Explorer l'interaction entre le cortex et l'hippocampe pour construire des cellules de grille spatiales et visuelles : contributions à la modélisation du cortex rétrosplénial et du cortex entorhinal

Exploring the interaction between cortex and hippocampus to build spatial and visual grid cells : contributions to retrosplenial and entorhinal cortex modelling

• Auteur / Autrice : Mingda Ju
• Direction : Philippe Gaussier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : STIC (Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication) - ED EM2PSI
• Date : Soutenance le 09/02/2023
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Économie, Management, Mathématiques , Physique et Sciences Informatiques (EM2PSI)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Equipes Traitement de l'Information et Systèmes (Cergy-Pontoise, Val d'Oise ; 2002-....) - ETIS- CY CERGY
• Jury : Président / Présidente : Sylvia Wirth
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Rougier, Denis Sheynikhovich, Francesca Sargolini, Emmanuel Daucé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Rougier, Denis Sheynikhovich

Mots clés

Mots clés libres

Intégration de chemins

Hippocampus

Cortex rétrosplénial

Cortex entorhinal

Reconnaissance

Modélisation

Path integration

Hippocampus

Retrosplenial cortex

Entorhinal cortex

Recognition

Modelling

Résumé

Depuis la découverte des cellules de lieu dans l'hippocampe, de nombreuses structures incluant le cortex entorhinal, le cortex rétrosplénial, et leurs interactions avec des régions sous-corticales, telles que le striatum et le septum, sont prouvées comme étant impliquées dans la représentation spatiale qui, avec la représentation temporelle, contribue à la formation de la mémoire épisodique.Le point principal de cette thèse est de modéliser l'interaction des zones corticales et de l'hippocampe dans le lobe temporal médian afin de comprendre la représentation spatiale et le mécanisme de reconnaissance au niveau neuronal chez l'homme. Les expériences menées sur des singes, des rongeurs et des insectes nous ont fourni un point de vue global sur la compréhension du mécanisme de base sur lequel repose la fonction spatiale, l'une des fonctions les plus vitales et primaires à la survie des animaux. Ainsi, nous supposons que les fonctions spatiales partagent certaines propriétés communes à différentes espèces. Suite à cette hypothèse, un modèle générique de la fonction spatiale a été perçu et a été testé, évolué et amélioré pendant des décennies en tenant compte des enregistrements biologiques contemporains. Notre modèle actuel vise à expliquer de la fonction spatiale à des fonctions plus générales telles que la reconnaissance visuelle en utilisant un mécanisme simple et complet en ce qui concerne la plausibilité biologique. Nous abordons principalement quatre questions : 1) Quelle est la contribution du cortex rétrosplénial dans la transmission de l'information de l'intégration du chemin ? 2) Quel est le rôle du champ neuronal de l'intégration du chemin dans la fonction spatiale ? 3) Comment étendre le modèle du cortex rétrosplénial à un modèle plus générique expliquant le processus des perceptions autres que la proprioception de l'auto-mouvement ? 4) Quelle est la relation causale entre les cellules de lieu et les cellules de grille et comment participent-elles à la navigation et même à d'autres processus de perception tels que la reconnaissance de vues ? Notre modèle explique l'activité des cellules de lieu trouvée dans le cortex rétrosplénial et prédit la connectivité locale entre le cortex rétrosplénial et le champ neuronal d'intégration du chemin. Les cellules de grille peuvent être générées à partir des entrées corticales pendant la navigation et l'exploration visuelle grâce à un mécanisme modulo mis en œuvre dans notre modèle. Un mécanisme d'appui réciproque est proposé pour enchevêtrer la relation causale entre les cellules de lieu et les cellules de grille. Nous supposons que la représentation spatiale pourrait être l'épiphénomène d'un mécanisme de reconnaissance plus général.

Since the discovery of place cells in the hippocampus, many structures including the entorhinal cortex and retrosplenial cortex, and their interactions with subcortical regions, such as the striatum and the septum, are proven to be involved in the spatial representation which contributes to the formation of the episodic memory along with the temporal representation.The main point of this thesis is to model the interaction of cortical areas and the hippocampus in the medial temporal lobe in order to understand the spatial representation and the recognition mechanism at the neuronal level of humans. Experiments conducted on monkeys, rodents and insects provided us with a global point of view in understanding the basic mechanism on which rely the spatial function, one of the most vital and primary functions to the survival of animals. Thereby, we assume that the spatial functions share some common properties across different species. Following this assumption, a generic model of the spatial function was perceived and has been tested, evolved, and improved for decades taking into account the contemporary biological recordings. Our current model aims to explain from the spatial function to more general functions such as visual recognition using a simple and comprehensive mechanism with respect to biological plausibility. We mainly address four questions: 1) What is the contribution of the retrosplenial cortex in conveying the information of path integration? 2) What is the role of the path integration neural field in the spatial function? 3) How to extend the retrosplenial cortex model to a more generic model explaining the process of perceptions other than the proprioception of self-motion? 4) What is the causal relationship between place cells and grid cells and how do they participate in the navigation and even in other perception processes such as the recognition of views? Our model explains the place cell-like activity found in the retrosplenial cortex and predicts local connectivity between the retrosplenial cortex and the path integration neural field. Grid cells can be generated from cortical inputs during navigation and visual exploration owing to a modulo mechanism implemented in our model. A reciprocal leaning mechanism is proposed to entangle the causal relationship between place cells and grid cells. We suppose that the spatial representation could be the epiphenomenon of a more general recognition mechanism.