Soutenance de thèse de Margaux DURET

Ecole Doctorale
Sciences de la Vie et de la Santé
Spécialité
Biologie-Santé - Spécialité Neurosciences
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
spatio-fonctionnel,cortex moteur,atteinte,saisie,
Keywords
spatio-functional,motor cortex,reaching,grasping,
Titre de thèse
Organisation spatiale et temporelle de l'activité des neurones du cortex moteur primaire chez le singe macaque dans une tâche d’atteinte et de saisie.
Spatio-temporal organization of primary motor cortex neuronal activity in macaque monkey during reach-to-grasp movement
Date
Lundi 24 Septembre 2018 à 13:30
Adresse
27 boulevard Jean moulin, 13005 Marseille
salle henri Gastaut-INT
Jury
Directeur de these Thomas BROCHIER Institut de neurosciences de la Timone (INT), Aix-Marseille Université
Rapporteur Marc MAIER CESEM (Centre d'étude de la sensorimotricité)
Rapporteur Eric SCHMIDLIN Unité de physiologie, section de médecine , Université de sciences naturelles de Fribourg
Examinateur Marie-Claude HEPP-REYMOND Institut de neuroinformatique, Université de Zurich
Examinateur Jozina DEGRAAF Institut des Sciences du Mouvement, Aix-Marseille Université
Examinateur Alexa RIEHLE Institut de neurosciences de la Timone (INT)

Résumé de la thèse

Les techniques de stimulation électrique ont permis d’identifier l’aire motrice primaire dédiée au contrôle du mouvement et d’explorer son organisation topographique. Ces approches ont initialement révélé une organisation somatotopique dans laquelle les différentes parties du corps sont contrôlées par des zones corticales distinctes. Les avancées techniques ont fait évoluer cette conception en démontrant une superposition importante des zones de représentation corporelle et en suggérant des niveaux d’organisations topographiques plus globaux en lien avec la finalité éthologique des mouvements à réaliser. Ces observations associées aux données anatomiques soulignant l’hétérogénéité de l’architecture et de la connectivité du cortex moteur, mettent en exergue sa complexité structurelle. Elles permettent d’aborder sous un nouvel angle l’étude des propriétés fonctionnelles de cette aire au cours du mouvement. Dans ce cadre, cette thèse a pour objectif d’étudier les modulations spatiales et temporelles de l’activité neuronale du cortex moteur au cours de la préparation et de l’exécution de mouvements de saisie manuelle. Trois singes macaques ont été entraînés à réaliser une tâche de saisie manuelle dans laquelle le mouvement à effectuer est signalé par un indice visuel et son exécution est précédée d’un délai préparatoire. Chez chaque animal, une matrice multi-électrode à haute densité d’électrodes a été implantée chroniquement afin d’explorer la dynamique d’activation neuronale d’une zone du cortex moteur à l’échelle mésoscopique. Dans une première étude nous avons observé que les modulations de l'activité neuronale associées à différentes époques de la tâche prédominent à différents endroits du cortex moteur. Ces zones de modulations préférentielles se déplacent séquentiellement de la partie antérieure à la partie postérieure du territoire cortical recouvert par la matrice et pourraient refléter différentes étapes de traitement de l’information nécessaires à la réalisation des mouvements de saisie. Ces résultats permettent de préciser les principes d’organisation dynamique du cortex moteur dans les processus fonctionnels de préparation et d’exécution du mouvement. Dans une seconde étude, nous avons utilisé des mesures statistiques de corrélation de variabilité pour explorer la structure spatiale des interactions neuronales dans notre tâche de saisie. Nous avons observé que la force de ces interactions varie entre deux groupes de neurones classés selon la forme de leurs potentiels d’action et supposés représenter d’une part les interneurones et d’autre part les neurones pyramidaux. Ces données préliminaires soulignent l’intérêt de ces mesures de corrélation pour l’analyse des modulations de la connectivité fonctionnelle à l’échelle mésoscopique. L’ensemble de ces observations est discuté en lien avec les différentes hypothèses d’organisation topographique et anatomique des aires motrices corticales. Elles apportent ainsi de nouveaux éléments de compréhension des facteurs régissant l'organisation fonctionnelle du cortex moteur.

Thesis resume

Electrical stimulation techniques have been used to identify the primary motor cortex as the main cortical area dedicated to movement control. These approaches also revealed that this area is topographically organized following somatotopic principles in which different parts of the body are controlled by distinct cortical zones. Technical advances have contributed to challenge this classical view. They demonstrated that the representations of distinct body parts broadly overlap and suggested that other principles related to categories of ethologically relevant behavior contribute to motor cortex organization. These observations combined with anatomical data highlighting the heterogeneity of motor cortex architecture and connectivity emphasize the structural complexity of this cortical area. They also provide a new framework to study the functional properties of this area during movement production. In this context, this thesis aims to study the spatial and temporal modulations of neuronal activity in the motor cortex during the preparation and execution of hand grasping movements. Three macaque monkeys have been trained to perform a grasping task in which the movement to be performed is instructed by a visual cue and its execution is preceded by a preparatory delay. In each animal, a high-density multi-electrode array was chronically implanted in the motor cortex to explore the modulations of neuronal activity at the mesoscopic scale. In a first study we observed that the modulations of neuronal activity in different task epochs occur at distinct locations in the motor cortex. These locations gradually shift from the anterior to the posterior part of the cortical territory covered by the multi-electrode array and could reflect different stages of information processing for movement production. These results reveal novel principles of motor cortex organization based on the functional properties of neuronal activity during preparation and execution of grasping movements. In a second study, we used statistical measures of noise correlation to explore the spatial structure of neural interactions in our grasping task. We observed that the strength of these interactions varies between two groups of neurons distinguished by the shape of their action potentials and putatively identified as interneurons or pyramidal neurons. These preliminary data highlight the potential of these correlation measures to analyze the modulations of functional connectivity at the mesoscopic scale. All these observations are discussed in relation to different models of topographic and anatomical organization of the motor cortex. They thus provide new elements to understand the factors governing the functional organization of this cortical area.