Balance d'excitation et d'inhibition et plasticité synaptique: a court terme: un nouveau paradigme pour la mémoire du travail – BALWM

Le fonctionnement des réseaux de neurones, artificiels ou d'inspiration biologiques utilise souvent les nonlinéarités de la dynamique neuronale. Tel est le cas des perceptrons possédant des couches cachées, du mécanisme d'excitation récurrente expliquant la sélectivité à l'orientation dans le cortex visuel, ou du tempotron, un réseau d'inspiration biologique, capable d'apprendre des patrons temporels. Les décharges de potentiels d'action des neurones corticaux in-vivo sont extrêmement irrégulières. Cela est non trivial au vu du grand nombre d'entrées qu'un neurone cortical reçoit de son environnement. Un mécanisme remarquablement universel a été proposé pour cette stochasticité (van Vreeswijk & Sompolinsky, 1996,1998). Il est fondé sur l'équilibre entre entrées excitatrices et inhibitrices, un régime dynamique émergeant génériquement quand les neurones d'un réseau interagissent fortement avec une connectivité aléatoire. Dans ces régimes 'équilibrés' la moyenne temporelle du courant synaptique total est beaucoup plus petite que les fluctuations. Ce sont ces dernières qui induisent l'activité du réseau. Cependant, le niveau d'activité moyen du réseau est essentiellement déterminé par la condition d'équilibre entre l'inhibition et l'excitation. Il en résulte que les propriétés non-linéaires des neurones ne jouent que peu de rôle dans les états 'équilibrés'. Certes remarquable, cette propriété implique une incompatibilité fondamentale entre 'capacités computationnelles' et fonctionnement dans des régimes 'équilibrés', sauf sides nonlinéarités autres que neuronales sont également présentes. Ce problème apparaît lorsqu'il s'agit d'expliquer l'activité persistante observée dans le cortex préfrontal, le corrélat neuronal d'une fonction cognitive très étudiée ces dernières années: la mémoire de travail. De fait, aucun des modèles proposés pour expliquer l'activité persistante, ne rend compte de l'augmentation de la stochasticité des décharges neuronales dans les états persistants. Ils ne rendent compte pas non plus de la grande diversité des patrons d'activités observée dans les enregistrements électrophysiologiques chez le singes exécutant une tâche de mémoire de travail. Cela n'est pas surprenant: ces modèles nécessitent des nonlinéarités neuronales. Ce projet interdisciplinaire introduit un changement de perspective en proposant que les nonlinéarités les plus essentielles pour l'émergence d'activité persistante sont celles dues à la plasticité synaptique à court terme observée dans le cortex. Elles sont donc d'origine synaptique et non neuronales. Nous étudierons cette hypothèse dans le cadre d'un modèle d'un réseau local du cortex dorsolatéral préfrontal, une région impliquée dans les mémoires de travail spatiales. Il consistera en un réseau de neurones 'intègre et décharge' interagissant par des synapses ayant une dynamique de plasticité à court terme. Celle-ci sera décrite par un modèle mathématique nouveau prenant en compte la stochasticité de la transmission synaptique. De nouvelles techniques analytiques devront être développées afin d'étudier les dynamiques microscopiques et macroscopiques de ce réseau. On déterminera ses régimes dynamiques en s'intéressant plus particulièrement aux régimes 'équilibrés' multistables et sélectifs qui pourraient rendre compte de l'activité persistante sélective observée dans le cortex dorsolatéral préfrontal. Nous étudierons également ce modèle par simulations numériques. Cela nous permettra de caractériser les propriétés temporelles, la diversité des patrons d'activités des neurones, et leur robustesse, pendant les différentes phases d'une tâche de mémoire de travail simulée selon différents protocoles. Les résultats seront comparés à des données expérimentales. Nous nous attacherons également à proposer une série de prédictions permettant de valider plus avant notre hypothèse. Celles-ci seront testées par des expériences électrophysiologiques chez des singes éveillés par les deux equipes d'electrophysiologistes de la collaboration (Kyoto, Bordeaux). Pour cela , l'équipe de Bordeaux devra developper un nouveau setup dedié a ces experiences.