Exploring the dynamics of prefrontal cortex and its implication in working memory and learning
Exploration de la dynamique du cortex préfrontal et son implication dans la mémoire de travail et l'apprentissage
Résumé
Working memory or, maintaining a mental representation of past immediate information to drive coherent actions, is critical feature in the realisation of complex cognitive functions such as planning, decision making, learning, thinking, etc. Experimental evidence point that neural correlates of working memory involves persistent selective activity in the Prefrontal Cortex (PFC). Main accepted mechanisms of persistent activity rely on strong recurrent excitation in PFC whereas selectivity or spatial tuning arises from columnar PFC architecture together with lateral inhibition. However, the mechanisms underlying network bistability remain elusive. On the other hand, mental illnesses such Schizophrenia present PFC disfunction and particularly Working Memory (WM) deficits. Although main theories of the Schizophrenia etiology underline the role of PFC dysconnectivity with subcortical areas, the mechanisms underlying WM deficits in Schizophrenia remain elusive. In this thesis we argue the idea that understanding the neurobiology of the PFC and WM will provide an important knowledge in order to unravel the etiology of mental illnesses with salient cognitive symptoms such Schizophrenia. With the aim to shed some light into these questions, in this thesis, we present original mechanisms for network bistability based on the nonlinearities in the neuronal input-output transfer functions. With this model, we study different mechanisms of state transitions. Additionally, we study how alterations of the biological parameters seen in schizophrenia can shape the spatiotemporal dynamics. Finally, we evaluate a promising treatment for schizophrenia based on cerebellar stimulation
La mémoire de travail (MT), ou le maintien d’une représentation mentale des informations du passé immédiat pour conduire des actions cohérentes est une caractéristique critique dans la réalisation de fonctions cognitives complexes telles que la planification, la prise de décision, l’apprentissage, la pensé, etc. L’évidence expérimentale indique que le corrélat neuronal de la MT comprend une activité persistant et sélective dans le cortex préfrontal (CPF). Les mécanismes les plus acceptés par rapport à l’activité persistante s’appuient sur une forte excitation récurrent dans le CPF tandis que l’activité sélective ou hétérogène en l’espace neuronal découle de l’architecture en colonne du CPF associée à une forte inhibition latérale. Néanmoins, les mécanismes sous-jacents à la multistabilité du réseau restent incertains. D’autre part, les maladies mentales telles que la schizophrénie présentent une marquée dysfonction du CPF et particulièrement déficits en la MT. Bien que les principales théories concernant l’étiologie de la schizophrénie soulignent le rôle de la disconnectivité entre le CPF et areas subcorticales, les mécanismes concernant les déficits de MT liées à la squizophrénie demeurent vagues. Dans cette thèse nous soutenons l’idée que la compréhension de la neurobiologie du CPF et les mécanismes de la MT révêléront des connaissances importantes afin d’éclaircir l’étiologie des maladies mentales avec des symptômes cognitifs saillants tels que la schizophrénie. Dans le but d’apporter certains éclaircissements sur ces questions, dans cette thèse, nous présentons des modèles qui nous permettent d’étudier et de proposer des mécanismes originaux de mutistabilité de réseau fondés sur les non linéarités de la fonction de transfert neuronale. En utilisant ces modèles, nous étudions comment des altérations des paramètres biologiques, comme c’est le cas dans la schizophrénie, pourraient transformer la dynamique spatio-temporelle du réseau de neurones. Finalement, nous évaluons un traitement prometteur pour la schizophrénie basée sur la stimulation électrique du cervelet
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