Oscillations, synchronization et ondes dans les réseaux neuronaux

Oscillations, synchronization and waves in neuronal networks

• Auteur / Autrice : Ling Kang
• Direction : Vincent Hakim, Zonghua Liu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 25/11/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres en cotutelle avec East China normal university (Shanghai)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Boris Gutkin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Hakim, Zonghua Liu, Boris Gutkin, Tatjana Tchumatchenko, Gemma Huguet, Alexa Riehle, Jonas M. Ranft
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Tatjana Tchumatchenko, Gemma Huguet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique

Mots clés libres

Oscillations

Synchronisation

Ondes

Neurosciences

Réseau complexe

Oscillations

Synchronisation

Waves

Neuroscience

Complex network

Résumé

Les oscillations corticales sont une caractéristique essentielle du cerveau et sont impliquées dans plusieurs fonctions perceptives et cognitives. La synchronisation et la propagation similaire à des ondes, de l’activité des populations neuronales, sont reliés aux fonctions corticales et au comportement. Dans cette thèse, je m’ intéresse d’abord aux oscillations beta, des oscillations avec des fréquences entre 13Hz et 30Hz, qui sont observées durant la préparation des mouvements. Je propose un modèle simple du cortex moteur fondé sur des populations locales de neurones excitateurs et inhibiteurs couplées à plus longues distances par des connexions excitatrices, qui reçoivent de plus des entrées fluctuantes en provenance d’autres régions cérébrales. Je montre que ce modèle reproduit de façon précise, les caractéristiques des oscillations beta et des ondes enregistrées expérimentalement, quand les entrées externes sont bien choisies. J’étudie ensuite différents modes d’activité dans lesquels seulement une partie seulement des neurones sont synchronisés, en utilisant la connectivité du cortex cérébral humain. Je mets en evidence plusieurs caractérisques structurales du réseau qui conduisent à une synchronisation partielle. Cela contribue à mieux comprendre comment la structure du réseau cérébral permet une dynamique neurale riche et flexible.

Cortical oscillations are an essential characteristic of the brain, which are involved in many perceptual and cognitive operations. The synchronization and the wavelike propagation of the activity of neuronal populations are cortical features that are related to functions and behaviors. In this thesis, first, I study beta oscillations, oscillations with frequencies between 13Hz and 30Hz, which are observed during movement preparation. I propose a simple model of the motor cortex based on local excitatory-inhibitory neuronal populations coupled by longer range excitation and which receives fluctuating inputs from other cerebral structures. I show that the model accurately reproduces the features of beta oscillations and waves in recording data when external inputs are suitably chosen. Then, I investigate different patterns of activity when only a fraction of the neurons are synchronized, based on the anatomy of human cerebral cortex. I find that some particular features in the network structure lead to partial synchronization. This contributes to a better understanding of how the brain network structure gives rise to rich and flexible neural dynamics.