Les oscillations cérébrales : le support neuronal des rythmes perceptifs

Brain oscillations : the neural mechanism underlying perceptual rhythms

• Auteur / Autrice : Camille Fakche
• Direction : Thérèse Collins, Laura Dugué
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences cognitives
• Date : Soutenance le 09/09/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Neurosciences intégratives et cognition (Paris ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Chavane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Chavane, Gregor Thut, Andrea Alamia, Mathilde Bonnefond, Jean Lorenceau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gregor Thut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Excitabilité corticale

Rythme alpha

Ondes du cerveau

Stimulation magnétique transcrânienne

Perception visuelle

Vision

Électroencéphalographie

Psychophysique

Réseaux cérébraux

Mots clés libres

Oscillations cérébrales

Propagation de l’activité

Phase

Alpha

Psychophysique

EEG

TMS

Vision

Rytmes perceptifs

Brain oscillations

Traveling waves

Phase

Alpha

Psychophysics

EEG

TMS

Vision

Perceptual Rhythms

Résumé

Les oscillations cérébrales sont un phénomène ubiquitaire. Elles ont été enregistrées chez de nombreuses espèces, et à de multiples échelles cérébrales, i.e., dans les cellules, les réseaux neuronaux locaux, et entre les aires corticales. Les caractéristiques temporelles des oscillations cérébrales, i.e., la phase et l’amplitude, prédisent de manière indépendante la perception visuelle et l’état d’excitabilité cortical. Dans les rythmes perceptifs, la phase explique moins de 20% de la variabilité inter-essais dans les performances. Dans cette thèse, nous faisons l’hypothèse que si les oscillations cérébrales sont le support de la perception, alors elles devraient expliquer plus de variance dans les données empiriques. Notre but était de mieux caractériser le rôle fonctionnel des oscillations dans la perception visuelle, en considérant les interactions entre les caractéristiques temporelles, et l’organisation spatiale des oscillations cérébrales. Dans ce but, nous avons utilisé une approche multimodale comprenant de la psychophysique, de la neuroimagerie (EEG, IRM, oculométrie) et de la TMS. Premièrement, nous avons montré l’existence d’un lien causal entre la phase et l’amplitude des oscillations alpha, l’excitabilité corticale, et la perception visuelle (Fakche et al., 2022). Deuxièmement, nous avons proposé que les oscillations cérébrales étaient le support neuronal d’une perception visuelle complexe, l’effet sériel. Troisièmement, nous avons montré que la perception visuelle était modulée périodiquement à travers le temps et l’espace par la phase d’une stimulation oscillante, suggérant que les oscillations cérébrales alpha se propagent à travers l’espace rétinotopique (Fakche and Dugué, 2022, bioRxiv ; Galas, Fakche, Baudouin, and Dugué, en préparation). Quatrièmement, nous avons étudié si la direction de propagation des oscillations alpha à l’échelle macroscopique était modulée par les fonctions cognitives. Enfin, nous avons testé si un pulse de TMS appliqué sur V1 déclenchait de manière causale une oscillation se propageant des aires occipitales aux aires frontales à la fréquence naturelle de V1. Ensemble, ces études montrent que l’organisation spatio-temporelle des oscillations cérébrales joue un rôle fonctionnel sur la perception visuelle chez l’humain

Brain oscillations are a ubiquitous phenomenon. They have been recorded in a wide range of species, at multiples brain scales, i.e., in cells, in local neuronal networks, and between cortical areas. The temporal features of brain oscillations, i.e., the phase and the amplitude, independently predict visual perception and cortical excitability. In perceptual rhythms, the phase accounts for less than 20% of the trial-by-trial variability in perceptual performance. In this PhD, we hypothesized that if brain oscillations are the substrates of perception, they should explain a larger portion of the variance observed in the empirical data. We aimed to better characterize the functional role of brain oscillations on visual perception, by considering the interaction between their temporal features and their spatial organization. To this aim, we used a multimodal approach comprising psychophysics, neuroimaging (EEG, MRI, oculometry) and TMS. First, we established a causal link between the phase and the amplitude of alpha oscillations, cortical excitability, and visual perception (Fakche et al., 2022). Second, we proposed that brain oscillations are the neural substrates of a complex visual perception phenomenon, serial dependance. Third, we showed that visual perception was modulated periodically across space and time by the phase of an oscillatory inducer, suggesting that alpha brain oscillations propagate across the retinotopic space (Fakche and Dugué, 2022, bioRxiv; Galas, Fakche, Baudouin, and Dugué, in preparation). Fourth, we tested whether the direction of alpha macroscopic traveling waves changed as a function of cognition. Finally, we investigated whether single pulses of TMS applied over V1 causally triggered a feedforward traveling wave at its natural frequency. Together, these studies provide strong evidence in favor of a functional role of the spatiotemporal organization of brain oscillations on human visual perception