Projet de recherche P7/11 (Action de recherche P7)
1. Etudier les réseaux cérébraux fonctionnels qui sous-tendent différents aspects de la perception, de l’action et de la cognition chez l’homme normal, en condition pathologique et chez le primate non-humain (PNH). Nous mettrons l‟accent sur la connectivité anatomique, fonctionnelle et effective et sur la recherche de causalité, dans le but de tester et de développer des modèles théoriques biologiquement contraints pour comprendre le fonctionnement cérébral. Le consortium se réfèrera largement à l‟expertise communément développée et aux expériences en collaboration réalisées durant les phases précédentes du programme de PAI, dans lesquelles la neuroimagerie chez le singe, développée par le groupe coordinateur, joue un rôle crucial pour établir des liens entre les études de neuroimagerie chez l‟homme et les connaissances acquises en électrophysiologie chez le singe.
2. Supporter les neurosciences cognitives en Belgique et promouvoir l‟indépendance de jeunes chercheurs. Plus de dix jeunes investigateurs principaux participent au présent consortium, par rapport à la phase précédente du PAI. Nous voulons renforcer les collaborations entre les équipes disposant d‟expertises différentes, en nous basant sur le principe selon lequel « le tout est plus que la somme de ses parties ». Chaque fois que ce sera possible, nous étudierons des fonctions cérébrales semblables chez l‟homme normal, en condition pathologique et chez le singe, en utilisant des paradigmes expérimentaux similaires. Nous allons développer et implémenter des méthodes d‟analyse comparatives nouvelles et nous partagerons les images et les techniques d‟analyse. Nous organiserons des réunions générales, des symposia, des séminaires et des réunions de travail en commun, et des programmes communs de formation aux doctorants.
3. Le projet couvre un nombre appréciable de domaines de recherche en collaboration, chez l‟homme et chez le singe, avec une approche privilégiée du système visuel au sens large, incluant ses efférences, ses interactions avec des processus cognitifs comme les traitements numériques et symboliques, l‟exploration des influences des structures de contrôle exécutif de haut niveau ou des facteurs « extra-rétiniens » comme l‟attention et les phénomènes de récompense sur la perception et les traitements d‟informations visuelles. Comme c‟était le cas lors des programmes PAI précédents, certains partenaires vont poursuivre l‟étude des représentation tri- ou bi-dimensionnelles de stimuli biologiques (des visages et des parties de corps) ou non-biologiques, et de leurs liens avec les systèmes d‟observation et d‟exécution de l‟action, en intégrant les données d‟enregistrement unicellulaire (EU) et du potentiel de champ local aux données en résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) obtenues chez le singe et chez l‟homme. Ainsi, le programme comporte une étude multi-sites de l‟intégration des explorations EU/IRMf lors de la perception des quantités chez l‟homme et chez le singe. Différents partenaires vont collaborer à l‟étude de l‟intégration dans les réseaux corticaux impliqués dans le contrôle cognitif, comme les processus de référence à soi, l‟attention sélective, les mémoires à court et à long terme, et des processus d‟inhibition, de gestion de tâches multiples et de flexibilité mentale. .Des comparaisons sont programmées entre sujets de contrôles jeunes et âgés, et des troubles d‟intégration seront étudiés chez des patients avec maladie d‟Alzheimer, avec des lésions focales vasculaires, avec des pathologies du développement comme l‟autisme ou chez des sujets en état de conscience minimale. Le consortium va également explorer la plasticité du cerveau adulte induite par l‟apprentissage perceptual et moteur et celle qui se développe suite à une lésion cérébrale irréversible.
4. Les études en cours sur les particularités des l‟enregistrements électroencéphalographiques (EEG) et en IRMf au cours du sommeil chez l‟homme seront complétées par des études comparatives chez le singe et par des études de l‟état de conscience de patients en coma ou en “locked-in syndrome”, par un nouvel Investigateur principal dans notre consortium, S. Laureys (ULg). Les variations de connectivité fonctionnelle entre différents états seront étudiées via des examens IRMf ou EEG comparant des sujets humains éveillées et anesthésiés et des singes, en utilisant de nouvelles approches d‟analyses.
5. Suite aux recommandations émises lors de notre précédente évaluation, nous avons réduit le nombre de tâches de 6 à 4. En fait, l‟augmentation du nombre de chercheurs impliqués dans le présent PAI nous permet de couvrir les domaines des tâches sélectionnées avec plus de détails. De la sorte, nous proposons moins de tâches, mais il y a plus d‟expérimentations prévues par tâche. Dans la Tâche 1 concernant la perception visuelle, nous étudierons la représentation de visages et de parties du corps, des formes tridimensionnelles, et puis la façon dans les représentations sont modulées par l‟apprentissage perceptif et par des influences « extra-rétiniennes » comme l‟attention et la récompense. Une comparaison sera faite entre des analyses de type “multi-voxel pattern” et des mesures de sélectivité basées sur l‟adaptation. Il existe une transition entre les Tâches 1 et 2, dans la mesure où l‟attention sera abordée dans les deux ensembles de projets. La Tâche 2 est dévolue à l‟étude des fonctions de contrôle exécutif, y compris les mémoires à court et à long terme, les fonctions d‟inhibition, et leurs relations avec les représentations numériques et les applications de règles. La Tâche 3 est dévolue à l‟étude de l‟action, l‟observation, l‟exécution ainsi que le codage cérébral du but et de l‟intention. Finallement, la Tâche 4 est technologique, avec pour but d‟améliorer les différentes mesures de connectivité et les méthodes de “perturbation” cérébrale qui permettent de réaliser des expériences visant à tester la causalité ou la connectivité effective. Les analyses seront faites sur les données acquises dans les autres Tâches. La Tâche 4 comporte aussi des projets visant à améliorer significativement la résolution spatiale des mesures en IRMf.
Méthodologie:
1. Nous nous baserons sur les développements technologiques préalablement réalisés au sein du consortium, qui ont été hautement appréciés lors de l‟évaluation « ex-post » de notre PAI (phase VI). Notre nouveau projet se concentre sur des expériences de connectivité effective (causalité), qui nécessitent une perturbation (ir)réversible de partie d‟un réseau fonctionnel, et l‟évaluation concommittante des conséquences comportementales ainsi que des effets locaux et à distance, en utilisant l‟enregistrement unicellulaire et/ou l‟IRMf. Nous utiliserons une batterie de méthodes de « perturbation », chacune avec ses spécificités spatio-temporelles et son caractère plus ou moins invasif, qui sont déjà implémentées ou en cours de développement au sein du consortium. Elles incluent la stimulation magnétique transcrânienne (TMS), la stimulation transcrânienne par courant direct chez l‟homme et le singe, éventuellement combinée à des acquisitions de potentiels évoqués ou d‟IRMf. On utilisera aussi la combinaison de microstimulations électriques et d‟IRMf et l‟enregistrement unicellulaire chez le singe, la stimulation pharmacologique et optogénétique (cellule-spécifique) dans des protocoles d‟inactivation couplés à l‟IRMf et l‟enregistrement unicellulaire chez le singe. Pour tester la contribution critique de certaines régions cérébrales, nous comparerons également les résultats obtenus avec la TMS à ceux observés chez des patients avec des lésions focales.
26. A partir de nos récents succès concernant l‟implantation de “bobines Rx” chez le singe, nous voulons développer et implémenter une acquisition en IRMf à très haute résolution (≤0.1mm3) qui couvre tout le cerveau du singe, afin de permettre l‟étude de couches ou de colonnes corticales spécifiques. De nouveaux agents de contraste seront indispensables dans cette optique, ils seront développés et testés au sein du consortium.
3. Nous expérimenterons de nouvelles méthodes d‟analyse pour les données en IRMf et les données électrophysiologiques, en utilisant des stratégies de décodage du signal, des statistiques non-paramétriques, la quantification d‟images de diffusion à l‟aide de méthodes probabilistes, des méthodes d‟analyse de correspondance fonctionnelle entre espèces, des méthodes de théories des graphes. Il y aura un effort au sein du consortium pour comparer les mesures d‟adaptation, les analyses en composantes indépendantes, les mesures basées sur les classificateurs pour appréhender la spécificité des réponses aux stimuli en IRMf et en enregistrement unicellulaire. Les groupes à orientation plus techniques, dont les nouveaux partenaires de l‟Université d‟Anvers (J. Sijbers) et le partenaire étranger de Paris (H. Benali) joueront un rôle « clé » pour optimiser les acquisitions et les outils d‟analyses.
4. Nous pourrons combiner les efforts de nos différents groupes pour étudier la connectivité fonctionnelle et effective entre des régions cérébrales en condition de repos et lors d‟acquisitions en IRMf pendant de tâches spécifiques, chez l‟homme et chez le singe, avec chez ce dernier des enregistrements unicellulaires simultanés dans différentes régions cérébrales. Sur le versant des images structurelles, nous expérimenterons de nouvelles méthodes de traçage de faisceaux in-vivo chez le singe. Des données de haute définition basées sur des séquences optimisées de diffusion incluant des images de tenseurs de diffusion et de « kurtosis » de diffusion seront intégrées pour construire des atlas de mesures de diffusion. Ces mesures indirectes de connectivité seront comparées avec le “standard absolu”, à savoir la tractographie anatomique cérébrale réelle développée chez notre partenaire étranger de Parme, un des experts mondiaux dans le domaine.
