A biophysical cortical column model for optical signal analysis
Un modèle biophysique de colonne corticale pour l'analyse du signal d'imagerie optique
Résumé
Voltage-sensitive dye imaging (VSDI) is a powerful modern neuroimaging technique whose application is expanding worldwide because it offers the possibility to monitor the neuronal activation of a large population with high spatial and temporal resolution. In this thesis, we investigate the biological sources of the voltage-sensitive dye signal (VSD signal), since this question remains unresolved in the literature. What does the voltage-sensitive dye imaging signal measures? This question is difficult to resolve at the physiological level as the signal is multi-component: The dye reflects the dynamics of the membrane potential of all membranes in the neuronal tissue, including all layers of the circuitry, all cell types (excitatory, inhibitory, glial) and all neuronal compartments (somas, axons, dendrites). To answer this question, we propose to use a biophysical cortical column model, at a mesoscopic scale, taking into account biological and electrical neural parameters of the laminar cortical structure. The model is based on a cortical microcircuit, whose synaptic connections are made between six specific populations of neurons, excitatory and inhibitory neurons in three main layers. Each neuron is represented by a reduced compartmental description with conductance-based Hodgkin-Huxley neuron model. The model is fed by a thalamic input with increasing activity, background activity and lateral connections. Isolated neurons and network behavior have been adjusted to fit data published in the literature. The so-calibrated model offers the possibility to compute the VSD signal with a linear formula. We validated the model by comparing the simulated and the measured VSD signal. Thanks to the compartmental construction of this model, we confirm and quantify the fact that the VSD signal is the result of an average from multiple components, with excitatory dendritic activity of superficial layers as the main contribution. It also suggests that inhibitory cells, spiking activity and deep layers are contributing differentially to the signal dependently on time and response strength. We conclude that the VSD signal has a dynamic multi-component origin and propose a new framework for interpreting VSD data.
L'imagerie optique extrinsèque basée sur l'utilisation de colorants sensibles aux potentiels (VSD) est actuellement la seule technique de neuroimagerie offrant la possibilité d'observer l'activité d'une large population de neurones avec une forte résolution spatiale et temporelle. Dans cette thèse, notre but est d'étudier les origines biologiques du signal d'imagerie optique (signal VSD), étant donné que cette question reste sans réponse claire dans la littérature. Identifier l'origine du signal VSD est difficile au niveau physiologique car les molécules de colorant reflètent la dynamique du potentiel de membrane de toutes les membranes du tissu cortical, incluant toutes les couches corticales, tous les types de cellules (excitatrices, inhibitrices, gliales) et tous les compartiments neuronaux (somas, axons, dendrites). Pour répondre à cette question, nous proposons dans cette thèse d'utiliser un modèle biophysique de colonne corticale, à une echelle mésoscopique, prenant en compte les paramètres neuronaux biologiques connus de la structure corticale. Le modèle est basé sur un microcircuit cortical à six populations de neurones interconnectés: une population excitatrice et une population inhibitrice dans chacune des trois principales couches du cortex. Chaque neurone est représenté par une structure morphologique réduite à compartiments avec une dynamique de type Hodgkin-Huxley. Le modèle est alimenté par une activité spontanée, des connexions latérales et une entrée thalamique d'intensité croissante. Les neurones isolés et le comportement en réseau ont été ajustés pour correspondre à des données publiées dans la littérature. Le modèle ainsi ajusté offre ainsi la possibilité de calculer le signal VSD avec une formule linéaire. Nous avons validé le modèle en comparant le signal VSD simulé et le signal VSD mesuré expérimentalement. Grâce à la construction compartimentale de ce modèle, nous confirmons et quantifions le fait que le signal VSD est le résultat d'une moyenne de plusieurs composantes, avec comme contribution majeure, l'activité dendritique des neurones excitateurs des couches superficielles du cortex. Le modèle suggère également que les neurones inhibiteurs, l'activité supraliminaire et les couches profondes participent également au signal, et ce de manière dépendante du temps et de la force de la réponse. Nous arrivons à la conclusion que le signal VSD possède une origine multicomposante dynamique et proposons un nouveau formalisme pour l'interpréter.