Plasticité Hebbienne et Homeostatique dans le cortex visuel de l’adulte

Hebbian and Homeostatic plasticity in the adult visual cortex

• Auteur / Autrice : Antoine Prosper
• Direction : Claudia Lunghi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences cognitives
• Date : Soutenance le 18/03/2025
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des systèmes perceptifs (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe de recherche Vision (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Laura Dugué
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claudia Lunghi, Laura Dugué, Paola Binda, Holly Bridge, Stefano Palminteri, Stephen A. Engel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paola Binda, Holly Bridge
• DOI : 10.70675/62138cf3zacbdz46b0z8e1azecbeaf4bb955

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sciences cognitives

Mots clés libres

Plasticité cérebrale

Cortex visuel

Adultes

Brain plasticity

Visual system

Adults

Résumé

Cette thèse explore comment la plasticité hebbienne et homéostatique coexistent dans le système visuel adulte. Bien que ces deux mécanismes aient été étudiés dans des modèles animaux et durant le développement, leur interaction chez l’adulte humain n’a, à notre connaissance, pas été examinée systématiquement. Nous testons ici directement, pour la première fois, l’interaction de ces deux formes de plasticité chez l’adulte. À cette fin, nous présentons trois expériences combinant diverses techniques expérimentales : psychophysique, électroencéphalographie (EEG) chez l’humain et imagerie fonctionnelle par ultrasons (fUS) chez le furet. Dans une première étude, nous avons testé l’interaction entre plasticité hebbienne et homéostatique en combinant deux paradigmes connus pour chacune : la modulation de l’amplitude du potentiel évoqué visuel (VEP) par une stimulation visuelle haute fréquence (HFS) afin d’induire une plasticité de type hebbien, et la privation monoculaire de courte durée (MD) afin d’induire une plasticité homéostatique. Ces deux techniques induisaient de manière fiable leurs effets. Bien qu’elles n’interagissent apparemment pas directement, elles sont étroitement liées : leurs potentiels respectifs corrèlent négativement entre participants, révélant ainsi un mécanisme neural commun. Dans une deuxième étude, nous avons validé la technique expérimentale utilisée pour induire la plasticité visuelle homéostatique chez l’humain adulte, en comparant la sensibilité de deux techniques psychophysiques différentes (rivalité binoculaire et combinaison binoculaire) pour évaluer l’effet de la MD de courte durée et sa dépendance vis-à-vis de la durée de privation. Nous rapportons que ces deux techniques quantifient de manière fiable l’effet d’une privation monoculaire de courte durée et son accroissement avec l’allongement de cette privation (15 vs 120 min), et que la combinaison binoculaire est plus sensible que la rivalité binoculaire pour quantifier l’effet d’une MD très courte (15 min). Cela indique que les circuits excitateurs impliqués dans la combinaison binoculaire pourraient être plus sensibles à la privation aux stades initiaux de l’effet, montrant une dynamique plus rapide comparée aux circuits inhibiteurs impliqués dans la rivalité binoculaire. Dans une troisième expérience pilote, nous avons étendu l’investigation de la plasticité visuelle homéostatique induite par une privation monoculaire de courte durée à un modèle animal (le furet), choisi pour la similarité de son système visuel avec celui des mammifères supérieurs. En suivant la dominance oculaire avant et après une privation monoculaire grâce à l’imagerie fonctionnelle par ultrasons (fUS), nous visions à relier les résultats comportementaux et neuroimagerie humains aux mesures physiologiques chez l’animal. Bien que préliminaire, cette approche établi les bases de futures études comparatives susceptibles de révéler des mécanismes plus profonds des changements de dominance oculaire chez l’adulte. En conclusion, cette thèse démontre que le cortex visuel adulte conserve à la fois une plasticité hebbienne et homéostatique, et que ces processus peuvent être modulés de manière indépendante. La durée de la privation sensorielle affecte les ajustements homéostatiques, affinant notre compréhension des effets du facteur temps sur la plasticité adulte. L’absence d’une interaction directe entre les mécanismes hebbiens et homéostatiques suggère que la plasticité corticale adulte pourrait être régie par des processus parallèles plutôt que par un cadre unifié unique, mais leur corrélation indique que ces processus doivent être liés d’une manière complexe. Ces résultats font progresser notre connaissance de la manière dont l’expérience sensorielle affecte la fonction cérébrale à l’âge adulte et offrent un tremplin pour de futures recherches reliant les modèles humains et animaux de plasticité corticale.

This thesis explores how Hebbian and homeostatic plasticity co-exist in the adult visual system. Although these two mechanisms have been extensively studied in animals and during developmental periods, their interplay in the adult human brain has, to our knowledge, not been investigated systematically. Here we test directly for the first time the interplay between these two forms of plasticity in adult humans. To this aim, we present three different experiments combining different experimental techniques such as psychophysics, electroencephalography (EEG) in humans and functional ultrasound imaging (fUS) in ferrets. In a first study, we directly tested the interplay between Hebbian and homeostatic plasticity in adult humans by combining two established paradigms known to evoke each type of plasticity: the modulation of the visual evoked potential (VEP) induced by high-frequency visual stimulation (HFS) to induce Hebbian-like visual plasticity, and the effect of short-term monocular deprivation (MD) to induce visual homeostatic plasticity. We found that both techniques reliably induced Hebbian-like and homeostatic visual plasticity in adult humans. Importantly, while we report that these two types of visual plasticity do not seem to interact directly, they are nevertheless closely related: the potential for Hebbian and homeostatic plasticity are negatively correlated across participants, pointing for the first time to a common neural mechanism mediating these two forms of plasticity. In a second study, we validated the experimental technique used to induce visual homeostatic plasticity in adult humans, by comparing the sensitivity of two different psychophysical techniques (binocular rivalry and binocular combination) in assessing the effect of short-term MD and its dependence upon the deprivation duration. We report that both techniques reliably quantify the effect of short-term monocular deprivation and its increment with the duration of deprivation (15 vs 120 min), and that binocular combination is more sensitive than binocular rivalry for the quantification of the effect of very short (15 min) MD. This indicates that the excitatory circuits involved in binocular combination might be more sensitive to deprivation at the initial stages of the effect, showing a faster dynamic compared to the inhibitory circuits involved in binocular rivalry. In a third, pilot experiment, we extended the investigation of visual homeostatic plasticity induced by short-term monocular deprivation to an animal model (the ferret), chosen for its visual system’s similarity to higher mammals. By tracking ocular dominance before and after monocular deprivation using functional ultrasound imaging (fUS), we aimed to link human behavioral and neuroimaging results to physiological measures in animals. Though preliminary, this approach lays the groundwork for future comparative studies that may reveal deeper mechanistic insights into ocular dominance changes in adults. In conclusion, this thesis demonstrates that the adult visual cortex retains both Hebbian and homeostatic plasticity, and that these can be modulated independently. The duration of sensory deprivation affects homeostatic adjustments, refining our understanding of timing effects on adult plasticity. The lack of direct interaction between Hebbian and homeostatic mechanisms suggests that adult cortical plasticity may be governed by parallel processes rather than a single, unified framework, but their correlation indicates that those processes must be related in some intricate way. These findings advance our knowledge of how sensory experience affects brain function in adulthood and provide a stepping-stone for future research bridging human and animal models of cortical plasticity.