Structure et sensibilité des réponses de populations de neurones dans la rétine

par Christophe Gardella

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Thierry Mora et de Olivier Marre.

Soutenue le 20-09-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de Physique Statistique de l'ENS / LPS (laboratoire) .

Le président du jury était Georges Debrégeas.

Le jury était composé de Bruno Cessac.

Les rapporteurs étaient David Schwab, Adrienne Fairhall.


  • Résumé

    Les cellules ganglionnaires transfèrent l'information visuelle de l’œil au cerveau, sous une forme encore débattue. Leurs réponses aux stimuli visuels sont non-linéaires, corrélées entre neurones, et une partie de l'information est présente au niveau de la population seulement. J'étudie d'abord la structure des réponses de population. Les cellules du cortex sont influencées par l'activité globale des neurones avoisinants, mais ces interactions manquaient encore de modèle. Je décris un modèle de population qui reproduit le couplage entre neurones et activité globale. Je montre que les neurones de la rétine de salamandre dépendent de l'activité globale de manière surprenante. Je décris ensuite une méthode pour caractériser la sensibilité de populations de neurones de la rétine de rat à des perturbations d'un stimulus. J'utilise des expériences en boucle fermée pour explorer sélectivement l'espace des perturbations autour d'un stimulus donné. Je montre que les réponses à de petites perturbations peuvent être décrites par une linéarisation de leur probabilité. Leur sensibilité présente des signes de codage efficace. Enfin, je montre comment estimer la sensibilité des réponses d'une population de neurones à partir de leur structure. Je montre que les machines de Boltzmann restreintes (RBMs) sont des modèles précis des corrélations neurales. Pour mesurer le pouvoir de discrimination des neurones, je cherche une métrique neurale telle que les réponses à des stimuli différents soient éloignées, et celles à un même stimulus soient proches. Je montre que les RBMs fournissent des métriques qui surpassent les métriques classiques pour discriminer de petites perturbations du stimulus.

  • Titre traduit

    Structure and sensitivity of neural population responses in the retina


  • Résumé

    Ganglion cells form the output of the retina: they transfer visual information from the eye to the brain. How they represent information is still debated. Their responses to visual stimuli are highly nonlinear, exhibit strong correlations between neurons, and some information is only present at the population level. I first study the structure of population responses. Recent studies have shown that cortical cells are influenced by the summed activity of neighboring neurons. However, a model for these interactions was still lacking. I describe a model of population activity that reproduces the coupling between each cell and the population activity. Neurons in the salamander retina are found to depend in unexpected ways on the population activity. I then describe a method to characterize the sensitivity of rat retinal neurons to perturbations of a stimulus. Closed-loop experiments are used to explore selectively the space of perturbations around a given stimulus. I show that responses to small perturbations can be described by a local linearization of their probability, and that their sensitivity exhibits signatures of efficient coding. Finally, I show how the sensitivity of neural populations can be estimated from response structure. I show that Restricted Boltzmann Machines (RBMs) are accurate models of neural correlations. To measure the discrimination power of neural populations, I search for a neural metric such that responses to different stimuli are far apart and responses to the same stimulus are close. I show that RBMs provide such neural metrics, and outperform classical metrics at discriminating small stimulus perturbations.

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