Voies de feedback duales et intégration laminaire des processus inter-aires à longue distance dans le cortex des primates – Dual_Streams

Nous combinons les compétences des trois équipes pour améliorer notre compréhension des rôles des différentes voies de rétroaction dans le cortex visuel précoce des primates non humains et humains. Nous utilisons l'IRMf à résolution laminaire pour visualiser l'influence des processus de rétroaction sur différentes couches du cortex visuel précoce pendant que les sujets effectuent des tâches visuelles et cognitives. En utilisant une combinaison de stimulation optogénétique dans une zone et d'enregistrement électrophysiologique dans deux zones chez le ouistiti, l'activité spécifique de la fréquence sera étudiée d'une manière spécifique à la couche. L'optogénétique sera utilisée pour insérer une activité rythmique contrôlée expérimentalement dans des aires visuelles précoces ou hautes et des enregistrements électrophysiologiques seront utilisés pour étudier les réponses des aires cibles des projections de feedforward ou de feedback respectives. Le traçage de circuits monosynaptiques avec des virus rabiques dépourvus de glycoprotéine (G) (RVdG) et le traçage rétrograde seront utilisés pour caractériser les neurones de projection GABAergiques reliant la matière blanche à la matière grise superposée et la connectivité GABAergique inter-aire à longue distance dans le cortex frontal. Si l'étude anatomique révèle un nombre significatif de projections GABAergiques à longue distance de l'aire V1 à l'aire V6, leur rôle dans la synchronisation en bande gamma entre V1 et V6 sera étudié à l'aide de techniques optogénétiques.

L'IRMf à haute intensité a permis de visualiser l'activité au niveau laminaire dans le cortex humain. Nous l'utiliserons pour caractériser l'influence différentielle des tâches visuelles et cognitives sur les feedbacks des différentes couches corticales chez l'homme. En comparant différentes tâches qui sont censées engager des processus à courte et à longue distance, nous nous attendons à voir une activité différentielle dans les couches corticales superficielles et profondes. Nous analysons actuellement les résultats d'expériences visant à évaluer comment les aires visuelles précoces décodent les phénomènes d'intégration de mouvement de bas et haut niveau. Chez le ouistiti éveillé et se comportant, une méthode a été mise au point pour enregistrer simultanément l'activité neuronale de deux aires corticales visuelles en combinaison avec une stimulation optogénétique. Jusqu'à présent, l'application a montré que l'activation optogénétique des neurones excitateurs de l'aire V6 peut influencer le comportement dans une tâche de détection. En utilisant le traçage rétrograde, nous avons identifié de nombreuses connexions à longue distance à partir des neurones interstitiels à proximité du claustrum, et du lobe temporal sous-jacent au cortex entorhinal. Nous concevons ces neurones de la couche 6B comme des manifestations d'un complexe du claustrum. La comparaison de ces résultats entre les méthodes et les espèces permettra de clarifier les deux votes de feedback et conduira à des progrès majeurs dans la détermination des mécanismes de codage prédictif dans le cortex.

L'impact majeur de ce projet concernera le traitement inter-aréal dans le cortex cérébral chez les primates, y compris l'homme. Les progrès dans ce domaine auront un impact sur les théories du fonctionnement du cerveau et sur le rôle des prédictions descendantes dans les troubles mentaux. Nous prévoyons que la contribution majeure à la compréhension de la neurobiologie des voies de rétroaction renforcera le substrat biologique pour les progrès dans le domaine de la pyschiatrie computationnelle.

1. Vezoli, J, Magrou, L, Goebel, R, Wang, XJ, Knoblauch, K, Vinck, M, Kennedy, H (2021). Cortical hierarchy, dual counterstream architecture and the importance of top-down generative networks. Neuroimage, 225:117479.
Revue des bases structurelles et fonctionnelles de la hiérarchie corticale et description de l'architecture Dual Counterstream.

2. Abbatecola C, Gerardin P, Beneyton K, Kennedy H and Knoblauch K (2021) The Role of Unimodal Feedback Pathways in Gender Perception During Activation of Voice and Face Areas. Front. Syst. Neurosci. 15:669256. doi: 10.3389/fnsys.2021.669256.
Décrit les résultats comportementaux et de neuro-imagerie qui montrent deux types d'influences top-down dans une tâche perceptuelle multimodale de haut niveau..

3. Jendritza, P., Klein, F. J., Rohenkohl, G. and Fries, P. (2021) Visual Neuroscience Methods for Marmosets: Efficient Receptive Field Mapping and Hand-Free Eye Tacking. eNeuro 8:ENEURO.0489-20.2021et. doi.org/10.1523/ENEURO.0489-20.2021
Présente les avancées méthodologiques dans l'enregistrement du comportement et des propriétés des champs réceptifs des ouistitis éveillés et se comportant.

4. Lewis, C. M., Ni, J., Wunderle, T., Jendritza, P., Diester, I. and Fries, P. (2021) Cortical gamma-band resonance preferentially transmits coherent input. Cell. Rep. 35:109083 doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109083
Montre que les courants dépolarisants générés par optogénétique dans les cellules pyramidales génèrent une forte synchronisation en bande gamma et démontre que la résonance corticale en bande gamma transmet préférentiellement les composantes cohérentes de l'entrée.

Les signaux corticaux de type feedback présentent un enjeu majeur dans l’intégration perceptivo-cognitive et dans les principales hypothèses portant sur les fonctions cérébrales telles que la théorie du codage prédictif. Notre objectif est d’étudier les rôles intégratifs des deux voies feedback, qui ont été mises en évidence au niveau des projections entre les aires corticales chez le modèle primate, dans le cadre d’un projet multidisciplinaire qui emploiera la neuroimagerie, l’électrophysiologie et la neuroanatomie. Les deux voies feedback des couches corticales supra- et infragranulaires présentent des caractéristiques topographiques distinctes : la première est longue-distance, et émet des projections diffuses vers les couches infragranulaires, tandis que la seconde est qualifiée de courte-distance, avec des projections plus focales et confinées dans les couches supragranulaires. Notamment, les fonctions spécifiques des ces deux types de connectivité feedback sont inconnues.
Les objectifs 1 et 2 explorent ces voies en étudiant l’activité couche-dépendante dans les aires visuelles précoces lors de tâches cognitives qui requièrent des traitements d’intégration et d’attention, chez les modèles humains et primates-non-humain performant des tâches impliquant des interactions corticales longue-distance : effets contextuels sur la perception, cohérence du mouvement, « spatial vs feature selective attention ». L’objectif 1, chez le modèle humain, emploie la technique d’imagerie fonctionnelle de résolution laminaire à l’aide d’une IRMf 7 T, afin d’étudier sous quelles conditions les stimuli génèrent une activation différentielle entre les couches supra- et infragranulaires. A l’aide d’un modèle de type causal dynamique nous établirons les liens de connectivité effective entre les aires. Pour cela, nous analyserons trois tâches : (1) les effets contextuels de la perception d’une surface colorée qui influencent (i) la source du signal visuel feedback et (ij) la prédictibilité du stimulus ; (2) l’influence de la cohérence du mouvement et de la prédiction de stimulus sur les feedback vers les aires visuelles précoces ; (3) le rôle de l’attention sélective « spatial vs feature-based » sur le profil d’activité laminaire. Nous attendons de ces expériences qu’elles révèlent des conditions qui affectent différemment les deux voies feedback, nous informant ainsi sur leurs rôles fonctionnels respectifs. L’objectif 2, chez le modèle marmoset utilise le principe des électrodes à profondeur multi-sites pour caractériser les patterns d’activations couche-spécifique, ainsi que la technique d’optogénétique d’activation couche-spécifique afin d’identifier les interactions dirigées entre les aires corticales et établir leurs liens de causalité. Nous faisons l’hypothèse que ces résultats nous informerons sur les différents rôles des deux voies feedback dans les processus corticaux étudiés, ce qui permettra des modélisations plus précises quant aux mécanismes corticaux à développer dans le cadre du codage prédictif. L’objectif 3 porte sur la nature et fréquence des connexions inhibitrices longues-distance entre aires corticales, et entre neurones interstitiels et cortex, afin de déterminer si elles sont préférentiellement associées à un circuit particulier. Un tel mécanisme inhibiteur est considéré comme ayant un impact profond sur les interactions au sein du cortex, de par ses effets sur l’oscillation et la synchronie entre les aires. Nous prédisons que ce travail contribuera à la compréhension des microcircuits corticaux canoniques et de la computation qu’ils supportent dans le contexte du codage prédictif, participant ainsi à la compréhension des bases neurales des désordres psychiatriques.