Visualisation de l’activité du cortex somatosensoriel primaire des souris dans de cadre de l’étude du traitement prédictif de l’information sensorielle tactile

Visualization of primary somatosensory cortex activity of mice for the study of predictive processing of tactile sensory information

• Auteur / Autrice : Timothé Jost-Mousseau
• Direction : Daniel Shulz, Isabelle Férézou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 04/10/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des neurosciences Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Chavane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cathie Ventalon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jérôme Epsztein, Ingrid Bureau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Souris de laboratoire

Vibrisses des mammifères

Sens et sensations

Locomotion

Cortex cérébral

Mots clés libres

Traitement prédictif

Imagerie sensible au potentiel

Comportement en mouvement libre

Fibroscopie mésoscopique

Comportement guidé par les vibrisses

Cortex somato-sensoriel primaire

Predictive processing

Voltage sensitive dye imaging

Freely moving behavior

Mesoscopic fibrescopy

Whisker guided behaviour

Primary somatosensory cortex

Résumé

Le néocortex des mammifères joue un rôle clé dans l’analyse sensorielle et la genèse de commandes motrices. De nombreuses observations nous invitent à penser que le néocortex serait capable, à partir de l’expérience vécue, de construire un modèle interne de l’interaction avec l’environnement, de manière à générer des attentes sensorielles en fonction du contexte et des actions motrices en cours. Un tel calcul impliquerait la production de signaux d'erreur en cas de divergence entre les entrées sensorielles réelles et celles prédites, ce qui permettrait d’ajuster le modèle interne ainsi que les commandes motrices, optimisant ainsi le comportement. Mon projet doctoral est centré sur l’étude des mécanismes neuronaux mis en jeu dans de telles prédictions sensorielles en utilisant pour modèle le système tactile vibrissal de la souris. Tout d’abord, j’ai mis au point une tâche de locomotion guidée par les vibrisses où les souris étaient confrontées à un obstacle alors qu’elles effectuaient un parcours hémicirculaire dans l’obscurité. Mon objectif était d’analyser les dynamiques spatio-temporelles de l’activité corticale évoquée par le contact des vibrisses avec cet obstacle dans deux conditions : soit lorsque la localisation de l’objet était familière, et donc prédictible ; soit lorsque celle-ci était modifiée par surprise. En introduisant ainsi des déviances entre les entrées sensorielles attendues et celles effectivement reçues par l’animal, nous visions à mettre en évidence des signaux neuronaux liés à la prédiction et aux erreurs de prédiction sensorielle tactile au niveau du cortex somato-sensoriel primaire.Pour ce faire, j’ai adopté une approche fibroscopique permettant l’observation, à une résolution de 25 µm, de la totalité de la zone de représentation des vibrisses au sein du cortex somatosensoriel primaire (vS1). Pour empêcher les torsions du fibroscope susceptibles de restreindre les mouvements des animaux au cours de la tâche de locomotion, j’ai développé une interface rotative motorisée permettant de coupler la rotation du fibroscope à celle de l’animal. Grâce à ce dispositif original, il est possible d’enregistrer, à l’échelle mésoscopique, les changements de fluorescence induits par les variations de potentiel de membrane des neurones pendant que les animaux naviguent librement, et recueillent des informations tactiles d'une manière éthologiquement pertinente. La vidéographie simultanée du comportement des animaux nous a permis de lier les dynamiques de l'activité corticale, les entrées sensorielles et les ajustements moteurs, à l'échelle de la milliseconde. Nos résultats préliminaires font état de variations d’activité à l’échelle de la population neuronale dans vS1 alors que les animaux sondent l’obstacle avec leurs vibrisses. Nous montrons également qu’une large part de la variation d’activité enregistrée dans le cortex sensoriel primaire est liée à des ajustements moteurs. Selon l’hypothèse d’un traitement prédictif de l’information sensorielle, ces informations motrices présentes dans les aires sensorielles pourraient permettre d’anticiper les conséquences des mouvements réalisés dans un contexte spécifique sur les entrées sensorielles. Cependant, dans un nombre encore réduit d’animaux testés, nous n’avons pas observé de variations de l’activité neuronale à l’échelle de la population dans vS1 pouvant être apparentée à une erreur de prédiction, alors que les animaux approchaient la localisation (fortement prédictible) de cet obstacle retiré par surprise.Ces observations restent cependant préliminaires. L’ensemble des moyens techniques et analytiques mis en place au cours de ma thèse permettront dans un futur proche de compléter et le cas échéant corroborer ces premiers résultats.

The mammalian neocortex plays a key role in sensory analysis and the generation of motor commands. Numerous observations support the view that the neocortex is capable of constructing an internal model of the interaction with the environment based on experience, in order to generate sensory expectations according to the context and ongoing motor actions. Such a calculation would involve the generation of error signals in case of divergence between the actual and predicted sensory inputs, which would allow the internal model and motor commands to be adjusted, thereby optimising the behaviour. My doctoral project focuses on the study of the neuronal mechanisms involved in such sensory predictions using the vibrissal tactile system of the mouse as a model. First, I developed a whisker-guided locomotion task in which mice were confronted with an obstacle while they navigate in a hemi-circular track in the dark. My aim was to analyse the spatio-temporal dynamics of the cortical activity evoked by the contact of the whiskers with this obstacle under two conditions: either when the location of the object was familiar, and therefore predictable; or when it was modified by surprise. By introducing deviations between the expected sensory inputs and those actually received by the animal, we aimed to reveal neural signals related to tactile sensory prediction and prediction errors at the level of the primary somatosensory cortex. To do so, I adopted a fibroscopic approach allowing the observation, at a resolution of 25 µm, of the entire whiskers representation area within the primary somatosensory cortex (vS1). To prevent twisting of the fiberscope that could restrict animals’ movement during the behavioural task, I developed a motorized rotary interface that couples the rotation of the fiberscope to that of the animal. With this novel device, it is possible to record, on a mesoscopic scale, fluorescence changes induced by neuronal membrane potential variations while the animals are freely navigating, and collecting tactile information in an ethologically relevant manner. Simultaneous videography of the animals' behaviour allowed us to link the dynamics of cortical activity, sensory inputs and motor adjustments at the millisecond scale. Our preliminary results show that there are variations of activity at the neuronal population level in vS1 as animals probe the obstacle with their whiskers. We also observe that a large part of the variation in activity recorded in vS1 is related to motor adjustments. According to the hypothesis of predictive processing of sensory information, this motor information present in the sensory areas may allow anticipating the consequences of movements performed in a specific context on the sensory inputs. However, in a still small number of animals tested, we did not observe mesoscopic dynamics in vS1 that could be related to a prediction error, as the animals passes the (highly predictable) location of unexpectedly removed obstacle. However, these observations remain preliminary. All the technical and analytical means put in place during my thesis will enable the completion and possible corroboration of these initial results in the near future.