Computation corticale de l’attente de stimuli tactiles hautement prédictibles – Expect

Dans son mode de fonctionnement fondamental, l’activité du cerveau n’est pas déterminée uniquement par les stimuli externes, mais émerge d’un processus actif, visant à comparer le flux réel des entrées sensorielles avec leurs anticipations. La perception provient d’anticipations basées sur le contexte sensoriel et les actions motrices en cours. L'anticipation est donc une fonction majeure du système nerveux qui prépare l'organisme à réagir de manière adaptée aux entrées sensorielles. Nous proposons d'étudier les signaux physiologiques centraux qui sous-tendent cette capacité d'anticipation dans le contexte d'une tâche sensorimotrice tactile.

L'information tactile est activement acquise et traitée dans le cerveau au travers d'interactions concertées entre mouvements et sensations. Ainsi, lorsqu'elle explore un objet, une souris bouge ses vibrisses dans un mouvement rythmique de "whisking" pour le localiser avec une précision submillimétrique. Lors de contacts répétés, une anticipation de la position de l’objet se construit et le mouvement des vibrisses se focalise autour de la position attendue. Un déplacement inopiné de l'objet crée donc un décalage entre cette position attendue de l’objet et l'évènement en cours. L'apparition de signaux d'erreur dans les circuits sensorimoteurs centraux participe vraisemblablement au calcul des commandes motrices correctives générées pour s'adapter à la nouvelle position. Nous explorerons ici les bases neuronales de cette anticipation sensorimotrice.

À chaque contact avec l'objet, l'information atteint le cortex somatosensoriel primaire (S1) et secondaire (S2), puis le cortex moteur primaire (M1) quelques millisecondes plus tard. Des études récentes suggèrent qu'une représentation mentale de l'objet exploré pourrait émerger d'une activité coordonnée entre ces aires corticales. Nous avons récemment montré que les informations sensorielles et motrices corticales convergent au niveau cellulaire dans le cortex cérébelleux qui participe, dans une boucle cérébello-corticale fermée, au contrôle des mouvements de "whisking". Le cervelet étant connu pour sa capacité de filtrage adaptatif des entrées sensorielles, il est un bon candidat pour participer à l’anticipation des événements sensoriels futurs. Nous faisons ici l’hypothèse que S1 et S2 contiennent une représentation du flux sensoriel attendu et qu’un écart à cette attente est calculé par un réseau impliquant ces deux structures en interaction avec le cortex moteur et le cervelet. Nous proposons d’étudier les signaux neuronaux reliés à l’anticipation et à l’écart à l’anticipation dans le réseau S1-S2-M1-cervelet.

Lors de sessions d’enregistrement sur des souris entrainées à "whisker" plusieurs fois contre un objet, des essais seront insérés de manière aléatoire, au cours desquels l'objet sera supprimé après quelques contacts. Nous utiliserons les imageries sensible au potentiel et calcique à deux photons pour analyser l'activité corticale lorsque la souris explore la position attendue de l'objet. L'implication du cervelet dans l’activité corticale, en particulier dans la genèse des signaux d'attente et dans l'ajustement des commandes motrices, sera étudiée au moyen d’enregistrements électophysiologiques et de méthodes pharmacologiques et chemo-génétiques permettant de perturber le circuit. Enfin, pour enregistrer sélectivement l’activité des neurones cortico(-ponto-)cérebelleux, qui sont localisés en couche 5b du cortex, nous utiliserons un montage innovant de microscopie à deux photons à balayage aléatoire.

Notre projet vise à mettre à jour un circuit responsable des attentes sensori-motrices et décrire la dynamique neuronale dans ce circuit dans des conditions où les attentes sont réalisées ou non. Il doit révéler comment le cerveau compare en permanence l'information sensorielle entrante avec les représentations internes du monde extérieur, une opération essentielle pour identifier les événements saillants et guider le comportement.