EXAMINING THE NEURAL CODE AND SENSORY SIGNAL TRANSFER CONTROL MECHANISMS THROUGH HYBRID INTERFACES IN THE VISUAL SYSTEM
EXPLORATION PAR DES INTERFACES HYBRIDES DU CODE NEURONAL ET DES MÉCANISMES DE RÉGULATION DE L'INFORMATION SENSORIELLE DANS LE SYSTÈME VISUEL
Résumé
Determining the neural code in the thalamus and cerebral cortex, especially in the primary visual area, is hindered by the complexity of the neural network which is based on an astonishing diversity of neuronal types exhibiting varying properties at the morphological, biochemical, electrical and synaptic levels. This diversity is amplified by the numerous functional properties of each neuron which are reflecting the highly recurrent synaptic connections in cortical circuits as well as the corticothalamocortical loop. In other words, the response specificity of each neuron is affected through thousands of excitatory and inhibitory synapses, by the overall computation performed in the thalamocortical network. In the first part, we developed a model of contextual synaptic bombardment reproducing the dynamics of thousands of excitatory and inhibitory synapses converging to a single cortical neuron. A major advantage of this model is the possibility to control the amount of synchronization among the afferent synapses contacting the cortical neuron. We show in the visual cortex of cats that the amount of synaptic synchronization is related to the sub-threshold neuronal activity correlation level. Classically used artificial stimulations such as drifting gratings led the cerebral cortex into a redundant and correlated state while natural stimulations produced a richer neural code with less correlations. These results indicate that the sub-threshold neuronal activity correlation level is an indicator of the functional state in which the cerebral cortex is engaged. In the second part, we further investigated the neural code by extending our study to the thalamus, the major gateway for the flow of sensory information from the periphery to the cerebral cortex. The thalamus receives a strong corticothalamic feedback which results from the overall computation performed by the cortical areas. In order to study the impact of the corticothalamic feedack, we modeled a retinothalamocortical pathway mixing artificial and biological neurons recorded in the slice and we mimicked in these neurons a synaptic bombardment of cortical origin through the injection of mixed excitatory and inhibitory stochastic inputs in dynamic-clamp. This approach allowed us to control independently every thalamic neurons involved in the artificial pathway. We show that the sensory information transfer from the retina to the primary visual cortex is regulated by both a stochastic facilitation process across the population and the classical gain control a the cellular level. The stochastic facilitation process which could not be seen at the single-cell level is governed by the level of inter-neuronal correlation of the neuronal activity in the thalamus. Unlike conventional views, -a highly decorrelated neuronal activity- optimizes the sensory information transfer from the retina to the cortex by promoting the synchronization of synaptic inputs. We suggest that a cortically-induced decorrelation could increase the transfer efficiency for specific cell assemblies in the thalamus, constituting an attentional mechanism at the level of the thalamocortical circuits. At the same time, we developed a method to extract synaptic conductance fluctuations from single-trial intracellular recordings. We expect this method will help refining our understanding of the synaptic contexts in which the neurons are immersed with potential benefits on the development of new synaptic bombardment models. To conclude, our work confirms the hypothesis of a neural code based on synaptic synchronization governed by the level of correlation of the neuronal activity. Our results are consistent with numerous studies on attentional processes and suggest that active correlation and decorrelation mechanisms as well as oscillatory activities may regulate the information transfer between sensory organs and cortical areas.
L'identification du codage neuronal dans le thalamus et le cortex cérébral, et en particulier dans l'aire visuelle primaire, se heurte à la complexité du réseau neuronal qui repose sur une diversité étonnante des neurones, sur les plans morphologique, biochimique et électrique, et de leurs connexions synaptiques. À cela s'ajoute une importante diversité des propriétés fonctionnelles de ces neurones reflétant en grande partie la forte récurrence des connexions synaptiques au sein des réseaux corticaux ainsi que la boucle cortico-thalamo-corticale. En d'autres termes, le calcul global effectué dans le réseau thalamo-cortical influence, via des milliers de connexions synaptiques excitatrices et inhibitrices, la spécificité de la réponse de chaque neurone. Dans une première partie, nous avons développé un modèle de bombardement synaptique contextuel reproduisant la dynamique de milliers de synapses excitatrices et inhibitrices convergeant vers un neurone cortical avec l'avantage de pouvoir paramétrer le niveau de synchronisation des synapses afférentes. Nous montrons que le niveau de synchronisation synaptique est relié au taux de corrélation de l'activité neuronale sous-liminaire dans le cortex visuel du chat, avec d'une part un régime où le codage neuronal est très redondant pour des stimulations artificielles classiquement utilisées du type réseau de luminance sinusoïdale, et d'autre part un régime où le codage neuronal est beaucoup plus riche présentant moins de corrélation neuronale pour des stimulations naturelles. Ces résultats indiquent que le taux de corrélation de l'activité neuronale sous-liminaire est un indicateur fonctionnel du régime de codage dans lequel est engagé le cortex cérébral. Dans une seconde partie, nous avons étendu l'exploration du codage neuronal au thalamus, passerelle principale qui transmet les informations sensorielles en provenance de la périphérie vers le cortex cérébral. Le thalamus reçoit un fort retour cortico-thalamique qui résulte du calcul global effectué par les aires corticales. Nous avons étudié son influence en modélisant une voie retino-thalamo-corticale mixant neurones artificiels et neurones biologiques in vitro dans laquelle un bombardement synaptique d'origine corticale est mimé via l'injection de conductances stochastiques excitatrices et inhibitrices en clamp dynamique. Cette approche confère l'avantage de pouvoir contrôller individuellement chacun des neurones thalamiques dans la voie artificielle. Nous montrons qu'un processus de facilitation stochastique à l'échelle de la population s'adjoint au gain cellulaire classique pour contrôler le transfert de l'information sensorielle de la rétine au cortex visuel primaire. Ce processus de facilitation stochastique, qui n'aurait pas pu être discerné à l'échelle de la cellule individuelle, est gouverné par le taux de corrélation inter-neuronale de l'activité neuronale dans le thalamus. À l'inverse des conceptions classiques, -un fort taux de décorrélation- optimise le transfert sensoriel de la rétine au cortex en favorisant la synchronisation des afférences synaptiques. Nous suggérons qu'une décorrélation induite par les aires corticales pourrait augmenter l'efficacité du transfert pour certaines assemblées cellulaires dans le thalamus, constituant ainsi un mécanisme attentionnel à l'échelle des circuits thalamo-corticaux. En parallèle, nous avons développé une méthode d'extraction des fluctuations des conductances synaptiques des neurones à partir d'enregistrements intracellulaires unitaires. Cette méthode devrait permettre de raffiner nos connaissances sur la nature des contextes synaptiques dans lesquels sont immergés les neurones avec des retombées potentielles sur le développement de nouveaux modèles de bombardements synaptiques. En conclusion, nos travaux confirment l'hypothèse d'un codage neuronal basé sur la synchronisation synaptique conditionnée par le niveau de corrélation de l'activité neuronale. Nos travaux sont cohérents avec de nombreuses études sur les processus attentionnels et suggèrent que des mécanismes de corrélation et décorrélation actives, ainsi que des activités oscillatoires, pourraient réguler le transfert de l'information entre les organes sensoriels et les aires corticales.