Le cervelet et l’apprentissage vocal : ce que nous apprennent les oiseaux
Comme les enfants, les jeunes oiseaux apprennent leurs vocalisations en imitant les adultes. Des circuits cérébraux similaires sont impliqués dans cet apprentissage chez l’enfant et l’oiseau chanteur. Cependant, une région cérébrale dont le rôle reste mal connu, le cervelet, n’avait jusque-là pas été étudié chez l’oiseau. Une étude récente, publiée dans la revue eLife, met pour la première fois en lumière une implication du cervelet dans l’acquisition du chant, révélant ses connections avec le reste du circuit lié au chant.
Chez l’Homme, l’apprentissage de la parole se réalise par imitation : les enfants imitent le discours des adultes présents autour d'eux. Au fil du temps, les enfants apprennent à coordonner les mouvements de leurs cordes vocales et des muscles respiratoires pour produire des sons spécifiques, de plus en plus ressemblant au discours des adultes. Les oiseaux chanteurs (passereaux) juvéniles utilisent un processus similaire lorsqu’ils apprennent à chanter. Les oisillons imitent les oiseaux adultes et apprennent à en reproduire les sons pour ensuite produire leur propre chant. Les études scientifiques visant à déterminer les processus sous-jacents à l’apprentissage et à la production de la parole chez l’Homme ont révélé que les circuits neuronaux nécessaires à l'apprentissage vocal chez le nourrisson et le jeune oiseau sont composés de régions cérébrales analogues. De ce fait, l’oiseau chanteur est donc utilisé comme modèle animal pour étudier le rôle du cerveau dans l’apprentissage vocal.
Parmi les zones cérébrales impliquées dans ces circuits liés à l’apprentissage vocal, on connaissait déjà l’importance de certaines zones du cortex, la couche la plus externe du cerveau des mammifères, ainsi que plusieurs structures cérébrales profondes, comme les ganglions de la base, un ensemble de structures qui participent à la motricité fine, et le thalamus. Une autre structure cérébrale profonde, connue sous le nom de cervelet (ou « petit cerveau »), participe à l’apprentissage moteur et semble impliqué dans taches linguistiques chez l’Homme, mais son rôle dans les processus d’apprentissage du chant chez l’oiseau chanteur restait inconnu. Des études anatomiques antérieures avaient suggéré un lien entre le cervelet et les circuits liés à l’apprentissage du chant, notamment dans les ganglions de la base. En revanche, un rôle direct et fonctionnel du cervelet, et de ses interconnexions avec d’autres structures, dans le chant des oiseaux chanteurs n'avait jamais été démontré auparavant.
Les chercheurs ont donc déterminé d’une part l’implication du cervelet dans le réseau neuronal du chant à l’aide d’enregistrements électrophysiologiques, et d’autre part la contribution du cervelet dans le processus d’apprentissage du chant grâce à des analyses comportementales à la suite de lésions dans le cervelet.
Ce travail de recherche fondamentale démontre que la stimulation du cervelet active les neurones des ganglions de la base impliqués dans l'apprentissage du chant chez le Diamant Mandarin anesthésié. Cette activation des neurones des ganglions de la base, après stimulation du cervelet, se propage ensuite jusqu’aux neurones prémoteurs contrôlant les cordes vocales, par l’intermédiaire du circuit lié à l’apprentissage du chant. Ceci est donc la première étude démontrant une voie fonctionnelle entre cervelet et ganglions de la base par laquelle le cervelet est capable de moduler les neurones prémoteurs relatif à l’apprentissage du chant. De plus, des lésions partielles dans les voies de sortie du cervelet chez les oisillons entraînent un déficit dans l’imitation du chant adulte, ainsi qu’une modification durable de la durée des syllabes chantées.
Cet article constitue la première preuve directe du rôle du cervelet dans l'acquisition et la production du chant chez l’oiseau chanteur. Au-delà de l'apprentissage vocal, ses résultats mettent en lumière les circuits qui favorisent l'apprentissage moteur en général. Ils suggèrent également que nous pouvons maintenant utiliser l’oiseau chanteur comme modèle animal pour étudier le cervelet et ses interactions fonctionnelles avec les ganglions de la base pendant un apprentissage sensorimoteur. Des interactions anormales entre ces régions cérébrales ont été recensées dans différents troubles du mouvement tels que la maladie de Parkinson ou les dystonies. L'étude de ces interactions dans le cerveau sain, notamment chez l’oiseau, pourra fournir des indices sur les dysfonctionnements à l'origine de ces pathologies.
Gauche : Circuit du réseau dédié à l’apprentissage et à la production du chant chez le mandarin, schématiquement représenté sur une coupe sagittale de cerveau. En noir, la voie motrice qui contrôle la production du chant. Cette voie contient deux noyaux du pallium (analogue du cortex chez l’oiseau) et leurs projections vers les muscles du syrinx et de la respiration via les motoneurones du tronc cérébrale. En rouge, la boucle des ganglions de la base, nécessaire à l’acquisition du chant chez le jeune et sa plasticité chez l’adulte. En vert, la voie cervelet-thalamus-ganglions de la base mise en évidence par Pidoux et al., 2018 qui participe à l’apprentissage du chant.
Milieu, bas : Image de microscopie confocale révélant des contacts entre les fibres en provenance du cervelet (magenta) et le corp cellulaire (vert, entouré d’un rectangle blanc) d’un neurone thalamique se projetant sur la zone relative au chant des ganglions de la base. Barre d’échelle : 100 um.
Droite, haut : réponse d’un neurone des ganglions de la base relatif au chant à la stimulation électrique du cervelet. L’activité moyenne du neurone à la suite de la stimulation (t=0) est représentée au cours du temps.
Droite, bas : Des lésions partielles dans les noyaux profonds cérébelleux (voies de sortie du cervelet) entraînent un déficit d’apprentissage. L’imitation, quantifiée en comparant les vocalisations du jeune en fin d’apprentissage à celle de son tuteur, est moins bonne chez les sujets lésés que chez des sujets ayant subi une opération similaire mais dont le cervelet est intact.
© Arthur Leblois
Pour en savoir plus :
A subcortical circuit linking the cerebellum to the basal ganglia engaged in vocal learning.
Pidoux L, Le Blanc P, Levenes C, Leblois A.
Elife. 2018 Jul 25;7. pii: e32167. doi: 10.7554/eLife.32167.