CE37 - Neurosciences intégratives et cognitives

Traitement cortical à l'échelle mésoscopique – MesoBrain

Résumé de soumission

L’observation à l'échelle mésoscopique (taille caractéristique 0.5 mm chez la souris) du cortex cérébral révèle des vagues d’activation suivant des dynamiques spatio-temporelles variées. Ces ondes de dépolarisations neuronales synchrones apparaissent, disparaissent, se réverbèrent et traversent les limites des aires corticales. Bien qu’elles puissent être déclenchées par des entrées sensorielles, la fonction de ces vagues d’activité corticale dans l’intégration sensorielle et au-delà reste mal connue.

Nous formulons ici l’hypothèse selon laquelle ces dynamiques pourraient constituer le substrat d'une partie de l’intégration corticale de l'information et des transformations sensori-motrices, indépendamment de l'activité unitaire des neurones qui y participent. Pour tester cette hypothèse, nous utiliserons comme modèle la souris et nous combinerons des outils optogénétiques, d’imagerie optique et électrophysiologiques qui permettent d’enregistrer et de perturber simultanément les circuits corticaux à l'échelle mésoscopique alors que la souris, maintenue par la tête, est impliquée dans une tâche de conditionnement opérant. Cette approche boucle fermée nous permettra d'interroger de manière causale le rôle fonctionnel des activations à l’échelle mésoscopique qui se propagent à la surface du cortex cérébral.

Tout d'abord, nous cherchons à caractériser l’impact sur les performances comportementales de l’organisation des entrées sensorielles corticales à l’échelle mésoscopique. En effet, nos données récentes montrent que les souris ne sont capables d’apprendre une tâche de contrôle guidée par des photoactivations patternées de la channelrohdopsine dans le cortex somatosensoriel primaire (S1) que si ce retour sensoriel artificiel adhère de façon biomimétique à l’organisation cartographique de cette zone. Notre premier but sera d'explorer la contribution des différentes couches corticales à ce phénomène. Pour cela nous utiliserons des souris double- et triple-transgéniques qui limiteront l’expression de la Channelrhodopsine — et donc le retour sensoriel de la tâche — à la couche 2/3, ou au contraire à la couche 4 (couche d’entrée dans S1).

Notre second but sera de mieux caractériser la capacité spécifique des souris à extraire l’information à partir de stimulations structurées à l’échelle mésoscopique. Pour cela, nous entrainerons des souris transgéniques à une tâche de choix forcé, au cours de laquelle elles devront discriminer entre des photostimulations délivrées dans S1 qui diffèrent par leur organisation spatiale, soit à une échelle critique de 500 µm, soit à une échelle 10 fois plus petite. Notre hypothèse est que, du fait de la propagation latérale de l’activité à la surface corticale, seules les propriétés mésoscopiques pourront être efficacement discriminées par les souris.

Enfin, notre troisième objectif sera d’établir si, au-delà de son rôle potentiel dans l'intégration sensorielle, l’activité corticale à l’échelle mésoscopique peut être contrôlée volontairement par les souris afin de résoudre une tâche. Pour cela, nous acquerrons via imagerie à haute fréquence les vagues d’activité corticale à l'échelle mésoscopique, et nous extrairons en temps réel leur position et orientation. Nous pourrons ainsi tester si des souris peuvent être entraînées à piloter directement des vagues corticales afin d’obtenir une récompense.

Notre programme de recherche participera à mieux comprendre le rôle fonctionnel des dynamiques mésoscopiques de l'activité corticale dans le transfert et le traitement de l'information. Au-delà de cette contribution, qui sera d'un grand intérêt pour la communauté des neurosciences, ces travaux permettront également une meilleure compréhension des mécanismes en jeu dans les interfaces cerveau-machine actuelles basées sur l'électroencéphalographie, et ce faisant ouvriront de nouvelles perspectives pour le développement d'interfaces plus efficaces.

Coordination du projet

Luc ESTEBANEZ (Institut des Neurosciences Paris Saclay)

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

Neuro-PSI Institut des Neurosciences Paris Saclay

Aide de l'ANR 238 932 euros
Début et durée du projet scientifique : mai 2021 - 48 Mois

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