« Dynamique et mécanismes des réponses neuronales dans le

UNIVERSITE PAUL SABATIER - TOULOUSE
École doctorale CLESCO
Mémoire présenté en vue de l’obtention de
L’HABILITATION A DIRIGER LES RECHERCHES
« Dynamique et mécanismes des réponses
neuronales dans le cortex visuel »
Lionel G. Nowak
Jury :
Yves Frégnac, Rapporteur
Claude Meunier, Rapporteur
André Nieoullon, Rapporteur
Michèle Fabre-Thorpe, Examinateur
Bernard Frances, Examinateur
Jean Lorenceau, Examinateur
Guillaume Masson, Examinateur
Centre de recherche Cerveau et Cognition
Université de Toulouse, CNRS UMR 5549
Faculté de médecine de Rangueil
133, route de Narbonne
31062 Toulouse Cedex
[email protected]

Sommaire
PARTIE I : Encadrement de la Recherche p 1
1. Curriculum Vitae p.1
2. Publications p 1
3. Directions d’étudiants de second et troisième cycle p 6
4. Activité d'enseignement p 6
5. Jury p 7
6. Expertise p 7
7. Obtention de contrats de recherche p 7
8. Collaborations p 8
PARTIE II : Activités de Recherche p 9
Introduction p 9
1. Mécanismes d'action de la stimulation électrique dans la matière grise p 35
2. Connectivité corticocorticale fonctionnelle p 43
2.1. Latences dans le système visuel p 43
2.1.1. Conduction axonale corticocorticale in vitro chez le rat p 43
2.1.2. Latences des réponses visuelles dans différentes aires corticales p 44
2.2. De la connectivité fonctionnelle corticocorticale à la synchronisation. P 54
3. Conséquences des fluctuations à haute fréquence du potentiel de membrane p 66
4. Propriétés intrinsèques des neurones corticaux et classes neuronales
electrophysiologiques p 72
4.1. Classes neuronales electrophysiologiques in vivo p 72
4.2. Cellules "chattering" in vitro p 82
5. Mécanismes des propriétés de champ récepteur et de leur adaptabilité p 85
5. 1. Type de champ récepteur en fonction des classes électrophysiologiques p 85
5. 2. Sélectivité à l'orientation et à la direction p 86
5.3. Transformation du champ récepteur synaptique en champ récepteur de décharge p 91
5. 4. Mécanisme du contrôle du gain de la relation entre contraste et réponse et de sa variabilité p 93
5. 5. Mécanismes et conséquences de l'adaptation au contraste p 97
5.5.1. Contribution d'un mécanisme intrinsèque à l'adaptation au contraste p 99
5.5.2. La non contribution de l'inhibition à l'adaptation au contraste p 101
5.5.3. Adaptation au contraste dans les réponses postsynaptiques p 101
5.5.4. Adaptation au contraste et dépression synaptique p 103
5.5.5. Scotome artificiel, expansion du champ récepteur, et adaptation au contraste p 104
5.5.6. Conséquence de l'adaptation au contraste sur l'invariance, vis-à-vis
du contraste, de la sélectivité à l'orientation p 105
5.5.7. Effets du contraste et de l'adaptation au contraste sur le champ récepteur statique p 108
PARTIE III : Projets de Recherche p 111
1. Mécanismes responsables de l'inactivation par stimulation électrique de surface p 111
2. Connexions corticocorticales en feedback : rôle dans la réponse
en fonction du contraste et dans les interactions centre-pourtour p 112
3. Fluctuations à haute fréquence du potentiel de membrane et
des potentiels de champ : sélectivité et conséquences p 113
3.1. Caractéristiques de la loi de puissance dans des neurones identifiés électrophysiologiquement p 113
3.2. Sélectivité à l'orientation et à la fréquence spatiale des fluctuations du potentiel de membrane p 114
3.3. Fluctuations et interaction centre-pourtour p 115

4. Sélectivité à la fréquence spatiale : classes neuronales et mécanismes sous-jacent p 116
5. Adaptation au contraste p 116
5.1. Effets du contraste et de l'adaptation au contraste sur la discrimination
de l'orientation chez l'homme p 116
5.2. Effets de l'adaptation au contraste sur la loi de transfert et sur le "bruit" synaptique p 117
6. Etudes in vitro : phosphatase alcaline et transmission synaptique
chez un animal modèle de l'épilepsie p 118
Bibliographie p 120

PARTIE I : Encadrement de la Recherche
1. Curriculum Vitae
Lionel G. Nowak
Né le 31 mai 1965 à Lyon, Rhône
Chercheur, Chargé de Recherche CNRS (CR1)
Affecté au Centre de Recherche Cerveau et Cognition, UMR 5549, CNRS-Université Paul
Sabatier, Toulouse
Formation:
1983 : Baccalauréat série D, académie du Rhône.
1989 : Maîtrise de Physiologie mention Neurosciences, université Claude Bernard – Lyon 1
(mention bien).
1990 : DEA de Neurosciences université Claude Bernard – Lyon 1 (mention très bien, classé
premier).
1990-1995 : Thèse sous la direction de Jean Bullier (INSERM U371, 18, avenue du Doyen
Lépine, 69500 BRON, FRANCE). Financement MRT.
2 Juin 1995 : Thèse de Neurosciences, université Claude Bernard – Lyon 1 (mention très ho-
norable avec félicitations du Jury).
Juillet 1995-Août 2000 : post-doctorat dans le laboratoire du Professeur David A. McCormick
(Section of Neurobiology, Yale University School of Medicine, 333 Cedar street, New
Haven, CT 06510, USA). Bourse de la fondation Fyssen pour la première année.
Octobre 2000-présent : Chargé de Recherche Première Classe, affecté au laboratoire Cerveau
et Cognition, UMR5549 (directeur Michèle Fabre-Thorpe).
2. Publications#
2.1. Articles dans des revues à comité de lecture :
1. Nowak, L. G., Munk, M. H. J., Girard, P. and Bullier, J. (1995) Visual latencies in areas
V1 and V2 of the macaque monkey. Visual Neuroscience 12, 371-384.
2. Munk, M. H. J., Nowak, L. G., Girard, P., Chounlamountri, N. and Bullier, J. (1995)
Visual latencies in cytochrome oxidase bands of macaque area V2. Proceedings of the
National Academy of Science of the USA 92, 988-992.
3. Nowak, L. G., Munk, M. H. J., James, A. C., Nelson, J. I. and Bullier, J. (1995) Struc-
tural basis of cortical synchronization. I. Three types of interhemispheric coupling.
Journal of Neurophysiology 74, 2379-2400.
4. Munk, M. H. J., Nowak, L. G., Nelson, J. I. and Bullier, J. (1995) Structural basis of
cortical synchronization. II. Effects of cortical lesions. Journal of Neurophysiology 74,
2401-2414.
5. Vachette, C., Nowak, L. G., Amouretti, X., Renaud, B. and Bullier, J. (1995) In vitro
#Les articles en grisé ne seront pas discutés dans ce document
1

study of the catecholaminergic metabolism of locus coeruleus neurones by differential
normal pulse voltammetry. Journal of Neuroscience Methods 63, 103-112.
6. Nowak, L. G. and Bullier, J. (1996) Spread of stimulating current in the cortical grey
matter of rat visual cortex studied on a new in vitro slice preparation. Journal of Neur-
oscience Methods 67, 237-248.
7. Nowak, L. G., Sanchez-Vives, M. V., and McCormick, D. A. (1997) Influence of low
and high frequency inputs on spike timing in visual cortical neurons. Cerebral Cortex
7, 487-501.
8. Azouz, R., Gray, C. M., Nowak, L. G. and McCormick, D. A. (1997) Physiological
properties of inhibitory interneurons in cat striate cortex. Cerebral Cortex 7, 534-545.
9. Nowak, L. G., James, A. C. and Bullier, J. (1997) Corticocortical connections between
visual areas 17 and 18a of the rat studied in vitro: spatial and temporal organisation of
functional synaptic responses. Experimental Brain Research 117, 219-241.
10. Nowak, L. G. and Bullier, J. (1998) Axons, but not cell bodies, are activated by elec-
trical stimulation in cortical gray matter. I. Evidence from chronaxie measurements.
Experimental Brain Research 118, 477-488.
11. Nowak, L. G. and Bullier, J. (1998) Axons, but not cell bodies, are activated by elec-
trical stimulation in cortical gray matter. II. Evidence from selective inactivation of cell
bodies and axon initial segments. Experimental Brain Research 118, 489-500.
12. Nowak, L. G., Munk, M. H. J., James, A. C., Girard, P, and Bullier, J (1999) Cross cor-
relation study of the temporal interactions between areas V1 and V2 of the macaque
monkey. Journal of Neurophysiology 81, 1057-1074.
13. Sanchez-Vives, M. V.*, Nowak, L. G.* and McCormick, D. A. (2000) Membrane mech-
anisms underlying contrast adaptation in cat area 17 in vivo. Journal of Neuroscience
20, 4267-4285.
14. Sanchez-Vives, M. V., Nowak, L. G. and McCormick, D. A. (2000) Cellular mechan-
isms of long-lasting adaptation in visual cortical neurons in vitro. Journal of Neuros-
cience 20, 4286-4299.
15. Brumberg, J. C., Nowak, L. G. and McCormick, D. A. (2000) Ionic mechanisms under-
lying repetitive high-frequency burst firing in supragranular cortical neurons. Journal
of Neuroscience 20, 4829-4843.
16. Nowak, L. G., Azouz, R., Sanchez-Vives, M. V., Gray, C. M. and McCormick, D. A.
(2003) Electrophysiological classes of cat primary visual cortical neurons in vivo as re-
vealed by quantitative analyses. Journal of Neurophysiology 89, 1541-1566.
17. Descalzo, V. F., Nowak, L. G., Brumberg, J. C., McCormick, D. A. and Sanchez-Vives,
M. V. (2005) Slow adaptation in fast-spiking neurons of visual cortex. Journal of
Neurophysiology 93, 1111-1118.
18. Nowak, L. G., Sanchez-Vives, M. V. and McCormick, D. A. (2005) Role of synaptic
and intrinsic membrane properties in short-term receptive field dynamics in cat area
17. Journal of Neuroscience 25, 1866-1880.
19. Reig, R. Gallego, R., Nowak, L. G., and Sanchez-Vives, M. V. (2006) Impact of cortic-
al network activity on short-term synaptic depression. Cerebral Cortex 16, 688-695.
20. Nowak, L. G., Sanchez-Vives, M. V. and McCormick, D. A. (2008) Lack of orientation
and direction selectivity in a subgroup of fast-spiking inhibitory interneurons: cellular
and synaptic mechanisms and comparison with other electrophysiological cell types.
Cerebral Cortex 18, 1058-1078.
21. Nowak L. G. and Barone P. (2009) Contrast adaptation contributes to contrast-invari-
ance of orientation tuning of primate V1 cells. PLoS One 4: e4781.
22. Nowak L. G., Sanchez-Vives M. V. and McCormick D. A. (2010) Spatial and temporal
* Shared first authorship
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