Imagerie corticale des dynamiques de libération d’acétylcholine et d’activité neuronale en réponse à un environnement visuel dynamique virtuel chez la souris

Abstract

Introduction : L’acétylcholine (ACh), un puissant neuromodulateur du système nerveux central, joue un rôle essentiel dans le traitement visuel, l’attention et la flexibilité cognitive. La plupart des études ont utilisé des stimuli standards, mais l’avancée des outils de réalité virtuelle (RV) est prometteuse pour mieux élucider la dynamique de ce neurotransmetteur dans les comportements guidés visuellement. L’objectif principal est d’identifier comment les environnements dynamiques de RV influencent différemment les mécanismes cholinergiques par rapport aux stimuli standards. Ces découvertes pourraient révolutionner les stratégies de traitement des troubles cognitifs et offrir de nouvelles perspectives afin d’utiliser la RV dans la réhabilitation visuelle. Méthodes : L’activité cholinergique de 10 souris éveillées gACh-3.0 administrées par AAV a été comparée à l’activité calcique de 10 souris Thy1-GCaMP6s en utilisant l’imagerie mésoscopique à champ large. Deux moniteurs affichaient deux types de stimulations. Le premier type affichait un réseau sinusoïdal avec des contrastes variables (0 %, 30 %, 50 %, 75 % ou 100 %). Chaque contraste était montré pendant 2 secondes (s), suivi d’une période de repos de 8 s. Le second type consistait en deux séquences RV en mouvement (« Sham », sans stimulation, et « Stim », avec stimulation), présentées de manière aléatoire. La libération d’ACh et les réponses corticales calciques (ΔF/F) ont été mesurées dans 12 zones différentes (incluant l’hémisphère droit et gauche de chaque région), dont le cortex visuel primaire (V1). Résultats : Pendant la stimulation par réseau sinusoïdal, les résultats ont montré que l’activité neuronale et cholinergique des deux groupes de souris augmentait avec le contraste. En RV, pour le groupe Thy1-GCaMP6s, les amplitudes restaient relativement similaires entre les phases et les deux conditions, sans variations significatives. Pour le groupe gACh-3.0, l’amplitude maximale des signaux augmente pendant la période pré et post-stimulation dans la condition « Stim » significativement par rapport à la période pendant la stimulation. Conclusion : La stimulation visuelle en RV implique des réponses robustes et spécifiques de l’ACh.Le capteur gACh-3.0 montre une réponse plus dynamique et spécifique à la stimulation avec une modulation cholinergique plus marquée par rapport au capteur Thy1-GCaMP6s qui présente des amplitudes relativement stables. Le gACh-3.0 relève des variations significatives mettant en évidence sa grande sensibilité à l’activité cholinergique. Ces recherches pourraient permettre d’exploiter la RV pour développer de nouvelles thérapies ciblées ainsi que des stratégies d’apprentissage. Introduction: Acetylcholine (ACh), a powerful neuromodulator of the central nervous system, plays an essential role in visual processing, attention, and cognitive flexibility. Most studies have used standard stimuli but advances in virtual reality (VR) tools hold promise for better elucidating the dynamics of this neurotransmitter in visually guided behaviors. The main aim is to identify how dynamic VR environments influence cholinergic mechanisms differently from standard stimuli. These findings could revolutionize treatment strategies for cognitive disorders and offer new perspectives for using VR in visual rehabilitation. Methods: Cholinergic activity in 10 awake AAV-administered gACh-3.0 mice was compared with calcium activity in 10 Thy1-GCaMP6s mice using wide-field mesoscopic imaging. Two monitors displayed two types of stimulation. The first type displayed a sinusoidal grating with variable contrasts (0%, 30%, 50%, 75%, or 100%). Each contrast was shown for 2 seconds (s), followed by an 8-s rest period. The second type consisted of two moving VR sequences (“Sham”, without stimulation, and “Stim”, with stimulation), presented randomly. ACh release and cortical calcium responses (ΔF/F) were measured in 12 different areas (including the right and left hemispheres of each region), including the primary visual cortex (V1). Results: During sinusoidal grating stimulation, the results showed that neuronal and cholinergic activity in both groups of mice increased with higher contrast. In the VR condition, the Thy1-GCaMP6s group exhibited relatively consistent amplitudes across phases and conditions, with no significant variations. However, in the gACh-3.0 group, maximum signal amplitudes were significantly higher during the pre- and post-stimulation periods in the "Stim" condition, compared to the period during stimulation. Conclusion: Visual stimulation in VR involves robust and specific ACh responses. The gACh-3.0 sensor shows a more dynamic and specific response to stimulation, with more marked cholinergic modulation than the Thy1-GCaMP6s sensor, which exhibits relatively stable amplitudes. The gACh-3.0 shows significant variations, highlighting its high sensitivity to cholinergic activity. This research could enable VR to be exploited to develop new targeted therapies and learning strategies.