Ecole Doctorale ED3C Intitulé du laboratoire Unité de

Ecole Doctorale ED3C Intitulé du laboratoire Unité de Neurosciences Information et Complexité (UNIC)
Titre de la thèse : Exploration par des interfaces hybrides du code neuronal et des mécanismes de régulation de l'information sensorielle dans le système visuel Résumé de la thèse : 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. Cette méthode devrait permettre de raffiner nos
connaissances sur la nature des contextes synaptiques dans lesquels sont immergés
les neurones avec des retombées potentielles sur le développement de nouveaux
modèles de bombardements synaptiques.
En conclusion, nos travaux confirment l'hypothèse d'un codage neuronal basé sur
la synchronisation synaptique conditionnée par le niveau de corrélation de l'activité
neuronale. Nos travaux sont cohérents avec de nombreuses études sur les
processus attentionnels et suggèrent que des mécanismes de corrélation et
décorrélation actives, ainsi que des activités oscillatoires, pourraient réguler le
transfert de l'information entre les organes sensoriels et les aires corticales.