Interactions corticales dynamiques sous-tendant les comportements moteurs cognitifs

Dynamic cortical interactions underlying cognitive motor behaviors

• Auteur / Autrice : Georgios Bardanikas
• Direction : Thomas Brochier, Andrea Brovelli
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : SCIENCES DU VIVANT Neurosciences
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 12/12/2025
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences du Vivant
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INT - Institut des Neurosciences de la Timone
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : INT - CoMCo - Contrôle Moteur Cognitif
• Jury : Président / Présidente : Jozina De graaf
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Brochier, Andrea Brovelli, Jyotika Bahuguna, David Thura, Aldo Genovesio, Charlie Wilson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Thura, Aldo Genovesio

Mots clés

Mots clés libres

Interactions corticales

Comportements moteur cognitif

Dynamiques neuronales

Flux d’information

Cortex prémoteur/moteur

Circuits fronto-pariétaux

Cortical interactions

Cognitive motor behaviors

Neural dynamics

Information flow

Premotor/motor cortex

Fronto-parietal circuits

Résumé

Les théories du fonctionnement cérébral proposent que la cognition et le comportement émergent de la coordination de l’activité électrique entre les unités fondamentales du cerveau -les neurons- sous forme de motifs complexes. À travers les interactions neuronales, le cerveau perçoit l’environnement, met à jour ses représentations internes et génère des réponses comportementales adaptées. Les comportements moteurs cognitifs reposent sur l’intégration dynamique d’informations diverses, rendue possible par des interactions réciproques entre les structures motrices, sensorielles, frontales et sous-corticales. Malgré leur rôle central dans le soutien du comportement moteur, les interactions corticales sont fortement dépendantes du contexte et demeurent, par conséquent, encore partiellement comprises. Cette thèse examine comment les interactions cortico-corticales sont modulées lorsque des fonctions cognitives sont sollicitées pour guider le comportement moteur dans différents contextes. Le travail présenté ici comprend trois études électrophysiologiques réalisées chez le singe macaque, combinant une approche de systèmes dynamiques avec une nouvelle mesure issue de la théorie de l’information afin d’analyser la dynamique corticale de haute dimension et ses interactions. La première étude a exploré les interactions moteur-pariétales lors de mouvements de pointage visuellement guidés vers des cibles séquentielles présentant une prévisibilité croissante. Nous avons mis en évidence des connexions récurrentes mais asymétriques entre les régions prémotrices/motrices dorsales et l’aire pariétale postérieure 7A. Fait critique, ces interactions apparaissaient plus précocement lors de l’anticipation du mouvement, reflétant le décalage temporel observé dans l’émergence de l’activité préparatoire. La deuxième étude s’est concentrée sur les interactions prémotrices au cours d’une tâche de prise de décision nécessitant une coordination motrice entre un singe et un partenaire humain. Nous avons observé une augmentation relative significative du flux d’information du cortex prémoteur dorsal vers le cortex prémoteur ventral, en particulier lorsque les singes devaient agir en premier sans pouvoir observer le choix de leur partenaire. Enfin, la troisième étude a examiné les représentations neuronales du gain d’information lors de l’association entre récompense et choix basés sur des mouvements de la main dans les régions préfrontales et cingulaires. Nous avons constaté que la structure représentationnelle du gain d’information évoluait au fur et à mesure de l’apprentissage, et apparaissait plus précocement dans le cortex cingulaire que dans le cortex préfrontal, suggérant l’existence d’une relation temporelle potentielle entre ces deux régions. Pris ensemble, ces résultats mettent en évidence la nature dynamique et dépendante du contexte des interactions corticales, soulignant leur rôle essentiel dans le traitement d’informations diverses au service de comportements complexes orientés vers un but.

Theories of brain function propose that cognition and behavior emerge from intricate patterns of coordinated electrical activity among the brain’s fundamental building blocks -the neurons. Through their interactions, the brain perceives the environment, updates internal representations, and generates adaptive behavioral responses. Cognitive motor behaviors rely on the dynamic integration of diverse information through reciprocal interactions between motor, sensory, frontal and subcortical structures. Despite their central role in supporting motor behavior, cortical interactions are highly context-dependent and therefore remain only partially understood. This thesis investigates how cortico-cortical interactions are modulated when cognitive functions are engaged to guide motor behavior across different contexts. The work presented here comprises three electrophysiological studies in macaque monkeys, combining a dynamical systems approach with a novel information theoretic measure to analyze high-dimensional cortical dynamics and interactions. The first study explored motor-parietal interactions during visually guided reaching of sequential targets with increasing predictability. We found recurrent, but asymmetric, connections between dorsal premotor/motor regions and posterior parietal area 7A. Critically, these interactions occurred earlier during movement anticipation, resembling the temporal shift in the emergence of preparatory activity. The second study focused on premotor interactions during a decision-making task requiring movement coordination between a monkey and a human partner. We observed a significant relative increase in information flow from dorsal to ventral premotor cortex, particularly when monkeys were required to act first without observation of their partner’s choice. The third study examined the neural representations of information gain during association of reward with hand-movement-based choices in prefrontal and cingulate areas. We found that the representational structure of information gain evolved as learning progressed, and occurred earlier in the cingulate than in the prefrontal cortex, showing evidence of a potential temporal relationship between the two regions. Taken together, these findings underscore the dynamic and context-dependent nature of cortical interactions, highlighting their integral role in processing diverse information to support complex goal-directed behavior.