moteur et donc le comportement moteur.

L’organisatrice Claire Wyart a présenté un exposé sur Le contrôle moteur chez les vertébrés, dans lequel elle a abordé la question du retour sensoriel et des commandes descendantes chez le poisson zèbre, en particulier ses travaux sur l’interface sensorielle entre le système nerveux et le liquide céphalorachidien (CSF), qui module la posture et les mouvements.

Michael Orger (Champalimaud Centre for the Unknown, Portugal) a exposé Une analyse comparative de la locomotion chez les larves de poisson, en considérant le poisson zèbre, Danionella et Danio géant comme des modèles de recherche précieux, pour essayer de comprendre comment la relation entre le comportement, l’anatomie et la structure des circuits neuronaux sous-jacents dans des organismes similaires, peut fournir des bases pour de futurs travaux de recherche en neuroéthologie.

La deuxième journée du séminaire a débuté avec Boris Chagnaud (KFU Graz, Autriche) qui a présenté l’exposé D’un CPG à l’autre – mise en place de nouveaux circuits neuronaux, en mettant l’accent sur ses travaux visant à comprendre comment les circuits neuronaux génèrent des comportements moteurs complexes. Il a présenté un exposé sur la production de sons et la génération de motifs vocaux, ainsi qu’une approche comparative de l’évolution des circuits neuronaux.

Hans Straka (Ludwig Maximilian University (LMU) Munich, Allemagne) a présenté l’interaction entre les copies d’efférence locomotrice et les signaux sensoriels liés au mouvement. Hans a parlé de ses travaux chez les têtards de Xenopus sur la transformation sensori-motrice, le contrôle du regard, la locomotion, la plasticité développementale et les circuits vestibulaires.

L’intervention de l’organisateur Ruben Portugues portait sur Les copies d’efférence et la navigation chez le poisson zèbre. Ruben a expliqué comment son groupe utilise le comportement, la modélisation, l’optogénétique, l’électrophysiologie et l’imagerie calcique fonctionnelle du cerveau entier pour disséquer l’intégration sensorimotrice et l’apprentissage moteur.

Moritz Grosse-Wentrup (Université de Vienne, Autriche) a présenté un exposé intitulé Determiner le lien entre l’activité neuronale et la cognition par la modélisation causale multiniveau. En apportant l’informatique à la réunion, Moritz a expliqué comment il développe des méthodes d’apprentissage automatique qui infèrent des relations causales à partir de données d’observation, afin d’étudier comment les processus neuronaux génèrent la cognition et le comportement.

Kevin Briggman (Max Planck Institute for Neurobiology of Behavior – Caesar, Allemagne) a présenté LaConnectomique dans les circuits visuels/moteurs de Danionella, du poisson zèbre et du xénope. Kevin a expliqué comment son groupe utilise des techniques expérimentales à grande échelle telles que la microscopie électronique à balayage (SEM) et la microscopie électronique 3D, mais aussi l’imagerie à résolution cellulaire des populations neuronales et la modélisation computationnelle pour comprendre comment les circuits du système nerveux contrôlent le comportement animal.

L’exposé de Jeremy Dasen (NYU Langone Health, États-Unis) sur L’évolution et la diversification des circuits locomoteurs des vertébrés était focalisé sur le développement. Jeremy a expliqué l’utilisation de manipulations et d’outils génétiques chez la souris et d’autres modèles pour définir comment l’identité neuronale et les éléments moléculaires individuels influencent l’assemblage des circuits neuronaux.

Le point de vue des jeunes chercheurs

La matinée du troisième jour du séminaire a été entièrement consacrée aux travaux et perspectives de quatre jeunes chercheurs dans le domaine scientifique.

Antonia Groneberg (Charité, Allemagne) a présenté ses travaux sur La production de sons dans le cerveau de Danionella et son intérêt pour une approche comparative et pour le couplage des systèmes locomoteurs et vocaux.

Kevin Fidelin (Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research (FMI), Suisse) a fait une présentation sur La cartographie des circuits neuronaux contrôlant les mouvements des membres antérieurs : aperçu du noyau rouge de la souris. Il a présenté ses travaux sur l’organisation anatomique et fonctionnelle des circuits du noyau rouge et leur lien avec le contrôle des mouvements.

La présentation de Martin Carbo-Tano (Institut du Cerveau, France) sur La région locomotrice mésencéphalique et les neurones réticulospinaux a mis en évidence ses travaux sur la découverte de la région locomotrice mésencéphalique chez le poisson zèbre larvaire et la manière dont elle contrôle la locomotion avant.

Enfin, Li-Ju Hsu (Karolinska Institute, Suède) a présenté un exposé sur Les circuits du tronc cérébral et de la moelle épinière contrôlant la posture et la locomotion. Elle a parlé des études du laboratoire sur les lamproies, les souris et les lapins et de ses travaux sur la dynamique du fonctionnement du réseau locomoteur du tronc cérébral à la moelle épinière en temps réel, qui révèlent une composition distincte en couches des circuits locomoteurs spinaux.

Le dernier exposé du séminaire a été donné par le leader mondial de l’étude des circuits moteurs vocaux chez les poissons, Andy Bass (Cornell University, USA). Andy a présenté l’exposé : Un motif de circuit pour la sélection et le modelage du comportement vocal dépendant du contexte, et a donné un aperçu du travail de son laboratoire et de la façon dont il utilise l’électrophysiologie et les techniques pharmacologiques pour localiser, stimuler et enregistrer les régions cérébrales fondamentales du circuit moteur vocal dans différents modèles de poissons.

 

Réunir les experts du domaine moteur pour créer un réseau interdisciplinaire

Le dernier jour de la réunion a été consacré à l’établissement de normes communes, à l’identification de nouvelles possibilités et à la définition de l’orientation future du domaine scientifique. Tous les participants ont présenté un projet qui pourrait être réalisé en collaboration, tout en reliant les recherches sur les circuits moteurs des différents laboratoires.

L’objectif est que ce séminaire et les réunions futures fassent émerger un réseau de collaboration international, interdisciplinaire et multi-espèces, afin d’aborder les principales questions dans le domaine scientifique de l’identité moléculaire, de la connectivité, de la dynamique, de l’organisation des commandes descendantes, du retour sensoriel, des voies ascendantes et de la modélisation.

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