Academic literature on the topic 'Cartographie de l'ensemble de l'activité cérébrale'

Les comportements sont codés par des circuits neuronaux, englobant le cerveau, qui changent avec l'âge et l'expérience. L'immunodétection du gène c-Fos est utilisée depuis des décennies pour révéler les circuits neuronaux activés lors de tâches ou de conditions spécifiques. La méthode c-Fos présente cependant deux limites : 1) L'expression du c-Fos est limitée dans le temps. 2) Les quantifications sont chronophages et souvent limitées à une seule région cérébrale. Le premier objectif de ma thèse consistait à relever les défis actuels liés à l’étude de l'activité neuronale impliquée dans différents comportements à l’échelle du cerveau entier. Ainsi, j'ai développé un workflow contournant les limitations temporelles et spatiales associées à c-Fos. La combinaison de l’expression c-Fos avec celle de tdTomato, Cre-dépendante du c-Fos (souris TRAP2), m’a permis de visualiser et d'effectuer une comparaison directe des circuits neuronaux activés à différents moments ou au cours de différentes tâches. En utilisant des logiciels libres d’acces (QuPath et ABBA), j'ai établi un workflow qui optimise et automatise la détection des cellules, leur classification (c-Fos vs. c-Fos/tdTomato) et l'enregistrement du cerveau entier. Ce workflow automatique, basé sur des scripts entièrement automatisés, permet une quantification précise du nombre de cellules avec une variabilité interindividuelle minimale. De plus, l'interrogation d’atlas cérébraux à différentes échelles (de simplifiée à détaillée) a été réalisée, permettant un zoom progressif sur des régions cérébrales définies afin d'explorer la distribution spatiale des cellules activées. Enfin, j'ai illustré le potentiel de cette approche en comparant les schémas d'activation neuronale dans divers contextes (états de vigilance, comportement social) dans des groupes d'animaux distincts ainsi qu'au sein des mêmes animaux. Enfin, BrainRender a été utilisé pour la représentation intuitive des résultats obtenus. Ainsi ce workflow automatisé et accessible à tous les laboratoires ayant une expérience en histologie permet une analyse impartiale, rapide et précise de l'ensemble du modèle d'activité cérébrale au niveau cellulaire, dans différents contextes. Mon deuxième objectif consistait à étudier l'interdépendance de comportements spécifiques par l’étude des effets de la privation de sommeil paradoxal sur l'apprentissage perceptif olfactif. Cette tâche d'apprentissage est définie comme une capacité à discriminer entre deux odorants perceptivement similaires après une exposition passive à celles-ci pendant 10 jours, un processus partiellement dépendant de la neurogenèse adulte. c-Fos, en combinaison avec l’expression de tdTomato (souris TRAP2), m’a permis de visualiser l'activité neuronale avant et après l'apprentissage perceptif. Une privation de sommeil paradoxal automatisée pendant 4 heures par jour après cet apprentissage à permis d’observer une absence de discrimination olfactive. Ainsi sont posées des bases solides pour de futures études, impliquant notre workflow automatisé pour évaluer l'activité neuronale dans le bulbe olfactif et les centres olfactifs supérieurs du cerveau. En outre, le rôle des nouveaux neurones et l'impact de la privation de sommeil paradoxal sur leurs schémas d'activité seront explorés ultérieurement. En conclusion, le travail présenté dans ma thèse apporte des avancées méthodologiques significatives en développant un workflow automatisé sur l'ensemble du cerveau pour visualiser et comparer les circuits neuronaux activés dans différents comportements. Ainsi, l'exploration de l'impact de la privation de sommeil paradoxal sur l’apprentissage perceptif olfactif met en évidence la relation complexe entre le sommeil et le traitement sensoriel, posant les bases de futures recherches sur les mécanismes neuronaux qui sous-tendent ces processus
Behaviors are encoded by widespread neural circuits within the brain which change with age and experience. Immunodetection of the immediate early gene c-Fos has been used for decades to reveal neural circuits activated during specific tasks or conditions. While successful, c-Fos method presents two limitations: 1) c-Fos expression is restricted in time, and cannot be used to follow up the same neurons activation over time or in response to different stimuli. 2) Quantifications are time consuming and often performed for a single brain region which restricts spatial information. A first objective of my thesis consisted in addressing challenges associated with whole brain probing of neuronal activity involved in higher sensory information processing. To this end, I developed and benchmarked a workflow that circumvents temporal and spatial limitations associated with c-Fos quantification. I combined c-Fos with c-Fos driven Cre-dependent tdTomato expression (i.e. TRAP2 mice), to perform a direct comparison of neural circuits activated at different times or during different tasks. Using open-source softwares (i.e. QuPath and ABBA), I established a workflow that optimize and automate cell detection, cell classification (e.g. c-Fos vs. c-Fos/tdTomato) and whole brain registration. This automatic workflow, based on fully automatic scripts, allows accurate quantification with minimal interindividual variability. Further, interrogation of brain atlases at different scales (from simplified to detailed) was performed, allowing a gradual zoom on defined brain regions to explore the spatial distribution of activated cells. I finally illustrated the potential of this approach by comparing patterns of neuronal activation in various contexts, i.e. wakefulness, paradoxical sleep and social interaction tasks, in distinct animal groups as well as within the same animals. Finally, BrainRender was used for intuitive representation of obtained results. Altogether, this automated workflow accessible to all labs with some experience in histology, allows an unbiased, fast and accurate analysis of the whole brain activity pattern at the cellular level, in various contexts. As an extension of this work, the second objective of my PhD focused on investigating the interdependence of specific behaviours. To this end, I studied effects of paradoxical sleep deprivation on olfactory perceptual learning. This learning task is defined as an enhanced ability to discriminate between two perceptually similar odorants following passive exposure to these 2 odorants for 10 days, a process partially reliant on adult neurogenesis. I used c-Fos immunohistochemistry in combination with tdTomato expression (TRAP2 mice), to visualize neuronal activity before and after perceptual learning. I have implemented a chronic automated paradoxical sleep deprivation for 4 hours per days following the olfactory perceptual learning protocol. Our behavioural data revealed that paradoxical sleep deprivation altered the improvement of odour discrimination. This work lays a solid foundation for future studies, which will extend the automated workflow I developed to evaluate neuronal activity within the olfactory bulb, as well as in higher olfactory centres in the brain. Additionally, the role of adult-born neurons and the potential impact of paradoxical sleep deprivation on their activity patterns will be explored further. In conclusion, the work presented in my thesis provides significant advancements in addressing the limitations of traditional c-Fos quantification methods by developing an automated, whole-brain workflow to visualize and compare neural circuits activated under different conditions. Furthermore, the exploration of the impact of paradoxical sleep deprivation on perceptual learning highlights the intricate relationship between sleep and sensory processing, laying the groundwork for future investigations into the neural mechanisms underlying these processes

La cartographie cérébrale est une représentation des signaux électriques enregistrés à la surface du scalp. Elle permet de mettre en évidence des relations spatiales et temporelles entre les différentes structures du cortex cérébral, tache difficile à accomplir avec une analyse directe des signaux. Les cartes obtenues représentent une image qui synthétise ces relations. Nous avons cité les problèmes qui se présentent lors de la construction des cartes et nous proposons différentes méthodes pour l'amélioration de cette représentation. Tout d'abord les méthodes de reconstruction des cartographies qui effectuent le calcul sur une surface sphérique sont comparées, conduisant au choix d'une méthode précise et efficace. Ensuite, un ensemble d'algorithmes est proposé, permettant une représentation tridimensionnelle d'un objet synthétique qui simule la forme réelle d'une tète humaine. Deux exemples d'application sont présentés. L'analyse des points épileptiques intercritiques à l'aide de la cartographie tridimensionnelle nous a permis d'évaluer les avantages du système proposé. La dernière partie est consacrée à l'étude des potentiels évoqués visuels, dont l'analyse d'une population de référence nous a conduit à la classification topographique de deux groupes présentant des réponses visuelles normales

Nous avons développé un système de cartographie cérébrale tridimensionnelle utilisant les images de synthèse. Cette nouvelle forme de représentation possède sur la cartographie plane jusqu'alors utilisée l'avantage d'une localisation topographique plus précise des extremums de l'activité électrique cérébrale. La meilleure résolution spatiale obtenue est due à l'utilisation combinée d'un modèle de tête humaine réaliste et de méthodes d'interpolations tridimensionnelles fiables. La visualisation en cours d'enregistrement des cartographies, ainsi que l'enregistrement image par image sur magnétoscope, permet une approche dynamique du système nerveux central. Le système a en outre été doté des techniques d'analyse les plus récentes (cartographie de densité de courant, méthodes de localisation des sources de l'EEG), ce qui en fait certainement à l'heure actuelle l'un des outils les plus performants dans son domaine d'application. Une évaluation statistique des principales méthodes d'interpolation applicables à la cartographie tridimensionnelle nous a permis de retenir une méthode fiable d'interpolation. De nouvelles méthodes de calcul des cartographies de densité de courant ont été développées. Par application de la méthode de localisation des dipôles (DLM), un algorithme itératif performant a été élaboré pour converger rapidement vers les dipôles de courant situés à l'intérieur du cerveau et supposés être les générateurs de l'activité électrique cérébrale. L'utilisation de réseaux de processeurs parallèles du type transputers IMMOS a permis d'accélérer considérablement les calculs

L’activité cérébrale au repos fait l’objet de nombreuses investigations en imagerie fonctionnelle depuis quelques années. Une importante hypothèse a été émise quant à la relation entre cette activité et les pensées spontanées rapportées en grand nombre au cours de cet état. Pour tester cette conjecture, ce travail s’est réalisé en trois parties. La première, à partir d’un questionnaire introspectif spécialement conçu, a exploré les activités mentales de 180 témoins volontaires sains au cours d’une condition de repos conscient réalisée en imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle. Les résultats ont mis en évidence une activité mentale variée chez les participants où des profils spécifiques de pensées spontanées ont cependant été révélés. Dans la seconde partie, nous avons mis en exergue une organisation fonctionnelle hiérarchique du cerveau, définie à travers 2 systèmes, 5 modules et 23 réseaux cérébraux. L’étude de la connectivité fonctionnelle a ensuite montré une bipartition générale du cerveau, incluant néanmoins des interactions spécifiques, à chacun des autres niveaux. Finalement, dans la troisième partie, s’appuyant sur les résultats des deux précédentes, nous avons analysé les effets des activités mentales spontanées sur les valeurs de la connectivité fonctionnelle entre les modules et entre les réseaux respectivement sur un groupe de 340 sujets. Notre étude révèle l’existence d’une relation directe entre les processus mentaux spontanés et l’activité cérébrale au repos. Ainsi, nous avons montré que les modulations des interactions fonctionnelles entre différents réseaux cérébraux reflèteraient le contenu des pensées spontanées pendant cet état
Brain activity at rest has been the subject of numerous investigations in functional imaging for few years. A major hypothesis was put forward about the relationship between this activity and spontaneous thoughts mainly reported during this state. In order to test it, this work was realized in three parts. The first one consisted of exploring mental activities of 180 healthy participants, using an introspective questionnaire designed for that purpose, during a condition of a conscious resting state realized in functional magnetic resonance imaging. Results highlighted various mental activities among participants where specific profiles of spontaneous thoughts were revealed. In the second part, we revealed a hierarchical functional organization of the brain through 2 systems, 5 modules and 23 resting state networks. Study of functional connectivity showed a global bipartition of the brain, including, nevertheless, specific interactions at each other level. Finally, in the third part, based on the two previous ones, we analyzed effects of spontaneous mental activities on functional connectivity values between modules and between networks on a group of 340 participants, respectively. Our study reveals a direct relationship between spontaneous mental processes and brain activity at rest. Thus, we showed that modulations of functional interactions between the different brain networks would reflect content of spontaneous thoughts during this state

L'étude de la physiologie du mouvement volontaire peut être envisagée par l'étude de la réactivité des rythmes électroencéphalographiques (EEG) en relation avec les différentes phases du mouvement. Cette analyse utilise la quantification des désynchronisation et synchronisation liées à l'événement (DLE/SLE) qui consiste à mesurer l'évolution temporelle des modifications de puissance des rythmes EEG mu et béta centraux. Cette méthode a été utilisée comme technique de cartographie fonctionnelle afin d'étudier les relations et coopérations entre aires corticales activées lors de différents types de mouvements chez le sujet sain et le patient parkinsonien. Chez le sujet sain jeune, comparé aux mouvements distal et proximal, la préparation du mouvement proximo-distal de pointage visuo-guidé active de manière plus précoce les régions centrales controlatérales et implique en plus les régions pariétales postérieures. Suite à ce mouvement se produit également une SLE beta plus diffuse et plus ample. Une étude de l'influence du vieillissement cérébral a permis de montrer un pattern d'activation cérébrale plus diffus, impliquant systématiquement les régions ipsilatérales et les régions pariétales postérieures ainsi qu'une atténuation de la SLE beta post-mouvement. Ce résultat était également retrouvé lors d'un mouvement causé par l'inhibition d'une contraction musculaire. Chez le patient parkinsonien, les effets observés chez le sujet âgé sont accrus avec une activation corticale retardée, bilatérale et une absence d'activation de la région pariétale. La SLE béta est très atténuée après les tâches d'activation musculaire et absente après le relâchement. L'ensemble de ces résultats suggère que l'extension du recrutement des régions sensorimotrices au cortex pariétal associatif dans un cortex sain est très liée à l'intégration des informations somesthésiques nécessaire à la préparation et à la réalisation du mouvement. Les modifications observées chez le sujet âgé témoignent d'une réduction de cette intégration sensorimotrice. Chez le patient parkinsonien, nos résultats suggèrent que l'altération de la fonction intégrative sensorielle ainsi que la perturbation des mécanismes d'inhibition motrice participent à l'étiologie des troubles akinéto-rigides. Afin d'améliorer la résolution spatiale de ce type de cartographie fonctionnelle et d'en faciliter l'interprétation physiologique, les techniques de reconstruction 3D IRM, de déconvolution et de fusion EEG-IRM ont été utilisées et un nouvel outil appelé DLE/SLE corticales permet maintenant d'établir de manière non invasive des cartes fonctionnelles directement à la surface du cortex avec une haute résolution temporo-spatiale
The physiology of voluntary movement can be studied using analysis of electroencephalographic (EEG) rhythms reactivity related to differents movement steps. This analysis uses quantification of event-related desynchronization and synchronization (ERD/ERS) which consist of measuring time-course of power changes of central mu and beta EEG rhythms. This method has been used as functional mapping technics in order to investigate relations and cooperations between activated cortical areas during various types of movement. In young healthy subject, compared to distal and proximal movement, preparatory process of proximo-distal, visuo-guided targeting movement showed an earlier activation of contralateral central area and an involvement of posterior parietal regions. Following this movement, beta ERS was greater and more widespread. Effect of aging study allowed to show a more widespread pattern of cerebral activity, involving systematically ipsilateral central and posterior parietal regions and an attenuation of the post-movement beta ERS. This result was also found for a movement resulting from muscle contraction inhibition. In the parkinsonian patient, effects observed in elderly healthy subjects were increased with a delayed and bilateral cortical activation and a lack of ERD over parietal region. Beta ERS is much attenuated after contraction tasks and absent after muscle relaxation. All these results suggests that the spreaded recruitment of sensorimotor regions to associative parietal cortex in an healthy cortex is tightly related to somesthetic information integration required in motor programmation and performance. Changes observed in elderly healthy subject traduce a reduction of this sensorimotor integration. In the parkinsonian patient, our results suggest alteration of this sensorial integrative function and a disturbance of motor inhibitory mechanisms which contribute to explain akineto-rigid disorders. In order to improve spatial resolution of this type of functional mapping, headmodelization from MRI, deblurring and fitting EEG-MRI have been used and a new tool named “cortical ERD/ERS” now allows to make non invasively functional maps directly at the cortical surface with high temporo-spatial resolution

Les neurosciences computationnelles ont permis de développer des outils mathématiques et informatiques permettant la création, puis la simulation de modèles représentant le comportement de certaines composantes de notre cerveau à l’échelle cellulaire. Ces derniers sont utiles dans la compréhension des interactions physiques et biochimiques entre les différents neurones, au lieu d’une reproduction fidèle des différentes fonctions cognitives comme dans les travaux sur l’intelligence artificielle. La construction de modèles décrivant le cerveau dans sa globalité, en utilisant une homogénéisation des données microscopiques est plus récent, car il faut prendre en compte la complexité géométrique des différentes structures constituant le cerveau. Il y a donc un long travail de reconstitution à effectuer pour parvenir à des simulations. D’un point de vue mathématique, les différents modèles sont décrits à l’aide de systèmes d’équations différentielles ordinaires, et d’équations aux dérivées partielles. Le problème majeur de ces simulations vient du fait que le temps de résolution peut devenir très important, lorsque des précisions importantes sur les solutions sont requises sur les échelles temporelles mais également spatiales. L’objet de cette étude est d’étudier les différents modèles décrivant l’activité électrique du cerveau, en utilisant des techniques innovantes de parallélisation des calculs, permettant ainsi de gagner du temps, tout en obtenant des résultats très précis. Quatre axes majeurs permettront de répondre à cette problématique : description des modèles, explication des outils de parallélisation, applications sur deux modèles macroscopiques
Computational Neuroscience helped develop mathematical and computational tools for the creation, then simulation models representing the behavior of certain components of our brain at the cellular level. These are helpful in understanding the physical and biochemical interactions between different neurons, instead of a faithful reproduction of various cognitive functions such as in the work on artificial intelligence. The construction of models describing the brain as a whole, using a homogenization microscopic data is newer, because it is necessary to take into account the geometric complexity of the various structures comprising the brain. There is therefore a long process of rebuilding to be done to achieve the simulations. From a mathematical point of view, the various models are described using ordinary differential equations, and partial differential equations. The major problem of these simulations is that the resolution time can become very important when important details on the solutions are required on time scales but also spatial. The purpose of this study is to investigate the various models describing the electrical activity of the brain, using innovative techniques of parallelization of computations, thereby saving time while obtaining highly accurate results. Four major themes will address this issue: description of the models, explaining parallelization tools, applications on both macroscopic models