THÈSE DE DOCTORAT DE L`UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE

THÈSE DE DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE
Spécialité : Neurosciences
École doctorale : Cerveau, Cognition, Comportement
Présentée par
SÉBASTIEN J.G. BÉHURET
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE
Sujet de la thèse
EXPLORATION PAR DES INTERFACES HYBRIDES DU CODE NEURONAL ET DES
MÉCANISMES DE RÉGULATION DE L'INFORMATION SENSORIELLE DANS LE
SYSTÈME VISUEL
Thèse soutenue le 14 mai 2012 devant le jury composé de :
Dr. Thierry Bal Directeur de thèse
Pr. Stéphane Charpier Président
Dr. Diego Contreras Rapporteur
Dr. Yves Frégnac Codirecteur de thèse
Pr. Gwendal Le Masson Examinateur
Dr. Paul Salin Rapporteur
UNIC, CNRS – 1, Avenue de la Terrasse, 91198 Gif-sur-Yvette, France

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EXPLORATION PAR DES INTERFACES HYBRIDES DU CODE NEURONAL ET DES
MÉCANISMES DE RÉGULATION DE L'INFORMATION SENSORIELLE DANS LE
SYSTÈME VISUEL
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RÉSUMÉ
L’identification du codage neuronal dans le thalamus et le cortex cérébral, et en particulier
dans l'aire visuelle primaire, se heurte à la complexité du réseau neuronal qui repose sur une
diversité étonnante des neurones, sur les plans morphologique, biochimique et électrique, et
de leurs connexions synaptiques. À cela s’ajoute une importante diversité des propriétés
fonctionnelles de ces neurones reflétant en grande partie la forte récurrence des connexions
synaptiques au sein des réseaux corticaux ainsi que la boucle cortico-thalamo-corticale. En
d’autres termes, le calcul global effectué dans le réseau thalamo-cortical influence, via des
milliers de connexions synaptiques excitatrices et inhibitrices, la spécificité de la réponse de
chaque neurone.
Dans une première partie, nous avons développé un modèle de bombardement
synaptique contextuel reproduisant la dynamique de milliers de synapses excitatrices et
inhibitrices convergeant vers un neurone cortical avec l'avantage de pouvoir paramétrer le
niveau de synchronisation des synapses afférentes. Nous montrons que le niveau de
synchronisation synaptique est relié au taux de corrélation de l'activité neuronale sous-
liminaire dans le cortex visuel du chat, avec d'une part un régime où le codage neuronal est
très redondant pour des stimulations artificielles classiquement utilisées du type réseau de
luminance sinusoïdale, et d'autre part un régime où le codage neuronal est beaucoup plus
riche présentant moins de corrélation neuronale pour des stimulations naturelles. Ces
résultats indiquent que le taux de corrélation de l'activité neuronale sous-liminaire est un
indicateur fonctionnel du régime de codage dans lequel est engagé le cortex cérébral.
Dans une seconde partie, nous avons étendu l'exploration du codage neuronal au
thalamus, passerelle principale qui transmet les informations sensorielles en provenance de
la périphérie vers le cortex cérébral. Le thalamus reçoit un fort retour cortico-thalamique qui
résulte du calcul global effectué par les aires corticales. Nous avons étudié son influence en
modélisant une voie retino-thalamo-corticale mixant neurones artificiels et neurones
biologiques in vitro dans laquelle un bombardement synaptique d'origine corticale est mimé
via l'injection de conductances stochastiques excitatrices et inhibitrices en clamp dynamique.
Cette approche confère l'avantage de pouvoir contrôller individuellement chacun des
neurones thalamiques dans la voie artificielle. Nous montrons qu'un processus de facilitation
stochastique à l'échelle de la population s'adjoint au gain cellulaire classique pour contrôler le
transfert de l'information sensorielle de la rétine au cortex visuel primaire. Ce processus de
facilitation stochastique, qui n'aurait pas pu être discerné à l'échelle de la cellule individuelle,
est gouverné par le taux de corrélation inter-neuronale de l'activité neuronale dans le
thalamus. À l'inverse des conceptions classiques, –un fort taux de décorrélation– optimise le
transfert sensoriel de la rétine au cortex en favorisant la synchronisation des afférences
synaptiques. Nous suggérons qu'une décorrélation induite par les aires corticales pourrait
augmenter l'efficacité du transfert pour certaines assemblées cellulaires dans le thalamus,
constituant ainsi un mécanisme attentionnel à l'échelle des circuits thalamo-corticaux.
En parallèle, nous avons développé une méthode d'extraction des fluctuations des
conductances synaptiques des neurones à partir d'enregistrements intracellulaires unitaires.
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