Neurophysiologie : circuits neuronaux
Circuits oscillants et oscillations neuronales
Rythme thêta (θ)

Ces oscillations sont observées dans différentes régions cérébrales, dont :

• la formation hippocampique, en particulier l'hippocampe proprement dit,
• la formation parahippocampique, en particulier le cortex entorhinal,
• le cortex préfrontal médial (mPFC).

Dans la formation hippocampique, le rythme thêta constitue l'un des principaux modes d'organisation temporelle de l'activité neuronale et est impliqué  :

• la mémoire,
• l’apprentissage,
• la navigation spatiale.

Caractéristiques électrophysiologiques du rythme thêta

Un cycle thêta correspond à une oscillation complète du potentiel de champ local (LFP), qui reflète l'activité électrique collective de populations neuronales, par exemple entre deux sommets successifs de l'onde.

• À une fréquence de 8 Hz, le signal effectue huit oscillations par seconde.
• Chaque cycle dure donc 125 millisecondes.

La phase permet de situer un moment précis à l'intérieur d'un cycle.

• Par convention, un cycle complet représente 360°.
• Si l'on prend un sommet de l'onde comme point de départ (0°), le sommet suivant correspond à 360° et le point situé à mi-chemin dans le temps correspond à 180°.

Fréquence et variations du rythme thêta selon les espèces

1. Chez le rat, espèce qui constitue le principal modèle expérimental d'étude du rythme thêta hippocampique, et chez la souris, le rythme thêta présente généralement une fréquence comprise entre 4 et 12 Hz.

On distingue classiquement deux formes de rythme thêta (Harnessing the power of theta: natural manipulations of cognitive performance during hippocampal theta-contingent eyeblink conditioning 2015).

a. Le rythme thêta de type I, relativement résistant à l'atropine, est associé :

• à la locomotion, avec une activité particulièrement marquée autour de 6 à 10 Hz,

Pendant la locomotion, la fréquence du rythme thêta augmente généralement avec la vitesse de déplacement, tandis que son amplitude et sa régularité varient selon l'état comportemental et les conditions expérimentales.

• aux mouvements volontaires,
• au sommeil paradoxal (SP ou REM).

b. Le rythme thêta de type II, sensible à l'atropine, peut être observé :

• lors de périodes d'immobilité vigilante,
• lors du traitement de certaines informations sensorielles (The modulation of hippocampal theta rhythm by the vestibular system 2018).

c. Cette distinction pharmacologique ne correspond toutefois pas à deux systèmes oscillatoires totalement indépendants.

2. Chez l'homme et les autres primates, les oscillations hippocampiques thêta sont généralement moins continues, souvent plus lentes et plus variables que chez les rongeurs.

Des activités, souvent comprises entre 2 et 8 Hz sont décrites, sous forme d'épisodes oscillatoires associés :

• aux tâches mnésiques,
• à la navigation spatiale.

Organisation électrophysiologique

1. Le rythme thêta ne correspond pas à une oscillation uniforme dans l'ensemble de la formation hippocampique, mais, son amplitude et sa phase varient selon les régions et les couches cellulaires ( couches de l'hippocampe).

Dans CA1, les enregistrements laminaires mettent en évidence des différences de phase entre les couches cellulaires, liées à la distribution des entrées synaptiques et des courants électriques qui en résultent.

2. L'activité des neurones pyramidaux de CA1 à CA3 et des interneurones répartis dans les différentes couches hippocampiques est modulée par la phase du cycle thêta.

Différentes populations neuronales présentent des phases préférentielles de décharge, contribuant à l'organisation temporelle des activités excitatrices et inhibitrices.

Mécanismes de génération des activités rythmiques

Le rythme thêta hippocampique résulte de l'activité de plusieurs circuits neuronaux interconnectés, qui produisent des variations rythmiques des courants électriques au sein de la formation hippocampique (The Theta Rhythm of the Hippocampus: From Neuronal and Circuit Mechanisms to Behavior 2021).

Deux ensembles de mécanismes contribuent à sa génération :

• les mécanismes septaux, impliquant le noyau septal médial et la bande diagonale de Broca,
• les mécanismes hippocampiques et entorhinaux, reposant sur les propriétés électriques des neurones et leurs interactions synaptiques.

Rôle du septum médial

Le septum médial, associé à la bande diagonale de Broca (dBB), constitue un élément majeur du contrôle des oscillations hippocampiques (Septo–hippocampal interaction 2017).

1. Ses projections septohippocampiques comprennent trois grandes populations neuronales.

a. Les neurones GABAergiques, dont une partie exprime la parvalbumine, jouent un rôle déterminant dans l'organisation temporelle du rythme thêta en contrôlant rythmiquement l'activité des interneurones hippocampiques et en contribuant ainsi à la synchronisation des circuits inhibiteurs hippocampiques.

b. Les neurones cholinergiques exercent davantage une fonction modulatrice qu'un rôle de générateur rythmique direct, en intervanant dans la régulation de :

• l'excitabilité neuronale,
• la transmission synaptique,
• les propriétés des oscillations thêta.

c. Les neurones glutamatergiques sont impliqués dans la dynamique des réseaux septaux, la locomotion et la régulation des oscillations hippocampiques.

2. L'activité du septum médial est elle-même modulée par des afférences issues du tronc cérébral et de l'hypothalamus, en relation avec les états de vigilance et l'activité locomotrice.

Mécanismes hippocampiques et entorhinaux

Les réseaux hippocampiques possèdent des propriétés intrinsèques contribuant à la production et à l'entretien des oscillations thêta.

1. Ces propriétés reposent sur :

• les courants ioniques membranaires qui favorisent la résonance des neurones aux basses fréquences,
• les interactions synaptiques entre neurones excitateurs et interneurones inhibiteurs.

2. Ces mécanismes locaux interagissent avec les afférences rythmiques septales et entorhinales, qui modulent l'excitabilité et l'activité des populations neuronales hippocampiques.

Le cortex entorhinal, en particulier sa division médiale (MEC), présente lui-même une activité thêta importante.

Ses interactions avec la formation hippocampique contribuent à la coordination temporelle des activités neuronales impliquées dans le traitement des informations spatiales et sensorielles ( représentations).

Précession de phase thêta et organisation temporelle de l'activité neuronale

Le rythme thêta intervient dans l'organisation temporelle des décharges neuronales à plusieurs échelles :

• celle des potentiels d'action,
• des assemblées neuronales,
• des interactions entre rythmes de fréquences différentes.

1. La précession de phase thêta (theta phase precession) est un phénomène dans lequel un neurone émet ses potentiels d'action de plus en plus tôt au cours des cycles successifs du rythme thêta, qui reflète l'activité électrique collective de populations neuronales, et non celle du neurone considéré isolément.

• Par exemple, lorsqu'un rat traverse le champ de lieu d'une cellule de lieu hippocampique, cele-ci décharge d'abord vers la fin d'un cycle thêta, puis vers le milieu des cycles suivants et enfin vers leur début.
• La précession correspond donc à ce déplacement progressif des décharges vers des phases plus précoces du rythme thêta, à mesure que l'animal avance dans le champ de lieu.

Remarque : la précession de phase a également été observée dans certaines populations neuronales du cortex entorhinal.

2. Par exemple, lorsqu'un rat se déplace, il traverse successivement les champs de lieu de plusieurs neurones hippocampiques, correspondant ici à trois positions A, B et C (The Neurobiology of Mammalian Navigation 2018).

a. Ces neurones s'activent donc les uns après les autres, selon la position de l'animal et le déplacement entre ces trois positions qui peut prendre plusieurs secondes.

b. Cependant, leurs périodes d'activité peuvent se chevaucher et, grâce à la précession du rythme théta, les potentiels d'action de ces trois neurones peuvent se succéder au cours d'un même cycle thêta, qui dure environ 125 millisecondes à 8 Hz, dans l'ordre A, puis B, puis C.

3. La compression temporelle est un phénomène par lequel une succession d'événements qui se déroulent sur une période relativement longue est représentée par une séquence de décharges neuronales beaucoup plus courte, tout en conservant leur ordre de succession.

a Les connexions synaptiques entre deux neurones peuvent être renforcées lorsque leurs potentiels d'action se produisent à des intervalles de temps suffisamment courts.

b. Ce renforcement peut également dépendre de l'ordre de leurs décharges.

• Lorsque les cellules correspondant aux positions A, B et C déchargent rapidement et dans cet ordre, les mécanismes de plasticité synaptique peuvent favoriser l'association de leurs activités.
• Cette succession rapide pourrait ainsi faciliter l'apprentissage de l'ordre des positions parcourues par l'animal, donc du trajet effectué.

Rythme thêta et fonctions physiologiques

Mémoire et apprentissage

Les oscillations thêta participent à l'organisation temporelle et séquentielle des activités neuronales associées à la mémoire.

Elles sont également associées à plusieurs opérations de la mémoire déclarative, en particulier lorsque les tâches nécessitent l'intégration d'informations spatiales, contextuelles ou temporelles.

1. Selon un modèle fonctionnel, différentes phases du cycle thêta pourraient favoriser alternativement (Theta rhythm and the encoding and retrieval of space and time 2013) :

• l'encodage de nouvelles informations provenant du cortex entorhinal,
• la récupération de représentations hippocampiques, en particulier par les connexions de CA3 vers CA1 pra les collatérales de Schaffer.

Cette alternance serait liée aux variations de l'excitabilité neuronale et de l'influence des différentes entrées synaptiques au cours du cycle thêta.

Elle constitue une hypothèse physiologique et non une séparation stricte entre encodage et récupération.

2. La synchronisation des oscillations thêta entre l'hippocampe et le cortex préfrontal médial (mPFC). peut augmenter pendant certaines tâches de mémoire de travail (Theta Rhythms Coordinate Hippocampal–Prefrontal Interactions in a Spatial Memory Task 2005).

Cette synchronisation pourrait contribuer à la coordination temporelle des échanges d'informations entre ces deux régions.

Représentations spatiales et temporelles

Dans les réseaux hippocampiques et parahippocampiques, le rythme thêta contribue à organiser temporellement l'activité des cellules impliquées dans la représentation de l'espace ( représentations spatiales).

1. La précession de phase des cellules de lieu permet de relier la position de l'animal à une organisation séquentielle des décharges neuronales.

Les interactions entre les cellules de lieu hippocampiques, les cellules de grille entorhinales et les autres populations spécialisées participent à la construction et à l'actualisation des représentations spatiales.

2. Le rythme thêta intervient également dans la coordination de séquences neuronales représentant des événements successifs, y compris en l'absence de déplacement effectif.

• Il fournit ainsi un cadre temporel susceptible de contribuer à l'organisation des relations entre événements, sans constituer à lui seul un mécanisme complet de représentation du temps.

Cette organisation temporelle est étudiée, entre autres, dans les populations de cellules de temps hippocampiques, dont les décharges surviennent à différents moments d'un intervalle temporel.

Plasticité synaptique

1. Le rythme thêta influence les conditions d'induction de la plasticité synaptique de la formation hippocampique.

a. Dans certaines conditions expérimentales, l'effet d'une stimulation synaptique dépend de sa position dans le cycle thêta :

• certaines phases favorisent la potentialisation à long terme (PLT),
• des phases opposées peuvent favoriser la dépression à long terme (DLT).

b. Le pic et le creux d'une oscillation thêta sont séparés d'environ 180°, soit une demi-période.

• Selon la convention choisie, ils correspondent respectivement à 0° et 180°.
• Dans certaines expériences hippocampiques, une stimulation appliquée près du pic favorise la PLT, tandis qu'une stimulation près du creux favorise la DLT.

c. Cette dépendance à la phase résulte des variations cycliques de l'excitabilité neuronale, de l'inhibition et des conditions d'activation des récepteurs et mécanismes intracellulaires impliqués dans la plasticité.

2. Le rythme thêta peut également favoriser la plasticité dépendant du temps des potentiels d'action (spike-timing-dependent plasticity, STDP).

En coordonnant les décharges neuronales, il peut favoriser des intervalles temporels entre les activités présynaptiques et postsynaptiques compatibles avec l'induction de cette plasticité.

Couplages du rythme thêta avec les autres oscillations neuronales

1. Les oscillations thêta peuvent présenter des couplages avec d'autres activités oscillatoires, selon différentes modalités.

• Dans le couplage phase-phase, les phases des oscillations thêta enregistrées dans différents réseaux neuronaux peuvent présenter des relations temporelles relativement stables, comme entre l'hippocampe et le cortex préfrontal médial,
• Dans le couplage phase-amplitude, l'amplitude d'oscillations plus rapides, comme les rythmes bêta ou gamma, peut varier en fonction de la phase du rythme thêta.

2. Dans les réseaux hippocampiques et entorhinaux, les rythmes thêta et gamma peuvent présenter un couplage phase-amplitude (The role of phase synchronization in memory processes 2011 et Hippocampal-prefrontal theta-gamma coupling during performance of a spatial working memory task 2017).

a. Le rythme gamma (γ) est une oscillation de fréquence plus élevée que le rythme thêta, généralement comprise entre 30 et 100 Hz (Theta-Gamma Cross- Frequency Analyses (Hippocampus) 2017).

• Dans le couplage thêta-gamma, l'amplitude des oscillations gamma varie en fonction de la phase du rythme thêta.
• Les oscillations gamma peuvent être plus fortes à certaines phases du rythme thêta et plus faibles à d'autres.

b. Le couplage thêta-gamma pourrait contribuer à organiser les séquences d'activations neuronales dans la formation hippocampique.

• Selon cette hypothèse, les épisodes gamma successifs au cours d'un cycle thêta constitueraient des fenêtres temporelles permettant d'activer différentes populations neuronales dans un ordre déterminé.
• La précession de phase permet aux décharges des cellules de lieu A, B et C dans l'exemple décrit plus haut de se succéder dans un intervalle de temps réduit.

Selon l'hypothèse du couplage thêta-gamma, les épisodes gamma pourraient contribuer à organiser ces décharges en groupes temporels distincts.

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