Dynamique de l'information dans l'hippocampe et le cortex et altérations dans l'épilepsie

Information dynamics in hippocampus and cortex and alterations in epilepsy

• Auteur / Autrice : Wesley Clawson
• Direction : Christophe Bernard, Demian Battaglia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie santé. Neurosciences
• Date : Soutenance le 24/06/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences de la Vie et de la Santé (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut des neurosciences des systèmes (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Rosa Cossart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Goutagny, Francesco Battaglia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Liset Menendez de la Prida, Joseph T. Lizier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dysfonctionnement cognitif

Processus mentaux

Activité spontanée (électrophysiologie)

Épilepsie

Neurosciences

Mots clés libres

Neuroscience

Information

Complexity

Neuroscience

Complexity

Information processing

Résumé

La relation entre fonction cérébrale et activité neuronale, classiquement basée sur le rôle des neurones individuels ou des populations neuronales, n’est toujours pas bien comprise. Généraliser cette approche dans les troubles cognitifs, comme l’épilepsie, est difficile car ils impliquent de nombreuses réorganisations, souvent spécifiques. On ne peut donc pas suivre pour chaque trouble toutes les réorganisations et leur variabilité. De plus, une telle diversité peut empêcher de détecter des principes généraux communs aux différentes altérations. Par conséquent, il faut pouvoir décrire l'activité neuronale collective se situant entre le niveau de la fonction et celui de l’activité neuronale. Nous proposons une approche basée sur des mesures primitives du traitement de l'information, représentant les éléments essentiels du fonctionnement cérébral de haut niveau. Nous avons mesuré et caractérisé la dynamique de l'information chez le rat à travers divers états physiologiques et étudié leurs modifications dans un modèle d'épilepsie. Nous apportons les premières preuves que le traitement de l'information neuronale est basé sur un répertoire d’états propres. Leur dynamique est de plus modulée par les phases de sommeil, suggérant une relation complexe entre l'état physiologique global et la dynamique neuronale. Dans l’épilepsie, la dynamique de l'information est altérée et le répertoire des états, bien que maintenu, devient plus aléatoire qu’en condition physiologique. Ce phénomène serait un principe généralisable à d’autres pathologies. En conclusion, ce travail fournit un nouveau cadre quantitatif pour analyser et interpréter l'activité neuronale dans de multiples conditions.

The relationship between brain function and neural activity, which traditionally rests on the description of the roles of individual neurons or populations of a neuronal type, is still not understood. It is difficult to generalize such descriptions to neurological disorders with associated cognitive disfunctions, such as epilepsy, as they have a variety of specific physiological reorganizations. This makes approaches limiting as it is impossible to track every variable change across all diseases. In addition, this diversity may hamper the detection of general principles of alteration. Therefore, there is a need for descriptions of collective neural activity below the level of function and above neural components. Here we propose an approach based on primitive measures of information processing, representing essential building blocks of any higher-level computation, or function. We measure and characterize information dynamics in-vivo across various brain states and investigate how these phenomena are altered in experimental epilepsy.This PhD work provides the first evidence of neural information processing states (IPSs). In addition, the dynamics of states are modulated by sleep stages, suggesting a complex relationship between global physiological state and neural dynamics. IPSs may represent a generalizable principle of neural organization; while states are maintained in epilepsy, alterations in their composition and organization indicate a shift towards randomness. Overall, this work provides a novel framework for the analysis and interpretation of neural activity as well as lays the groundwork for future research.