La musique du cerveau : Modélisation des mécanismes de genèse et maintien des rythmes oscillatoires neuronaux - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Habilitation À Diriger Des Recherches Year : 2021

The Music of the Brain: Modeling the Mechanisms of Genesis and Maintenance of Neuronal Oscillatory Rhythms

La musique du cerveau : Modélisation des mécanismes de genèse et maintien des rythmes oscillatoires neuronaux

Abstract

This essay synthetizes my past ten year research activities in computational neurosciences, lead in collaboration with several colleagues, including my Ph.D. students. It also gives an overview of my work in a longer-term project at the crossroads between mathematical modeling, computer science and simulation, fundamental neurosciences, and biomedical applications in neurology and psychiatry. My main interests lies in the influence of microscopic neuronal intrinsic properties and neuron interactions, at the mesoscopic scale, on the generation of macroscopic physiological rhythms. This multi-scale modeling approach aims to elucidate physiological mechanisms of the healthy and pathological brain, to complete or guide experimental protocols in biology, ant to test hypotheses still inaccessible with today’s experimental techniques. After an introduction about my motivations and my definition of “rhythms” or “oscillations”, the first part summarizes our contributions in terms of modeling of cerebral rhythms. Those contributions concern both the methodological aspects, especially the synchronization ability of commonly used spiking neuron models or the use of stochastic optimization methods to adjust the parameters of neural models, and the theoretica lascpects regarding the understanding of the mechanisms involved in the generation and maintenance of oscillations underlying the execution of certain cognitive (memory enco-ding) or motor functions (tremors in Parkinson Disease), conscious states (sleep, general anesthesia) or neurologic disorders (focal mesial temporal lobe epilepsy, Parkinson disease). The developed models take into account the singular induvidual cell properties as well as their interactions (connectivity) and their environnement (anatomy of the cerebral structures under investigation, hippocampus and basal ganglia, nay the simulationof the electrod measure), namely the substrate, the instrument, allowing us to reproduce the observable phenomena, the oscillations, that can be compared to music. In the second part, my long-term research project is developed, both as an extension and a broadening of my research spectrum, and of the subjects already tackled in the first part. This deals more specifically with the fields of neurology and psychiatry. Indeed, our previous works highlighted, at the microscopic scale, features that are common to the pathological phenomena regarded and that are worth considering in modeling in order to understand the mechanisms involved in the observed macroscopic and behavioral responses. I essentially focus on the expression of cellular ion channels, particularly calcium and potassium (voltage-gated or not), and ion homeostasis. This expression can be influenced by the environment or the individual genetic specificities encountered in pathological conditions, as a cause or a consequence.
Ce mémoire synthétise les dix dernières années de mon activité de recherche en neurosciences computationnelles, menée en collaboration avec des collègues de plusieurs disciplines, dont les doctorants que j’ai pu encadrer, et mise en perspective dans un projet de plus grande ampleur à la croisée de la modélisation mathématique, de l’informatique,des neurosciences fondamentales et d’applications en neurologie et psychiatrie. Je m’intéresse de manière générale à l’influence des propriétés intrinsèques microscopiques et aux interactions neuronales mésoscopiques dans la génération des oscillations observées, au niveau macroscopique, dans les enregistrements physiologiques. Cette approche de modélisation multi-échelle vise à élucider des mécanismes physiologiques du fonctionnement cérébral sain ou pathologique, à compléter ou orienter la démarche expérimentale en biologie et à tester des hypothèses aujourd’hui encore inaccessibles à l’observation expérimentale. Après être revenue, en introduction, sur nos motivations et la définition de “rythmes” ou “oscillations”, la première partie résume les contributions apportées par nos travaux de modélisation des rythmes cérébraux. Celles-ci portent à la fois sur le plan du développement méthodologique en modélisation, notamment sur l’étude des capacités de synchronisation de certains modèles de neurones couramment utilisés ou l’utilisation de techniques d’optimisation stochastique pour l’ajustement des paramètres de modèles neuronaux, et, sur le plan théorique, sur la compréhension des mécanismes de genèse et maintien des oscillations qui sous-tendent certaines tâches cognitives (encodage mnésique) ou fonctions motrices (tremblements dans la maladie de Parkinson),états de conscience (sommeil, anesthésie générale) ou pathologies neurologiques (épilepsies du lobe temporal mésian, maladie de Parkinson). Les modèles développés prennent en compte autant les propriétés singulières des cellules que leurs relations (connectivité)et leur environnement (anatomie des structures étudiées, hippocampe et ganglions de la base, voire simulation de la mesure par une électrode), c’est-à-dire le substrat, l’instrument, qui permettent de reproduire les observables, oscillations comparables à de la musique. La seconde partie décrit le projet de recherche envisagé, à la fois dans le prolongement et dans l’élargissement du spectre des domaines abordés, plus particulièrement dans le champ de la neurologie et de la psychiatrie. En effet, nos travaux antérieurs ont mis en évidence, à l’échelle microscopique, des points communs aux phénomènes pathologiques considérés qu’il semblerait inopportun de négliger dans la modélisation si l’on souhaite comprendre les mécanismes impliqués dans les observations macroscopiques et les réponses comportementales. Il s’agit essentiellement de l’influence de l’environnement,d’une part, ou des spécificités génétiques des individus, d’autre part, sur l’expression des canaux ioniques cellulaires, en particulier calciques et potassiques, et l’homéostasie ionique. Cette partie du manuscrit fait également apparaître des résultats préliminaires
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Dates and versions

tel-03172559 , version 1 (18-03-2021)
tel-03172559 , version 2 (10-05-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03172559 , version 2

Cite

Laure Buhry. La musique du cerveau : Modélisation des mécanismes de genèse et maintien des rythmes oscillatoires neuronaux. Neurosciences [q-bio.NC]. Université de Lorraine, 2021. ⟨tel-03172559v2⟩
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