Développement et structure des réseaux corticaux chez le macaque

Development and structure of cortical networks in the macaque

• Auteur / Autrice : Loïc Magrou
• Direction : Henry Kennedy, Kenneth Knoblauch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 21/12/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Neurosciences et Cognition (NSCo) (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Cellule Souche et Cerveau (Bron)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Rémi Gervais
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Lise Giraud, Suliann Ben Hamed
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kathleen Rockland, Maxime Descoteaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tractographie

Aire visuelle

Cortex cérébral

Macaques

Mots clés libres

Macaque

Cortex

Règle de distance exponentielle

Excentricité visuelle

Anatomie

Réseau

Poids de connexion

Macaque

Cortex

Exponential distance rule

Visual eccentricity

Anatomy

Networks

Connexion weights

Résumé

Le travail effectué au cours de cette thèse se divise en trois. Pour la première partie, 12 injections de traceurs rétrogrades ont été effectuées chez le macaque cynomolgus à différentes excentricités visuelles de V1, V2, V4 et MT. Nous observons que, si les injections effectuées au sein des territoires correspondant aux représentations centrales (i.e fovéale) de l'hémi-champs visuel reçoivent préférentiellement des projections issues de la voie ventrale, les injections placées au sein des représentations périphériques marques préférentiellement les neurones d'aires connues pour faire partie de la voie dorsale. Les injections excentriques affichent une décroissance exponentielle des poids de connexion avec l'augmentation des distances, comme décrit précédemment (Markov et al. 2014). Ceci plaide en faveur de l'hypothèse que la règle exponentielle de distance (EDR en anglais) (Ercsey-Ravasz et al 2013) est assez puissante pour expliquer la formation des voies fonctionnelles du cortex visuel. De plus, cela suggère fortement que l'EDR s'applique à n'importe quel point du manteau cortical, indépendamment de toutes limites d'aires, et que, par conséquent, le cortex est mieux décrit comme une gradient continu de propriétés progressivement changeantes, au lieu d'une mosaïque de aires corticales bien définies. De plus, cela a de profondes implications concernant l'évolution biologique des aires corticales ainsi que du cortex dans son ensemble. En seconde partie, tractographie et traçage de voies furent comparés, via l'utilisation d'IRM de diffusion. Une analyse en tractographie fut effectuée, et la matrice de connectivité résultante comparée à celle obtenue par traçage de voies (Markov et al., 2014). Les résultats préliminaires de cette thèse tombent dans le même intervalle de succès de détection que les études précédentes : entre 70 et 77 % de la connectivité évaluée par tractographie est correcte (Azadbakht et al 2015, Calabrese et al 2015a, Donahue et al 2016). Cela met également en évidence un problème de spécificité des connexions détectées par la tractographie, qui ne parvient pas à reconnaître les connexions absentes avec précision, un problème particulièrement visible dans le contexte des aires visuelles de bas niveau, chez qui la connectivité est connue pour être très spécifique (Tigges et al 1973, Tigges et al 1974, Martinez-Millan & Hollander 1975, Kaas & Lin 1977, Wong-Riley 1978). En conclusion, les propriétés de connectivité du cortex ne devraient pas, à ce stade, être déduites la tractographie basée sur l'imagerie de diffusion. Pour la dernière partie, 6 injections ont été réalisées chez 3 animaux bilatéralement énucléés (3 dans le « Default Extrastriate Cortex » - DEC ; 1 dans V2 et 2 dans V4) afin d'évaluer comment la connectivité visuelle est affectée par la perte des afférences rétiniennes au thalamus. Comme rapportées antérieurement, des gyri anormaux sont observés sur l'operculum occipital, dont le territoire est dominé par la DEC, un cortex hybride entre cortex strié et extrastrié (Dehay et al 1996a, Dehay et al 1996b). De plus, l'anatomie du LGN est massivement perturbée. Les afférences en provenance du pulvinar et du LGN sont éparses et mal ciblées lors d'injections placées côte-à-côte. La connection du pulvinar au DEC est d'un ordre de grandeur supérieure à une connexion normale du pulvinar à V1, alors que la même comparaison pour le LGN est d'un ordre de grandeur inférieure. Ces changements en matière de connectivité s'amenuisent en allant plus haut au sein de la hiérarchie visuelle corticale. En effet, les changements les plus frappants se produisent dans V1 (aberrant gyri, DEC, ventralisation, etc.) alors que V4 semble être peu perturbé par l'absence d'afférences rétiniennes. Du point de vue du développement du système visuel, cela plaide pour un effet localisé des entrées thalamiques (i.e. seulement V1 et V2) ainsi que pour une absence d'effet domino en cascade compromettant l'ensemble du cerveau

The work performed during this thesis is three fold. In the first part, 12 injections of retrograde tracers were performed in cynomolgus macaques at different visual eccentricities in V1, V2, V4 and MT. We observe that, while injections performed in territories corresponding to the central (i.e. foveal) representation of the visual hemifield preferentially receive inputs from areas belonging to the ventral pathway, injections placed in peripheral representations preferentially labels neurons in areas known to be part of the dorsal pathway. Eccentric injections return an exponential decay of connexion strength with increasing distances, as previously described (Markov et al, 2014). This strongly argues in favour of the Exponential Distance Rule (EDR) being powerful enough to explain the formation of the functional streams of the visual cortex. Firstly, it strongly suggests that the EDR is applicable at any point of the cortical sheet regardless of area boundaries, and that therefore the cortex is better seen as a continuous sheet of gradually changing properties, instead of a mosaic of well-defined cortical areas. Secondly, it helps inform and refine our current definition of an area towards a more comprehensive one which includes topological location. Finally, it has deep implications regarding the evolution of cortical areas as well as the cortex as a whole. In the second part, a comparison was attempted between tractography and tract tracing, with the high definition diffusion MRI scan of one macaque brain. Tractography was computed on it, and the resulting connectivity matrix compared to tract tracing (Markov et al, 2014). The preliminary results obtained in this thesis fall in the same range of detection success than previous studies: between 70 and 77 % of the connectivity assessed by dMRI-based tractography is correct using the same Receiver Operating Charateristic (ROC) approach (Azadbakht et al 2015, Calabrese et al 2015a, Donahue et al 2016). It also highlights a problem of specificity of connexions detected by tractography. It fails to accurately discriminate empty connexions (i.e. absent) as empty, a problem especially salient in the context of early visual areas, the connectivity of which is known to be very specific (Tigges et al 1973, Tigges et al 1974, Martinez-Millan & Hollander 1975, Kaas & Lin 1977, Wong-Riley 1978). Overall, caution is for now warranted and connectivity properties should not at this point be inferred on diffusion MRI based tractography. In the last part, 6 injections were performed in 3 bilaterally enucleated animals (3 in the Default Extrastriate Cortex - DEC, 1 in V2 and 2 in V4) in order to assess how the visual connectivity is impacted by the loss of retinal inputs to the thalamus. As previously reported, abnormal gyri are observed on the operculum, whose territory is now dominated by the DEC, a hybrid cortex combining histological and histochemical feature of striate and exstrastiate cortex (Dehay et al 1996a, Dehay et al 1996b). Also, the LGN anatomy is massively perturbed, losing its heterogeneity of strictly defined layers for a homogeneous structure. Inputs from the pulvinar and the LGN were found to be unfocused, scattered and unsegregated in side-by-side injections. The pulvinar input to the DEC was found to be an order of magnitude higher than a normal pulvinar-to-V1 connexion, when the same comparison for the LGN was found to be an order of magnitude lower. These changes in connectivity appear to diminish in importance as one goes up the visual hierarchy. Indeed the most striking changes are in V1 (aberrant gyri, DEC, ventralisation, etc.) whereas V4 appears to be seemingly unperturbed by the absence of retinal inputs. Regarding the development of the visual system, this fact argues for a localised effect of the thalamic inputs (i.e. only V1 and V2) and an absence of domino-effect cascade that would perturb the entirety of the brain, despite the quite drastic enucleation process