Blanc SVSE 4 - Blanc - SVSE 4 - Neurosciences

Equilibre d'excitation et d'inhibition, sélectivité à l'orientation, et interactions centre-pourtour dans les couches superficielles de l'aire V1 : une étude combinant modélisation et expérience. – BalaV1

La compensation entre excitation et inhibition peut-elle rendre compte de la sélectivité des neurones du cortex visuel primaire ?

L'activité des neurones du cortex visuel primaire (V1) présente un très fort «bruit« synaptique. Mais s'agit-il vraiment de «bruit« ? Les études théoriques indiquent que ce «bruit« est la conséquence des fortes interactions – excitatrice et inhibitrice – entre neurones. Ces interactions doivent s'équilibrer (état «balancé«) pour que le niveau d'activité reste raisonnable. Notre projet a pour but d'étudier le rôle de ce bruit émergeant dans la genèse des réponses des neurones de l'aire V1.

Réseaux récurrents «balancés« et spécificité des réponses neuronales

Notre objectif est de déterminer comment les fluctuations du potentiel de membrane (ou bruit synaptique) affectent les différentes propriétés de champ récepteurs des neurones de l'aire V1, en particulier en ce qui concerne la sélectivité à l'orientation et les interactions centre-pourtour. Les mécanismes à l'origine de la sélectivité à l'orientation, par exemple, ont été âprement débattus au cours des 50 dernières années. Les théories qui prétendent expliquer la sélectivité à l'orientation font cependant toutes l’hypothèse que le réseau impliqué présente une organisation fonctionnelle, c'est à dire que des neurones ayant des propriétés de champs récepteurs similaires tendent à être davantage connectés entre eux que des neurones ayant des propriétés de champs récepteurs différentes. Or, les travaux théoriques récents de D. Hansel et C. van Vreeswijk suggèrent qu’une telle architecture n'est pas nécessaire à l'émergence de la sélectivité à l'orientation: cette sélectivité peut être présente même si connexions entre neurones sont non ou faiblement spécifiques. Il suffit pour cela que le réseau opère dans un régime dit “ balancé ”, générique de la dynamique des réseaux de neurones fortement récurrents. Une caractéristique de l'état balancé est la présence de fortes fluctuations temporelles de l’activité des neurones, en particulier du potentiel de membrane. Notre but est de caractériser – en combinant théorie et expériences – les propriétés de ces fluctuations et leurs dépendances vis-à-vis du degré de spécificité des connexions ainsi que leurs rôles fonctionnelles chez le primate (macaque, marmouset) en nous concentrant dans un premier temps sur la sélectivité à l'orientation. Dans un second temps nous examinerons si cette approche peut se généraliser à d'autres dimensions des stimuli (contraste et étendue).

Notre projet repose sur une synergie entre approches théoriques et expérimentales. Sur le plan expérimental nous utilisons une approche mésoscopique – imagerie optique intrinsèque – qui nous permet de visualiser l'organisation de la sélectivité à l'orientation et de réaliser des cartes qui guident les autres approches. L'enregistrement extracellulaire multi-site et l'enregistrement des signaux calciques par une méthode d'imagerie deux photons permettent d'accéder à l'activité de neurones individuels. L'enregistrement intracellulaire permet d'observer les fluctuations au niveau du potentiel de membrane, alors que l'enregistrement des potentiels de champ permet de les caractériser au niveau d'une population de cellules. Notre approche expérimentale utilise 2 modèles animaux: singe macaque et singe marmouset. Les stimuli visuels étaient initialement adaptés à l'étude des réponses en fonction de l'orientation, du contraste et de l'étendu de champ visuel activé. Plus récemment nous avons utilisé une nouvelle famille de stimuli qui permettent, selon la théorie, des activations différentes selon que les neurones sont situés dans des «domaines«, où les neurones voisins possèdent une même préférence à l’orientation ou, au contraire, dans des singularités d'orientation. Ces stimuli reposent sur une définition précise de la distribution dans un espace de Fourier à 3D qui permet de donner une famille de stimuli dans l’espace x, y, t. L'approche théorique repose sur code parallélisé sur GPU pour simuler la couche 2/3 du cortex visuel primaire. Le réseau simulé est constitué d’un réseau comportant deux populations de neurones (excitateurs, inhibiteurs) modélisés à la Hodgkin-Huxley (un seul compartiment, courants sodique et potassique) interagissant via des conductances excitatrices (récepteurs AMPA, NMDA) et inhibitrices (récepteurs GABAA). Ce réseau reçoit des entrées modélisant l’effet des neurones de couche 4 – supposés sélectifs à l’orientation - sur la couche 2/3.

Deux macaques crabiers (Macaca fascicularis) ont été utilisés dans des expériences semi-chroniques. Dans un premier temps, des cartes de sélectivité à l'orientation ont été réalisées. Puis nous avons réalisé des enregistrements électrophysiologiques à l'aide de sondes laminaires multi-contacts qui ciblaient soit des domaines d'orientation, soit des singularités. Nous avons utilisé pour la première fois les stimuli multi-orientés mentionnés ci-dessus. Les données acquises sont en cours d'analyse. Nous disposons également de données permettant d'examiner les interactions en contraste et dimension des stimuli au niveau de la réponse unitaire des neurones et des potentiels de champ enregistrés simultanément.
L'étude théorique montre qu’un excès de connections bidirectionnelles n’affecte pas les propriétés de sélectivité à l’orientation des neurones mais peut affecter les échelles de temps sur lesquelles l’activité – et par conséquents les potentiels de champ – fluctuent. Afin d'examiner le comportement d'un réseau « avec carte » d'orientation (correspond au cortex visuel primaire du singe par exemple), nous avons implémenté dans notre modèle une carte bien définie en couche 4 ainsi que des connexions dépendant uniquement de la distance pour les projections de la couche 4 sur la couche 2/3 comme pour les interactions récurrentes en couche 2/3. Nos simulations indiquent que la carte émergeant en couche 2/3 est « floue » : si les propriétés de sélectivité sont ordonnées sur des échelles spatiales de l’ordre de 150 microns, elles sont très hétérogènes à plus petite échelle.

Suite à une réunion en mars 2015, nous nous sommes mis d'accord sur l’utilisation d'un paradigme de stimulation commun. Les stimuli correspondent à des textures contenant des orientations dont la distribution varie de manière paramétrée. Les travaux théoriques du projet prédisent que la réponse des neurones à ces stimuli sera différente selon leur position dans les cartes d'orientation (singularité vs. domaine) et leur position dans les couches corticales (couche 4 vs. couche 2/3). Ce paradigme constitue une décision émergente de notre collaboration et a l'avantage fondamental d'unifier nos travaux autour d'une seule exploration paramétrique principale. Nous espérons être en mesure de comparer, dans les mois à venir, nos résultats théoriques avec des données expérimentales obtenues chez le singe.

Quatre publications référencées dans des revues à comité de lecture et huit communications dans des congrès internationaux.

Chez les carnivores et les primates, la sélectivité à orientation (SO) des neurones du cortex visuel primaire (V1) est organisée en cartes dans lesquelles les orientations préférentielles (OP) des cellules changent progressivement, sauf à proximité de singularités appelées “ pinwheels ”, au niveau desquelles toutes les orientations sont présentes. Au cours du dernier demi-siècle, les mécanismes expliquant la SO ont été âprement débattus. Cependant, les théories qui prétendent expliquer la SO considèrent généralement des réseaux corticaux dans lesquels les neurones reçoivent des inputs de cellules présentant préférentiellement des OP similaires. Ces théories peuvent expliquer la SO des neurones dans les domaines d'orientation. Toutefois, au niveau des “ pinwheels ”, les neurones sont entourés par des cellules représentant toutes les orientations. Ainsi, si la probabilité de connexion est uniquement fonction de la distance anatomique, les entrées que ces neurones reçoivent doivent représenter toutes les orientations de manière égale. Ainsi, on s'attendrait à ce que la réponse des cellules à proximité des “ pinwheels ” ne soit pas SO, en contradiction avec les données expérimentales. En conséquence, la croyance commune est que, au moins à proximité des “ pinwheels ”, la connectivité dépend aussi des différences entre orientation préférentielle.
La situation près des “ pinwheels ” dans V1 des carnivores et des primates est similaire à celui de l'ensemble de l'aire V1 des rongeurs. Chez les rongeurs, les neurones de V1 sont SO, mais le réseau ne présente pas de carte d'orientation ; des cellules voisines présentent des OP différentes. Dans un récent article théorique (Hansel et van Vreeswijk 2012), nous avons démontré que dans cette situation, la réponse des cellules peut cependant être SO, à condition que le réseau fonctionne en régime équilibré.
Ici, nous supposons que l'aire V1 avec des cartes d'orientation fonctionne en régime équilibré, et que donc les neurones peuvent présenter de la SO même au niveau des “ pinwheels ”, et ce même en l'absence de connectivité fonctionnelle spécifique. Le but de ce projet interdisciplinaire est d'étudier si “ l'hypothèse de l'équilibre ” est valable pour la couche 2/3 de V1 et si l'organisation fonctionnelle observée dans cette couche peut être expliqué sans connectivité fonctionnelle spécifique. Nous allons combiner la modélisation et l’expérimentation pour étudier comment la réponse des neurones - le taux de décharge moyen, le voltage moyenne, les conductances inhibitrices et excitatrices, et surtout, le spectre de puissance des fluctuations de leurs potentiel de membrane - varient selon la localisation dans la carte. Nous examinerons aussi comment une population de neurones – potentiel de champ, imagerie par colorant sensible au voltage, imagerie 2 photons - est affectée par les différents paramètres utilisés. Nous testerons aussi le régime équilibré en examinant la réponse du réseau local à des stimuli visuels présentés au-delà du champ récepteur classique. Nous allons étudier cette question dans les modèles de la couche 2/3 représentant plusieurs hyper-colonnes pour caractériser les interactions centre-pourtour et de leur dépendance vis-à-vis de la connectivité à longue distance. Cela nous fournira des prédictions pour les interactions centre-pourtour au niveau des “ pinwheels ” et dans les domaines d'orientation. Ces prévisions seront testées expérimentalement.
Pour atteindre ces objectifs ambitieux, nous proposons une combinaison d'études expérimentales et numériques qui tirent parti des points forts et la complémentarité des compétences des 3 équipes de recherche. L'équipe de Paris possède une vaste expérience en modélisation à grande échelle de V1. Les équipes de Toulouse et Marseille sont expertes dans l'électrophysiologie intra- et extracellulaire. En outre, l'équipe de Marseille présente une grande expertise dans les techniques d'imagerie microscopique et mésoscopique dans V1.

Coordinateur du projet

Laboratoire Cerveau et Cognition (Laboratoire public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Laboratoire Cerveau et Cognition
Centre National de la Recherche Scientifique Délégation Provence et Corse _ Institut de Neurosciences de la Timone
Laboratory of Neurophysics and Physiology

Aide de l'ANR 511 160 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2013 - 48 Mois

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