Codage prédictif des violations globales de séquences dans le cortex auditif murin

Predictive coding of global sequence violations in the mouse auditory cortex

• Auteur / Autrice : Sara Jamali
• Direction : Brice Bathellier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 30/09/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pasteur. Département de l'Institut de l’audition – centre de l’Institut Pasteur (2019-….)
• Jury : Président / Présidente : Karim Benchenane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Béchir Jaraya
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Ego-Stengel, Athena Akrami

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cortex auditif

Réseaux neuronaux (physiologie)

Codage

Souris de laboratoire

Cortex cérébral

Perception auditive

Mots clés libres

Codage prédictif

Microscopie à 2-photon

Souris

Cortex auditif

Predictive coding

2-photon microscopy

Mice

Auditory cortex

Résumé

La capacité d'extraire des régularités temporelles à différentes échelles de temps dans des entrées sensorielles et de détecter des déviations inattendues de ces régularités est une capacité cognitive clé. Le paradigme classique de l'oddball auditif montre que le cerveau répond aux violations de séquences à une échelle de temps locale, mais ces réponses se produisent également sous anesthésie et semblent donc pré-attentives. En revanche, des études récentes chez l'homme et le singe suggèrent que lorsque la violation concerne des régularités qui se produisant sur des échelles de temps plus longues, les réponses à la violation n'apparaissent que chez les sujets conscients et attentifs. Afin de déterminer si des réponses locales et globales à la violation de séquence existent chez la souris, nous avons effectué des enregistrements dans les couches 1 à 5 du cortex auditif en utilisant l'imagerie calcique à deux photons pendant que les souris écoutaient passivement des répétitions de séquences de cinq tons d'une durée d'une seconde. La séquence courte répétée contenait soit un seul ton (AAAAA), soit une violation locale à sa fin (AAAAB). Des violations purement globales pouvaient être générées en présentant occasionnellement la séquence AAAAA dans un bloc où AAAAB est répété. Nous avons constaté qu'une population de neurones dans le cortex auditif répond spécifiquement à de telles violations purement globales à la fin de la séquence AAAAA. Bien que petite, cette population contenait suffisamment d'information pour prédire les violations sur des essais uniques. Une fraction plus importante de neurones augmente ses réponses à des combinaisons de violations locales et globales (AAAAB présenté dans un bloc AAAAA). Ces réponses globales sont résistantes à une large augmentation de l'intervalle inter-séquence (1,5s - 25s), ce qui exclut que l'adaptation à court terme soit à l'origine de ces réponses. Ces résultats établissent que le cerveau de la souris est capable de détecter les violations globales dans les séquences sonores dans un sous-groupe de neurones du cortex auditif, ouvrant la voie à l'étude des mécanismes de circuit qui sous-tendent la détection de la régularité temporelle à long terme.

The ability to extract temporal regularities at different time scales in sensory inputs and detect unexpected deviations from these regularities is a key cognitive ability. The classical auditory oddball paradigm shows that the brain responds to sequence violations at a local time scale, but such responses also occur under anesthesia and therefore seem pre-attentive. In contrast, recent studies in humans and monkeys suggest that when the violation concerns regularities occurring over longer time scales, responses to the violation appear only in conscious, attentive subjects. To investigate whether local and global sequence violation responses exist in the mouse, we recorded from layers 1 to 5 of the auditory cortex using two-photon calcium imaging while mice passively listened to repetitions of 1s-long sequences of five tones. The repeated short sequence contained either a single tone (AAAAA) or a local violation at its end (AAAAB). Purely global violations could be generated by presenting occasionally the AAAAA sequence in a block where AAAAB is repeated. We found that a population of neurons in the auditory cortex specifically responds to such purely global violations at the end of the AAAAA sequence. Although small, this population contained enough information to predict violations on single trials. A larger fraction of neurons boosted their responses to combinations of local and global violations (AAAAB presented in an AAAAA block). These global responses were resistant to a wide increase of inter-sequence interval (1.5s - 25s) ruling out that short-term adaptation causes these responses. These results establish that the mouse brain is able to detect global violations in sound sequences in a subgroup of auditory cortex neurons, paving the way for the study of circuit mechanisms underlying long-term temporal regularity detection.