La navigation spatiale chez le singe : Un voyage inter-espèces au-delà de l'hippocampe

Spatial navigation in the monkey : A cross-species journey beyond the hippocampus

• Auteur / Autrice : Marie Vericel
• Direction : Sylvia Wirth
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Neurosciences et Cognition (NSCo) (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de sciences cognitives Marc Jeannerod (Lyon ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Emiliano Macaluso
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvia Wirth, Francesca Sargolini, Jérôme Epsztein, Frank Bremmer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francesca Sargolini, Jérôme Epsztein

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réalité virtuelle en médecine

Regard

Mémoire

Cortex pariétal

Mots clés libres

Macaque

Cortex pariétal

Réalité virtuelle

Mémoire

Regard

Saccade

Carte cognitive

Électrophysiologie

Macaque

Parietal cortex

Virtual reality

Memory

Gaze

Saccade

Cognitive map

Electrophysiology

Résumé

La navigation spatiale. Derrière ces deux mots, se cachent une multitude de processus cognitifs qui opèrent dans notre quotidien, se manifestant au travers de comportements distincts et d’activités neuronales spécifiques. Ces processus ont été classés en différentes stratégies, dépendant plus ou moins de l'intégration des coordonnées spatiales des éléments de l'environnement et de sa propre position dans une carte cognitive. Au niveau neuronal, ce codage de position dit « allocentrique » se retrouve au travers des cellules de lieu, de grille et de direction de la tête du rat. Cependant, le modèle de la carte cognitive métrique est soumis à des contradictions, découlant d’une part des piètres performances des humains aux tests d’orientation, et d’une autre à la différence de stratégie d’exploration existant entre les rongeurs et les primates, qui analysent leur environnement à distance, par le regard. De plus, les études de lésions et d'inactivation de l'hippocampe (HPC), siège supposé de la carte cognitive, échouent à perturber complètement la navigation chez les sujets. Cela implique que d'autres structures en amont joueraient également un rôle essentiel dans la navigation spatiale. Le cortex pariétal postérieur (PPC) est un bon candidat pour un tel rôle car les patients lésés présentent des syndromes d’héminégligences et des altérations de leurs capacités à suivre des itinéraires. Nous nous sommes intéressés à VIP et LIP (ventral and lateral intraparietal areas), des aires associatives multimodales jouant un rôle dans la perception continue et unifiée de l’espace et dans la programmation des saccades oculaires en lien avec l’attention et la motivation, qui n’ont pourtant jamais encore été enregistrées pendant de la navigation dirigée. Ainsi, les questions qui ont fait l’objet de cette thèse sont les suivantes : 1) quelles sont les stratégies de navigation utilisées par les primates lors d'une tâche de mémoire spatiale ? 2) le macaque est-il un modèle approprié pour l'étude de la navigation spatiale ? 3) comment l'activité de l’HPC est-elle liée à l'exploration visuelle chez les primates ? 4) comment les signaux sensoriels sont-ils représentés dans le PPC pour au final donner naissance à un encodage multiplex lié à la position dans l'HPC ? Les deux premières questions ont été traitées au travers d’une une étude inter-espèces utilisant la réalité virtuelle pour comparer le comportement des humains à celui des macaques dans une série de tests mettant à l'épreuve la connaissance des sujets de leur environnement. Dans un second temps, nous avons enregistré l'activité des neurones de l'HPC et du PPC pendant que les singes effectuaient une tâche de mémoire similaire dans un labyrinthe virtuel. Nos résultats indiquent que, dans l'ensemble, les singes ont employé des stratégies de navigation qualitativement similaires à celles des humains, reposant principalement sur les repères visuels. Les hommes semblaient capables de construire en parallèle une forme de connaissance allocentrique schématisée, bien qu'ils ne l’utilisaient pas par défaut. De plus, l'analyse du regard des singes a montré que leur dynamique d'exploration était liée au degré de réussite de la tâche. Au niveau neuronal, nous avons trouvé une anticipation de l’apparition des repères dans le champ visuel dans l’HPC, ainsi qu’une modulation par le contexte sensorimoteur de la tâche dans le PPC. De manière intéressante, l’HPC était également sensible aux saccades, tandis que le PPC anticipaient lui-aussi l'apparition des repères. Ainsi, les deux régions partagent un rôle actif dans l'exploration visuelle guidée par la mémoire. Nos résultats démontrent globalement comment les facteurs sensoriels, moteurs et cognitifs liés à une tâche de navigation dirigée vers un objectif sont intégrés dans le cerveau de manière spécifique à chaque région, conduisant finalement à des schémas d'activation distincts, correspondant à des positions dans l'espace en lien avec la tâche.

Spatial navigation. Beneath these two words, lie a multitude of cognitive processes that operate in our daily lives, each manifesting through distinct behaviours and specific neural activities. Those processes have been classified into different strategies, which rely to varying degrees on the integration, or “surveying”, of the spatial coordinates of every element in the environment, including one’s own position in a cognitive map. At the neuronal level, this position encoding, referred to as “allocentric”, is manifested through the rat place, grid and head-direction cells. However, the model of the metric cognitive map faces contradictions, arising on one hand from the poor performances of humans in orientation tests, and on the other from the differing exploration strategies between rodents and primates, that analyse their environment remotely, through gaze. Moreover, lesion and inactivation studies targeting the hippocampus (HPC), presumed seat of the cognitive map, overall fail to fully disrupt navigation in subjects This implies that other structures, upstream would also play a critical part in spatial navigation. The posterior parietal cortex (PPC) is a good candidate for such role, since its lesion results in hemispatial neglect syndromes and route-based wayfinding impairments. We directed our interest toward VIP and LIP (ventral and lateral intraparietal areas), multimodal associative areas that play a role in the continuous and unified perception of space, as well as in the programming of ocular saccades in link with attention and motivation, that have, nevertheless, never been recorded during goal-directed navigation. Hence, the following questions have been the focus of this thesis: 1) what are the navigation strategies used by primates during a memory spatial task? 2) is the macaque an appropriate model for the study of spatial navigation? 3) how is hippocampal activity linked to visual exploration in primates? 4) how are sensory signals represented in the PPC to ultimately give rise to place-like multiplex encoding in the HPC? The first two questions have been addressed by a cross-species study employing virtual reality to compare the behaviour of humans with that of macaques in a series of tests that challenged the subjects’ knowledge of the environment. In a second step, we recorded the activity of HPC and PPC neurons while monkeys were completing a similar memory task in a maze. Our results indicate that, overall, monkeys employed qualitatively similar navigation strategies to human participants, primarily relying on the landmarks. Humans seemed able to build in parallel a form of schematic allocentric knowledge, although they didn’t use it by default. Furthermore, the analysis of monkeys’ gaze activity showed that their exploration dynamics were linked with the degree to which they succeeded the task. At the neuronal level, we found an anticipation of the landmarks appearance in the visual field in the HPC, as well as a modulation to the sensori-motor context of the task in the PPC. Interestingly, the HPC was additionally sensitive to saccades, while the PPC also anticipated the landmarks appearance. Hence, the two regions share an active role in memory-guided visual exploration. Our results demonstrate overall how the sensory, motor and cognitive factors linked with a goal-directed navigation task are integrated in the brain, in a region-specific fashion, leading eventually to distinct activation patterns, that correspond to distinct task-related positions in space.