Étude de l'effet de stimulations électriques spatiotemporelles de l'hippocampe, du cortex entorhinal et du cortex préfrontal sur l'encodage et le rappel chez le primate dans le but d'améliorer le processus d'apprentissage

Study of the effect of spatiotemporal electrical stimulation of the hippocampus, entorhinal cortex and prefrontal cortex on memory encoding and recall in primates with the aim of enhancing learning and memory

• Auteur / Autrice : Adrien Boissenin
• Direction : Fabien Wagner
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Inscription en doctorat le 01/05/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Bézard

Mots clés

Mots clés libres

Neuroscience

Neuroprothèse

Primate

Neuromodulation

Mémoire

Hippocampe

Neuroscience

Neuroprosthetics

Primate

Neuromodulation

Memory

Hippocampus

Résumé

À ce jour, de nombreux troubles mnésiques tels qu'observés dans la maladie d'Alzheimer ne connaissent aucun traitement. Récemment, des études ont montré l'impact positif que peut avoir la stimulation électrique de structures limbiques ou néocorticales sur les capacités mnésiques. Ce projet de thèse s'inscrit dans la recherche de thérapies innovantes non médicamenteuses, et plus spécifiquement dans le développement de neuroprothèses des circuits cérébraux à grande échelle, pour le traitement des troubles mnésiques. L'objectif général consiste en la création d'un réseau d'implants cérébraux distribué et d'algorithmes associés permettant à la fois l'enregistrement de signaux neurophysiologiques et une stimulation électrique fonctionnelle dans le but de pallier certains de ces déficits, et sera testé chez le primate non-humain en comportement. La thèse consistera à la fois en l'étude des interactions entre différentes zones cérébrales impliquées dans les phases d'encodage et de rappel lors d'une tâche d'apprentissage, et en la construction d'une neuroprothèse améliorant ces interactions fonctionnelles et les performances comportementales associées. Les zones implantées comprendront l'hippocampe, le cortex entorhinal et le cortex préfrontal dorsolatéral. Le lien entre ces zones et les processus mnésique a déjà été mis en évidence, mais leur interactions réciproques ainsi que l'impact de la stimulation électrique font encore l'objet de débats. La thèse comprendra donc trois objectifs spécifiques qui ont pour but à la fois d'apporter un éclaircissement sur le fonctionnement d'un processus biologique et de permettre d'optimiser une approche thérapeutique : 1. Entraîner un classificateur sur les données neurophysiologiques des 3 régions implantées afin d'extraire les « signatures neuronales » des essais corrects et incorrects. Cette étape permettra l'analyse et la prédiction des signaux neurophysiologiques déterminant le bon ou le mauvais encodage d'un stimulus. 2. Étudier l'effet de la stimulation électrique de l'hippocampe, du cortex entorhinal et du cortex préfrontal sur l'encodage et le rappel dans le but d'améliorer le processus d'apprentissage. Les profils de stimulation seront directement déduits des caractéristiques mises en évidence en première partie (fréquence et timing de la stimulation, par exemple dans le cadre d'une stimulation en burst theta). 3. Étudier l'effet d'une stimulation électrique dite spatiotemporelle, c.à.d. affectant plusieurs zones simultanément et visant à répliquer les synchronisations de phase et couplage phase-amplitude observés naturellement. La mise en place d'un protocole de stimulation spatiotemporel dans un processus mnésique permettra d'être au plus proche des conditions physiologiques et de repousser l'état de l'art dans le domaine des neuroprothèses cognitives.

Memory disorders such as those observed in Alzheimer's disease do not yet have any effective treatment. Recently, proof-of-concept studies have shown that intracranial electrical stimulation of limbic or neocortical structures can have a positive effect on memory encoding and retrieval. This PhD proposal is part of a research project on innovative non-pharmacological therapies for memory disorders, more specifically the development of a large-scale brain network neuroprosthesis for this condition. Its overall goal is to create a network of distributed brain implants and associated algorithms for combined recordings of neurophysiological signals and electrical neurostimulation in order to palliate memory deficits. It will be tested in non-human primates trained to perform cognitive tasks. The PhD project will aim at studying the interactions between different brain areas involved in the encoding and recall of a learning task, and designing a novel neuroprosthesis to improve these functional interactions and the associated behavioral performance. Implanted areas will include the hippocampus, the entorhinal cortex and the dorsolateral prefrontal cortex. The link between these areas and memory processes has already been demonstrated, but their reciprocal interactions and the impact of electrical stimulation are still under debate. The thesis will therefore include three specific objectives: 1. To train a classifier on the neurophysiological data of the 3 implanted regions in order to extract the "neural signatures" of correct and incorrect trials. This step will allow the analysis and prediction of neurophysiological signals that characterize the success or failure of information encoding. 2. To study the effect of electrical stimulation of the hippocampus, entorhinal cortex and prefrontal cortex on encoding and recall in order to improve the learning process. The stimulation patterns will be directly deduced from the characteristics highlighted in the first part (frequency and timing of the stimulation, for example in the context of a theta burst stimulation). 3. To study the effect of a so-called spatiotemporal electrical stimulation, i.e. affecting several areas simultaneously to replicate physiological phase synchronization and phase-amplitude coupling.