Vision, intégration multisensorielle et vieillissement dans un modèle computationnel Intégré de la mémoire spatiale

Vision, mutlisensory integration and aging in an integrated computational model of spatial memory

• Auteur / Autrice : Tianyi Li
• Direction : Angelo Arleo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences informatiques
• Date : Soutenance le 13/12/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de la vision (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Gas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mehdi Khamassi, Denis Sheynikhovich
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eleni Vasilaki, Mathias Quoy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Comportement spatial

Troubles visuospatiaux

Physiologie

Représentation mentale

Vieillissement

Oeil

Neuromodulation

Mémoire spatiale

Mots clés libres

Modèle computationnel

Mémoire spatiale

Intégration multisensorielle

Vieillissement

Neuromodulation

Vision

Cellules de lieu

Cellules de grille

Computational model

Spatial memory

Multisensory integration

Résumé

De plus en plus de données neuroscientifiques provenant de diverses espèces animales, y compris de l’homme, sont disponibles grâce au progrès technologique dans la capture des signaux cérébraux et des comportements qui y sont liés. Ces quantités croissantes de données, ainsi que la puissance et la capacité de mémoire sans précédent des ordinateurs d'aujourd'hui, nécessitent des modèles informatiques à grande échelle dans le but d'unifier, de stocker et d'analyser ces données. De plus, de tels modèles permettent de croiser des études computationnelles de divers domaines et à différents niveaux de la hiérarchie neuronale afin de mieux comprendre les mécanismes neuronaux qui sous-tendant divers phénomènes cognitifs et eur lien avec le comportement. L'objectif de cette thèse est de développer un modèle intégré du comportement humain dans le contexte de l'orientation spatiale et de sa détérioration avec l'âge. Le problème de la cognition spatiale est considéré ici comme un problème d’intégration multisensorielle entre des indices sensoriels externes provenant de l'environnement et d’informations sensorielles internes issue du mouvement propre, dans le but de construire une représentation mentale de l'environnement. Un grand nombre de recherches expérimentales suggèrent que cette représentation est construite dans un réseau complexe de zones cérébrales résidant dans le lobe temporal médian qui reçoit les entrées sensorielles externes par le biais du chemin visuel « dorsal » provenant des aires visuelles rétinotopiques et passant par le cortex pariétal. Il a été démontré que le vieillissement affecte fortement les réseaux du lobe temporal médian et les comportements associés basés sur la mémoire, et en particulier la création de représentations mentales de l’espace. Dans cette thèse nous développons un modèle neuronal intégré de la mémoire spatiale en s’appuyant sur des données expérimentales anatomiques et fonctionnelles concernant le traitement de l'information sensorielle dans le chemin visuel dorsal et dans des réseaux du lobe temporal médial. Nous utilisons ce modèle pour simuler plusieurs expériences reliant les fonctions visuelles humaines aux comportements d'orientation spatiale, et nous proposons comment les repères visuels sont combinés avec des entrées proprioceptives pendant la construction des cartes mentales de l'environnement. Nous testons ensuite l'hypothèse selon laquelle le vieillissement exerce ses effets détériorants sur la mémoire spatiale en agissant sur l'action neuromodulatrice dans le cerveau et est lié à un traitement des nouveautés réduit dans le lobe temporal médial. Dans l'ensemble, les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse de doctorat constituent un premier pas vers la création d'une plate-forme informatique intégrée pour la simulation du comportement humain et contribuent à une meilleure compréhension de la façon dont les représentations spatiales sont construites à partir de signaux sensoriels et sont affectées par le vieillissement.

An ever growing body of neuroscientific data is becoming available from various animal species, including humans, due to technological advances in capturing brain signals and behavior linked with them. These increasing amounts of data, together with an unprecedented power and memory capacity of present day computers calls for large scale computational models with the objective of unifying, storing and analysing these data. Moreover, such models allow crosslinking computational studies from various domains and in various levels of neural hierarchy to provide a deeper understanding of neuronal mechanisms underlying various cognitive phenomena and their link with behavior. The objective of this thesis is to develop an integrated model of human behavior in the context of spatial orientation and its deterioration with age. The problem of spatial cognition is considered as a problem of combining external sensory cues coming from the environment and internal sensory cues coming from self-motion information, with the objective to build a mental representation of surrounding space. A large body of experimental research suggests that this representation is constructed within an intricate network of brain areas residing in the medial temporal lobe, with external sensory input arriving via a ``dorsal'' visual path originating in early visual areas and passing via the parietal cortex. Aging has been shown to strongly affect medial temporal lobe networks and associated memory-based behaviors, and in particular the creation of mental representations of space. In this thesis we develop an integrated neural network model of spatial memory by based on anatomical and functional experimental evidence of sensory information processing in the dorsal visual path and medial temporal lobe networks. We use this model to simulate a number of experiments linking human visual functions with spatial orientation behaviors, and propose how visual cues are combined with self-motion input during the construction of mental maps of space. We then test the hypothesis that aging exerts its deteriorating effects on spatial memory via acting on neuromodulatory action in the brain and is linked with reduced novelty processing in the medial temporal lobe. Overall, the work performed during this doctoral thesis provides a first step towards building an integrated computer platform for human behavior simulation and contributes to a better understanding of how spatial representations are built from sensory signals and are affected by aging.