Neural bases of space representation by functional magnetic resonance imaging (fMRI)
Bases neurales de la représentation spatiale grâce à l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)
Résumé
The construction of the representation of self is based on the integration of information received by our different sensory modalities such as visual, auditory, tactile or proprioceptive information. The interaction between actions and movements and more recently social interactions and space are being explored at the behavioral level, but less so at the functional level and much more remains to be elucidated. In particular, it is important and fundamental to understand exactly which processes are involved in space representation and how, not only from a partial view focusing on specific cortical areas and single neuron processes but at the scale of the whole brain and the functional networks. The first axis of my thesis focuses on peripersonal space, that is the space that is closest to us, and represents one of the functional subspaces of spatial representation. We assume that it is the same regions that contribute to multisensory convergence, to the prediction of the consequences of a looming visual stimulus onto tactile processing and to the construction of peripersonal space. To test this hypothesis, we investigated the effect of the temporal and spatial predictive aspects of a dynamical looming visual stimulus onto tactile stimulus detection in humans (behavioral study) and non-human primates (fMRI study); the neural bases of near space and far space representations, in non-human primate (fMRI study). We highlight the involvement of a parieto-frontal network, essentially composed by the ventral intraparietal area VIP, the premotor area F4 as well as striate and extra-striate cortical regions, which are activated by these three different mechanisms. We propose that this network not only processes the trajectory of the looming object with respect to the body, but also anticipates its consequences onto the body and prepares protective actions in response to the looming stimulus. The second axis of my thesis focuses on characterizing the extent of plasticity in the visual representation of the adult brain (as opposed to the early stages around the critical developmental periods) and in particular, how the associated fine-grained changes in the visual cortex can be precisely quantified along multiple dimensions (anatomical, functional, pharmacological). Specifically, we have developed a set of high-resolution MRI methods to assess functional (high-resolution visual mapping fMRI, rs-MRI), pharmacological (GABA spectroscopy imaging) and structural (anatomical MRI, DTI) imaging to define reference measures against which to evaluate the changes induced by plasticity at different times after its induction, through a longitudinal study performed in the same animals. Some of these methods need to be more refined but they show that they are really promising to study plasticity in nonhuman primate. On the whole, this present doctoral research allows to make a functional link between human fMRI studies and monkey single cell recording studies and provides new strategies and explorations to perform on the spatial representation field both in humans and non-human primates
La construction de la représentation de soi est basée sur l'intégration des informations que l'on reçoit des différentes modalités sensorielles telles que les informations visuelles, auditives, tactiles ou proprioceptives. L'interaction entre les actions et les mouvements, et plus récemment les interactions sociales et l'espace ont été étudiées essentiellement au niveau comportemental, moins au niveau fonctionnel et beaucoup reste encore à élucider. En particulier, il est important et essentiel de comprendre exactement quels processus sont impliqués dans la construction d'une représentation spatiale et comment ces processus sont mis en oeuvre, non seulement au niveau local par l'activité de neurones spécifiques, dans une zone corticale spécifique, mais aussi à l'échelle du réseau dans son ensemble ainsi qu'à l'échelle du cerveau entier. Le premier axe de ma thèse s'intéresse à l'espace peripersonnel, qui est l'espace le plus proche de nous et qui représente l'un des sous-espaces fonctionnels de la représentation spatiale. Nous faisons l'hypothèse que ce sont les mêmes régions qui contribuent à la convergence multisensorielle, à la prédiction des conséquences sur le traitement tactile d'une stimulation visuelle approchant le corps et à la construction de l'espace peripersonnel. Pour tester cette hypothèse, nous avons étudié l'effet des aspects prédictifs temporels et spatiaux d'un stimulus visuel dynamique sur la détection du stimulus tactile chez l'Homme (étude comportementale) et le primate non humain (étude en IRM fonctionnelle) ainsi que les bases neuronales de la représentation de l'espace proche et de la représentation de l'espace lointain, chez le primate non humain (étude en IRM fonctionnelle). Nous mettons en évidence l'implication d'un réseau parieto-frontal, essentiellement composé par l'aire intrapariétale ventrale VIP et l'aire prémotrice F4 qui sont activées par ces trois mécanismes différents. Nous proposons que ce réseau traite non seulement la trajectoire de l'objet approchant vis-à-vis du corps, mais qu'il anticipe également ses conséquences sur le corps et prépare des actions de protection en réponse à ce stimulus approchant. Le deuxième axe de ma thèse porte sur la caractérisation de l'étendue de la plasticité dans la représentation visuelle dans le cerveau adulte (par opposition aux premiers stades de plasticité observées autour des périodes critiques du développement) et en particulier, sur des développements méthodologiques permettant de mesurer les changements fins dans le cortex visuel induits par une telle plasticité. Plus précisément, nous avons développé un ensemble de méthodes d'IRM à haute résolution : imagerie fonctionnelle (cartographie visuelle à haute résolution, IRM au repos), pharmacologique (imagerie spectroscopique du GABA) et structurelle (IRM anatomique, DTI basée sur la diffusion des molécules d'eau), afin de définir des mesures de référence pour évaluer les changements induits par la plasticité à différents moments après son induction, à travers une étude longitudinale réalisée chez les mêmes animaux. Certaines de ces méthodes nécessitent encore quelques raffinements et ajustements mais, dans l'ensemble, elles montrent leur potentiel prometteur pour étudier la plasticité chez les primates non humains. Dans l'ensemble, ce travail de thèse a permis de créer un lien fonctionnel entre les études d'IRMf effectuées chez l'Homme et les études d'enregistrement d'électrophysiologies chez le primate non humain. De plus, il entraine de nouvelles stratégies et pistes d'explorations à étudier dans le domaine de la représentation spatiale, à la fois chez l'Homme et le primate non humain
Domaines
Neurosciences [q-bio.NC]
Origine : Version validée par le jury (STAR)