Phase des oscillations neuronales comme cadre de référence pour le routage basé sur l'attention dans le cortex visuel

Neurologie Biophysique Sciences de la vie Médecine Biologie cellulaire Psychiatrie
potentiel de champ local oscillations neuronales oscillations bêta attention spatiale

Phase de l’oscillation neuronale et commutation de l’attention

L’une des questions clés est de savoir comment l’attention sélective du système visuel optimise la perception et le traitement des informations visuelles dans un environnement comportemental spécifique. Bien que des études antérieures aient analysé le rôle clé de la fréquence des potentiels d’action des neurones individuels dans la transmission de l’information, la compréhension de la façon dont les activités des neurones individuels par rapport à leur réseau neuronal voisin représentent et transmettent efficacement les signaux d’attention reste limitée. Cette étude suppose que la phase des oscillations neuronales des neurones par rapport au réseau voisin peut jouer un rôle important dans le cortex visuel en tant que cadre de référence pour la commutation de l’attention, et a mené une série d’expériences pour vérifier cette hypothèse.

Source de l’article

Cet article a été rédigé conjointement par Ehsan Aboutorabi (Schulich School of Medicine and Dentistry, Robarts Research Institute), Sonia Baloni Ray (Indraprastha Institute of Information Technology), Daniel Kaping (Helmholtz Centre for Environmental Research), Farhad Shahbazi (Isfahan University of Technology), Stefan Treue (German Primate Center, University of Goettingen) et Moein Esghaei (Westa Higher Education Center, German Primate Center). L’article a été publié dans la revue renommée “Progress in Neurobiology” le 23 décembre 2023 et est disponible en ligne.

Processus de recherche

Sujets et tâches expérimentales

Les sujets de l’étude étaient deux singes macaques rhésus (Macaca mulatta). L’expérience consistait à fixer la tête des singes devant un écran, et à effectuer une tâche d’attention visuelle. Durant cette tâche, les singes devaient fixer un point central et, selon les indications, transférer leur attention sur un motif en spirale spécifique afin de recevoir une récompense liquide. Les potentiels de champ locaux (local field potentials, LFPs) et l’activité unitaire dans le cortex visuel des singes ont été enregistrés afin d’analyser la relation entre l’activité neuronale et la phase des LFPs.

Enregistrement et traitement des données

  1. Enregistrement des données : L’activité neuronale a été enregistrée à l’aide d’un système de microdrive à trois canaux avec une fréquence d’échantillonnage de 40 kHz.
  2. Analyse des LFPs et de l’activité unitaire : Les LFPs enregistrés ont été filtrés en fréquence pour analyser la distribution de phase dans différentes bandes de fréquence. Les potentiels d’action des neurones ont également été comparés à la phase des LFPs dans les bandes de fréquence correspondantes.
  3. Modèle de délai synaptique adaptatif : Un modèle computationnel intégrant des sous-réseaux sensoriels et de régulation a été établi. En ajustant le délai synaptique, l’effet des délais synaptiques sur les valeurs de préférence de phase des neurones a été évalué.

Étapes expérimentales

Les étapes expérimentales comprenaient l’entraînement des singes à effectuer une tâche d’attention visuelle, l’enregistrement des potentiels de champ locaux et de l’activité unitaire dans la région MST du cortex visuel. Des méthodes d’analyse de filtre de fréquence ont été employées pour comparer la distribution de phase des potentiels d’action des neurones dans différentes bandes de fréquences des LFPs sous conditions d’attention, et un modèle computationnel a été utilisé pour simuler l’effet des délais synaptiques sur le codage de phase.

Principaux résultats de la recherche

  1. Verrouillage des phases de flammes neuronales : Il a été constaté que les neurones étaient significativement verrouillés dans les oscillations β de 20 Hz à 24 Hz du réseau environnant. Lorsque les singes focalisaient leur attention sur le champ récepteur des neurones, les phases verrouillées tendaient vers une phase plus tardive, ce qui était positivement corrélé avec la rapidité des rapports de changement visuel des singes.

  2. Soutien du modèle computationnel : Les résultats du modèle indiquent que, en ajustant les différents délais synaptiques, il est possible de manipuler le couplage de phase des oscillations β des LFPs avec les neurones, ce qui vérifie l’efficacité de la nouvelle méthode.

  3. Dépendance de phase de l’attention spatiale : L’étude montre que la distribution spatiale de l’attention régule de manière significative le phénomène de verrouillage de phase des neurones, et que cette régulation prédit le temps de réponse des performances.

Conclusion et valeur de l’étude

Cette étude révèle le phénomène de verrouillage des phases des potentiels d’action des neurones par rapport aux oscillations β des LFPs dans la région MST du cortex visuel des singes, et souligne le rôle clé de l’attention spatiale dans le codage de phase. Cette découverte aide à comprendre comment l’attention sélective optimise la transmission des informations visuelles pertinentes à travers le mécanisme de verrouillage de phase, et offre de nouvelles perspectives pour comprendre comment les régions corticales supérieures décryptent les points focaux d’attention.

Points forts de l’étude

  1. Nouveau mécanisme de codage de phase : L’étude propose et vérifie pour la première fois une nouvelle méthode de manipulation du couplage de phase des oscillations β des LFPs par ajustement des délais synaptiques.
  2. Combinaison de soutien théorique et de validation expérimentale : La combinaison d’expériences comportementales et de modèles computationnels soutient efficacement l’hypothèse de l’étude.

Importance de la recherche

En révélant le phénomène de verrouillage de phase des neurones par rapport aux LFPs dans le cortex visuel, cette étude offre une nouvelle perspective sur les mécanismes neuronaux de l’attention sélective, en particulier sur l’utilisation de la phase des oscillations neuronales comme cadre de référence pour améliorer l’efficacité de la transmission des informations pertinentes. Cela a des implications importantes pour le développement futur de nouvelles techniques de réparation et d’amélioration neuronales, et l’optimisation des réseaux neuronaux artificiels.

Annexe

Cette recherche a été soutenue par la Deutsche Forschungsgemeinschaft, les données pouvant être obtenues via figshare. Les auteurs remercient Crystal, Beatrix Glaser, Dirk Prüsse, et le soutien technique de leurs collègues.

Ce rapport analyse et résume en détail l’article “Phase of neural oscillations as a reference frame for attention-based routing in visual cortex”, en présentant le mécanisme de codage de phase de l’attention sélective dans le cortex visuel des singes et son impact sur la transmission de l’information. Il fournit des données précieuses et un soutien théorique pour les recherches futures dans ce domaine.