Institut de Neurosciences Cognitives de la Méditerranée (UMR 6193)

www.incm.cnrs-mrs.fr

Les neurosciences intégratives et cognitives (Master 1, 2004)

Driss Boussaoud

Attention et action volontaire• Les recherches en Neuroscience ont connu des progrès considérables ces dernières

décennies. Ce cours sera consacré à l’organisation anatomique et fonctionnelle du cortex cérébral, en prenant comme objet d’étude la vision et l’action volontaire. Bien qu’on reconnaisse l’existence d’un cortex visuel et d’un cortex moteur, nous verrons que la chaîne de traitements complexes qui permet au cerveau de transformer l’influx visuel en action n’est pas encore bien comprise. Nous évoquerons certains phénomènes qui entrent en jeu, comme l’attention et l’intention, deux processus de sélection qui opèrent au niveau sensoriel et moteur, respectivement.

• Plan général

1. Introduction2. Méthodes en neurosciences intégratives et cognitives3. Les grands systèmes de connexions cortico-corticales

1. Les voies visuelles - traitements parallèles2. Les grands systèmes de l’action volontaire : les voies visuo-motrices

4. La préhension : le modèle des canaux visuo-moteurs1. Psychophysique2. Neuroanatomie3. Neurophysiologie4. Pathologie humaine

5. De voir à agir: le problème de la dissociation des processus neuronaux6. Quelques grands défis d’aujourd’hui

1. Introduction

A quoi sert le cerveau ?

… à produire des mouvements et comportementsles plus adaptés pour la survie de l’organisme …

Le contrôle volontaire du geste

Un geste simple, des processus neuronaux complexes:• Attention• Motivation• Mémoire• Traitement sensoriel• Codage du movement …Problème de la dissociation

Saisir une cible en mouvement …

Des cascades de traitementsAspects théoriques

Sélectionsensorielle

Sélectionmotrice

Réti

ne

Mu

scle

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Focal

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Form

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Des cascades de traitementsaspects neurobiologiques

Sélectionsensorielle

Sélectionmotrice

Sou

s-co

rtex

Cortexvisuel

Cortex préfrontal Cortex moteur

Ganglionsde la base Thalamus

Cervelet

Cort

ex

Cortexpariétal

2. Méthodes en neurosciences intégratives et cognitives

• Histologie, anatomie …• Neuroanatomie fonctionnelle (connectivité)• Neurophysiologie• Neuropsychologie, clinique et expérimentale• Psychophysique & psychologie expérimentale• Imagerie cérébrale (TEP, IRMf, IO)• Modélisation (neurosciences computationnelles)

Neuroanatomie fonctionnelle (connectivité)

Felleman & van Essen, 1991

Corps cellulaire

dendrite

axone

terminaison synaptique

Morphologie des cellules nerveuses

Potentiel de repos de la membrane = -65 mV

Transmission neuronale

Enregistrement intra- et extracellulaire

Le potentiel extracellulaire est beaucoup plus faible que le potentiel intracellulaire en raison de la faible résistance électrique du milieu extracellulaire.

dendrite

terminaison synaptique

Traceurs rétrogrades fluorescents:Ex. Fast Blue (FB), Diamidino yellow (DY)

Transport rétrograde

Méthodes d’étude des connexions

Méthodes d’étude des connexions

dendrite

terminaison synaptique

Traceurs antérogrades : Ex. Acides aminés radioactifs

Transport antérograde

Traceurs antérogrades et rétrogrades:Ex. WGA-HRP, BDA

Transport antérograde

Méthodes d’étude des connexions

Transport rétrograde

Le câblage du système visuel

Felleman & van Essen, 1991

Les deux voies visuelles

Ungerleider & Mishkin, 1982

Neurophysiologie

• Enregistrement de l’activité d’un neurone– Extracellulaire, intracellulaire

– Préparation anesthésiée, ou animal vigile

• Enregistrement de l’activité de plusieurs neurones– Unitaire ou multi-unitaire

• Potentiels de champs locaux (Local field potentials, LFP)

• Potentiels évoqués

Enregistrement de l’activité nerveuse, en relation avec un événement : un stimulus, un comportement …

Notions d’eléctrophysiologie

Le neurone

La méthode:intracellulaireextracellulaire :

• cellule unique• groupe de cellules

•activité cérébrale globale (EEG)

Préparation:animal anesthésiéanimal éveillé

Les concepts:• Fréquence de décharge• Synchronisation

Mesure de l’activité  neuronale en temps réel.Contrôle des stimulations sensorielles, des paramètres comportementaux

Chaise de contention pour primate.

Dispositif de distribution automatique de la récompense.

Dispositif de contrôle de l'état de la manette.

Ecran de projection des stimuli.

Ordinateur de gestion des paramètres du conditionnement.

Neurophysiologie chez l’animal

Corps du micro-descendeur.

Electrode.

Chambre d'enregistrement.

Os crânien.

Cortex.

Méthodologie pour la neurophysiologie extra-cellulaire chez l’animal éveillé en situation de comportement.

fenêtres de discrimination

Discrimination de potentiels d’action par seuillage.

Discrimination de potentiels d’action par algorithme de reconnaissance de formes d’onde.

Le PSTH, un outil d’analyse des propriétés neuronales

Neurone du cortex prémoteur dont la décharge est corrélée avec la direction du mouvement du bras.

cellulestimulus

oeil

cellulestimulus

oeil

Exemple d’étude: Amplification de l’activité neuronale par le comportement

Limites de l’étude de la fréquence de décharge:

Ne permet pas de réponde à la question du liage entre différents aspects complémentaires de l’information.

Wolf Singer

There is increasing evidence that neuronal networks can operate with a temporal resolution in the millisecond range. In principle, this provides the option to encode information not only in the amplitude of neuronal reponses but also in the precise temporal relations between the discharges of distributed neurons.

Etude de la synchronisation de l’activité neuronale

Cellule Astimulus

Cellule Bstimulus

Comment le cerveau attribue-t-il une signification aux messages neuronaux si ceux-ci sont tous identiques?

?

• Substances pharmacologiques (inhibitrices)

• Froid ou électrocoagulation

• Objectifs escomptés:

(1) Simuler, chez l’animal, une lésion accidentelle chez

l’homme

(2) Etudier la fonction d’une aire

(3) Etudier le rôle d’une aire dans la fonction d’une

autre partie du cerveau

Lésions et inactivation réversibles

• neuropsychologie

Inactivation réversible du cortex pariétal chez le singe:

•Déficits de manipulation

•Même observation chez l’homme après atteinte du LPI

IRM fonctionnelle chez l’homme

Z-score

2

8

CN

pre-SMA

y = 4 mm (1) y = 12 mm (8) y = 24 mm (20)

Regions activatées dans les deux tâches

pre-SMA/cis

SAMP MPP SAMP*MPPVAC

IRM fonctionnelle chez l’homme et chez le singe

Homme Singe