Exploration par des interfaces hybrides du code neuronal et des mécanismes de régulation de l'information sensorielle dans le système visuel

par Sébastien Béhuret

Thèse de doctorat en Biologie. Neurosciences

Sous la direction de Thierry Bal et de Yves Frégnac.

Soutenue en 2012

à Paris 6 , en partenariat avec Centre national de la recherche scientifique (France ; 1939-....) (autre partenaire) .

mots clés

• Corrélation neuronale
• Transfert sensoriel
• Aire visuelle
• Corps géniculés

Résumé

Pour explorer le code neuronal dans le cortex visuel, nous avons développé un modèle de bombardement synaptique contextuel reproduisant la dynamique de milliers de synapses convergeant vers un neurone cortical. Nous montrons que le niveau de synchronisation synaptique est relié au taux de corrélation de l'activité neuronale sous-liminaire dans le cortex visuel du chat et que des stimulations naturelles engagent le cerveau dans un régime faiblement corrélé très efficace contrairement aux stimulations artificlelles. Nous avons étendu l'exploration du code neuronal au thalamus, passerelle principale qui transmet les informations sensorielles de la périphérie au cortex cérébral. Le thalamus reçoit un fort retour cortico-thalamique qui résulte du calcul global effectué par les aires corticales. Nous avons étudié son influence en modélisant une voie retino-thalamo-corticale mixant neurones artificiels et neurones biologiques in vitro dans laquelle un bombardement synaptique d'origine corticale est mimé via l'injection de conductances stochastiques excitatrices et inhibitrices en clamp dynamique. Nous montrons qu'un processus de facilitation stochastique à l'échelle de la population s'adjoint au gain cellulaire classique pour contrôler le transfert de l'information sensorielle de la rétine au cortex visuel primaire. Ce processus est gouverné par le taux de corrélation inter-neuronale de l'activité neuronale dans le thalamus. Nous suggérons qu'une décorrélation induite par les aires corticales pourrait augmenter l'efficacité du transfert pour certaines assemblées cellulaires dans le thalamus, constituant ainsi un mécanisme attentionnel à l'échelle des circuits thalamo-corticaux

Titre traduit

Examining the neural code and sensory signal transfer control mechanisms through hybrid interfaces in the visual system

Résumé

We explored the neural code by designing a model of contextual synaptic bombardment reproducing the dynamics of thousands of synapses converging to a single cortical neuron. We show in the visual cortex of cats that the amount of synaptic synchronization is related to the sub-threshold neuronal activity correlation level. Natural stimulations produced a rich neural code with very few correlations while artificial stimulations produced much more correlations and redundant coding. We further investigated the neural code by extending our study to the thalamus, the major gateway for the flow of sensory information from the periphery to the cerebral cortex. The thalamus receives a strong corticothalamic feedback which results from the overall computation performed by the cortical areas. In order to study the impact of the corticothalamic feedack, we modeled a retinothalamocortical pathway mixing artificial and biological neurons recorded in the slice and we mimicked in these neurons a synaptic bombardment of cortical origin through the injection of mixed excitatory and inhibitory stochastic inputs in dynamic-clamp. We show that the sensory information transfer from the retina to the primary visual cortex is regulated by both a stochastic facilitation process across the population and the classical gain control a the cellular level. The stochastic facilitation process is governed by the level of inter-neuronal correlation of the neuronal activity in the thalamus. We suggest that a cortically-induced decorrelation could increase the transfer efficiency for specific cell assemblies in the thalamus, constituting an attentional mechanism at the level of the thalamocortical circuits