Collective dynamics of basal ganglia-thalamo-cortical loops and their roles in functions and dysfunctions

par Takafumi Arakaki

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de David Hansel et de Arthur Leblois.

Soutenue le 21-03-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris) , en partenariat avec Centre de neurophysique- physiologie- pathologie (laboratoire) .

Le jury était composé de Jonathan Touboul, Stéphane Charpier, Stéphane Auvin, Thomas Boraud, German Mato.

  • Titre traduit

    Interactions entre les boucles de rétroaction et inhibition feedforward striatale dans la dynamique normale et pathologique du réseau basalo-thalamo-corticale


  • Résumé

    Les ganglions de la base (GB) sont principalement connus pour leurs fonctions motrices, mais présentent également des fonctions non motrices. Sans surprise, il a été montré qu’ils sont impliqués dans des troubles moteurs tels que la maladie de Parkinson ou les dystonies. Des études récentes suggèrent que les GB jouent également un rôle prépondérant dans des maladies “non-motrices” telles que l’épilepsie d’absence , qui est une épilepsie généralisée non convulsive. Dans l’ensemble de ces dysfonctions des GB, les symptômes sont accompagnés de différents patrons oscillants d’activité neuronale souvent synchronisés entre les différents noyaux des GB, le cortex et d’autres aires cérébrales. Comment les GB peuvent-ils favoriser ou soutenir ces différentes activitées oscillantes?Des expériences récentes ont montré le rôle clé joué par les GB dans l’épilepsie d’absence et remettent en question le point de vue traditionnel selon lequel les circuits thalamo-corticaux sont responsables des crises d’absence. Nous proposons une nouvelle théorie selon laquelle les rétroactions opérées par les GB sur l’activité corticale rend le réseau bistable et entraîne les patrons d’activité oscillante qui apparaîssent pendant les crises. Notre théorie est compatible avec l’ensemble des résultats expérimentaux connus et elle prédit qu’un input excitateur transitoire sur le cortex peut terminer prématurément les crises d’absence. Nous présentons ici des résultats préliminaires en accord avec cette prédiction.De multiples fréquences des oscillations d’activité sont observées dans la maladie de Parkinson au sein des GB, telles que les fréquences correspondant aux tremblement des membres ou encore les oscillations béta. Nous montrons que notre model peut générer des oscillations à différentes échelles temporelles qui coïncident avec les fréquences des oscillations dans la maladie de Parkinson. Notre théorie peut rendre compte des oscillations observées dans la maladie de Parkinson et dans l’epilépsie d’absence dans un cadre théorique unifié et suggère deux scénarios pour expliquer les multiples fréquences des oscillations d’activité, à la fois pathologiques et fonctionnelles.


  • Résumé

    The Basal Ganglia (BG) are thought to be involved primarily in motor but also in non-motor functions. Unsurprisingly, the BG are shown to be involved in motor dysfunctions such as Parkinson's disease or dystonia. More recent studies suggest the key role of the BG in "non-motor" diseases such as absence epilepsy which is a generalized non-convulsive epilepsy. In these diseases, symptoms accompany various oscillatory patterns of neural activity often synchronized across the BG, cortex and other brain areas. How can the BG support these different kinds of oscillatory patterns?Recent experiments have highlighted the key role of the BG in absence seizures and question the traditional view in which thalamocortical circuits underlie absence seizures. We propose a novel theory according to which the feedbacks of cortical activity through BG make this network bistable and drive the oscillatory patterns of activity occurring during the seizures. Our theory is compatible with virtually all known experimental results and it predicts that well-timed transient excitatory inputs to the cortex advance the termination of absence seizures. We report preliminary experimental results consistent with this prediction.Multiple oscillatory frequencies are observed in Parkinsonian BG such as the frequencies of the limb tremor and the beta oscillations. We show that our model can generate oscillations with multiple timescales which resemble Parkinsonian oscillations. Our theory can model the oscillations in Parkinson's disease and absence epilepsy in a unified framework and points to two scenarios to explain multiple frequencies of pathological and functional oscillations.


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