Intégration des processus ascendants et descendants du cortex chez le marmouset et le macaque – CORNET

Nous combinons les compétences complémentaires des équipes pour améliorer notre compréhension des processus corticaux, en développant des études sur le cerveau de marmoset afin d’intégrer les modèles à grande échelles structurels et fonctionnels du cortex. Nous utilisons des traceurs retrogrades afin d’en tirer une matrice pondérée et dirigée de la connectivité du cortex du marmoset. Les traceurs sont injectés dans les aires du marmoset dans le cortex. Les aires corticales visuelles font l’objet d’une attention particulière afin d’établir une cartographie extrêmement précise de la connectivité de cette région. On utilise de l’électrocorticographie à haute densité afin d’enregistrer simultanément les aires visuelles des régions occipitales, temporales, pariétales et frontales en insistant sur le rôle de la synchronisation rythmique locale et inter-aires. Certaines expériences avec des traceurs retrogrades sont conduits sur des animaux pour lesquels nous avons des données électropysiologiques afin de confirmer et consolider la cartographie électrophysiologique et anatomique. Ces données sont utilisées pour construire des modèles de causalité dynamique afin de révéler la mécanique du codage prédictif visuel à un degré de précision jamais atteint. Le travail sur le marmoset est prolongé en développant un cadre bayesien pour compléter le réseau cortical structurel. Nous améliorons les algorithmes existants pour compléter les données et quantifier l’incertitude en incorporant la distance et le poids dans nos procédures d’imputation. L’imputation est d’une importance primordiale pour compléter le réseau chez le marmoset, le macaque et la souris. Nous entreprenons une étude plus poussée afin d’améliorer la base de données existant déjà chez le macaque en passant d’un atlas de 91 à 131 aires. La conversion de nos données existantes sur les aires pondérées à un degré plus fin nous permet d’optimiser la corrélation avec l’électrophysiologie et une segmentation plus flexible.

Nous avons réussi à adapter les techniques d'enregistrement fonctionnel développées dans le grand cerveau de macaque au cerveau de marmouset beaucoup plus petit. Le laboratoire de P. Fries a été le pionnier dans le développement de techniques d'enregistrement ECoG qui permettent d'enregistrer de faibles potentiels de haute résolution dans de multiples domaines. L'adaptation de cette technique au cerveau de marmouset beaucoup plus petit est extrêmement difficile mais permettra d'exploiter les techniques d'édition de gènes qui sont développées dans cette espèce. Un ajout important a été de combiner l'enregistrement ECoG avec les injections de traceurs afin que nous puissions tirer un aperçu sans précédent des relations de structure dans le cortex.
Beaucoup de travaux sur les processus sensoriels, moteurs et cognitifs sont actuellement entrepris dans le cortex de la souris. Quelle est l'importance du travail dans le cortex de la souris pour comprendre la biologie du cortex des primates, y compris les humains? Pour enquêter sur cela, nous avons utilisé un traçage de voies identique dans la souris et le macaque. Étonnamment, cela a montré dans notre publication dans PloS Biology l'année dernière qu'une règle de distance similaire s'applique à travers des cerveaux de tailles très différentes et au cerveau de primate et de souris. Cependant, ces expériences ont également montré que la densité des connexions entre les zones corticales diminue fortement avec l'augmentation de la taille du cerveau. Ces résultats suggèrent qu'il existe des limitations importantes dans l'utilité du travail effectué dans la souris pour comprendre le cerveau humain.

Nous avons pu faire une étape importante dans la compréhension du traitement hiérarchique dans le cortex. Dans une première temps, nous avons établi une hiérarchie structurelle dans le cerveau du macaque, nous avons ensuite examiné comment cela était lié à une hiérarchie fonctionnelle dans le même cerveau. En établissant la signature fonctionnelle de la hiérarchie dans le cerveau macaque, nous avons pu examiner les enregistrements électrophysiologiques similaires dans le cortex humain. Cela nous a permis d'établir la hiérarchie fonctionnelle du cortex cérébral humain et ces résultats ont été publiés dans le journal international «Neuron». Ce travail ouvre un domaine de recherche entièrement nouveau. Parce que la hiérarchie joue un rôle aussi important dans le développement des théories modernes de la fonction du cerveau basée sur le codage prédictif, l'imagerie cérébrale entière dans le cortex humain peut maintenant être précisément située dans un cadre hiérarchique. Étant donné nos constatations sur les limites du modèle de la souris (voir ci-dessus), nous prévoyons que l'exploration fonctionnelle du cerveau humain deviendra de plus en plus importante.

Donahue CJ, Sotiropoulos S, Jbabdi S, Herandez-Ferandez M, Behrens T, Kennedy H, Knoblauch K, Coalson T, Glasser M, Van Essen D (2016) Using diffusion tractography to predict cortical connection strength and distance: a quantitative comparison with tracers in the monkey. J Neurosci 36:6758-6770.
This reports the altogether unexpected findings that dMRI tractography only modestly captures the strength of interareal connections.

Horvat S, Gamanut R, Ercsey-Ravasz M, Magrou L, Gamanut B, Van Essen DC, Burkhalter A, Knoblauch K, Toroczkai Z, Kennedy H (2016) Spatial Embedding and Wiring Cost Constrain the Functional Layout of the Cortical Network of Rodents and Primates. PLoS Biol 14:e1002512.
This reports that the mouse cortex obeys a similar distance rule to that found previously in the macaque cortex, suggesting that this so called exponential distance rule constitutes a universal feature in cerebral cortex.

Richter CG, Thompson WH, Bosman CA, Fries P (2017) Top-down beta enhances bottom-up gamma. J Neurosci. 3771-16
This reports how feedforward and feedback pathways interact.

Ni J, Wunderle T, Lewis CM, Desimone R, Diester I, Fries P (2016) Gamma-Rhythmic Gain Modulation. Neuron 92:240-251.
This reports the influence of feedforward pathways on their target areas.

Le laboratoire Kennedy-Knoblauch a généré une base de données considérable concernant les voies inter-aire chez le macaque. La relation distance/poids de cette base de données a permis de développer un modèle à grande échelle de l’EDR prédictif qui révèle de nombreuses caractéristiques observées dans des données incluant l’organisation hiérarchique du cortex (Markov et al., 2013b; Song et al., 2014). L’équipe Fries qui est internationalement reconnu pour le développement d’une technologie à la pointe permettant les enregistrement électrophysiologiques à grande échelle dans le cortex, et qui ont permis des découvertes primordiales notamment que la computation corticale se déroule dans l’interaction entre les dynamiques neuronales et la connectivité structurelle (Fries, 2009). Plus récemment, l’équipe Fries s’est intéressée au codage prédictif afin de développer des modèles de causalité dynamique pour observer les asymétries dans les voies antero- et retrograde des réseaux corticaux (Bastos et al., 2015a; Bastos et al., 2012). Les équipes Fries et Kennedy-Knoblauch ont collaboré afin d’examiner la corrélation des hiérarchies structurelles et fonctionnelles dans le cortex visuel du macaque (Bastos et al., 2015b). Ce travail montre que les influences dirigées contraignent la hiérarchie fonctionnelle. Dans ce projet, les deux équipes vont approfondir leur collaboration. Cela implique de combiner les compétences complémentaires des deux équipes pour améliorer notre compréhension des processus corticaux, en développant des études sur le cerveau de marmoset afin d’intégrer les modèles à grande échelles structurels et fonctionnels du cortex. Nous utiliserons des traceurs retrogrades afin d’en tirer une matrice pondérée et dirigée de la connectivité du cortex du marmoset. Les traceurs seront injectés dans les aires du marmoset disséminées à travers le cortex. Les aires corticales visuelles feront l’objet d’une attention particulière. Nous établirons une cartographie extrêmement précise de la connectivité de cette région. On utilisera de l’électrocorticographie à haute densité (hdECog, 200 electrodes/cm2) afin d’enregistrer simultanément les aires visuelles des régions occipitales, temporales, pariétales et frontales. Nous insisterons sur le rôle de la synchronisation rythmique locale et inter-aires. Certaines expériences avec des traceurs retrogrades seront conduits sur des animaux pour lesquels nous avons des données électropysiologiques afin de confirmer et consolider la cartographie électrophysiologique et anatomique. Ces données seront utilisées pour construire des modèles de causalité dynamique afin de révéler la mécanique du codage prédictif visuel à un degré de précision jamais atteint. Le travail sur le marmoset sera prolongé en développant un cadre bayesien pour compléter le réseau cortical structurel. Nous améliorerons les algorithmes existants pour compléter les données et quantifier l’incertitude en incorporant la distance et le poids dans nos procédures d’imputation. L’imputation sera d’une importance primordiale pour compléter le réseau chez le marmoset, le macaque et la souris. Nous entreprendrons une étude plus poussée afin d’améliorer la base de données existant déjà chez le macaque en passant d’un atlas de 91 à 131 aires. Nous convertirons nos données existantes sur les aires pondérées à un degré plus fin nous permettant d’optimiser la corrélation avec l’électrophysiologie et une segmentation plus flexible. Ce projet étudiera comment le modèle EDR mesure la taille du cerveau nous permettant d’approfondir notre compréhension des caractéristiques du cortex. Le présent projet étudiera les modèles structurels à grande échelle chez le macaque, le marmoset et la souris. La relation poids distance de ces 3 espèces avec des cerveaux de différentes tailles nous permettra de déterminer les caractéristiques de mesure du cortex et nous permettra d’extrapoler nos résultats à des conclusions sur le cerveau humain.