When anatomy drives physiology : expanding the actor-critic model of the basal ganglia to new subthalamus connections

par William Haynes

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Luc Mallet et de Suzanne N. Haber.

Soutenue le 11-09-2014

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris) , en partenariat avec Centre de Recherche de l'Institut du Cerveau et de la Moelle épinière [Paris] (laboratoire) .

Le jury était composé de Olivier David, Christelle Baunez, Philippe Faure, Carine Karachi, Stéphane Palfi, Pierre Pollak.

  • Titre traduit

    Quand la fonction découle de la structure : extension du modèle acteur critique des ganglions de base aux nouvelles connections subthalamiques


  • Résumé

    Les noyaux gris centraux (ganglions de la base en anglais) sont un réseau de structures sous-corticales dont la persistance dans l'ensemble des vertébrés plaide en faveur d'une fonction clef au cours de l'évolution. Comme ce fut remarqué dès le 18ème siècle, ils ont l'unique particularité de concentrer des afférences de l'entièreté de la surface corticale. Cette position centrale et l'analyse de l'anatomie du réseau leur ont valu le rôle d'arbitre central du cerveau, réglant les conflits entre processus neuronaux concomitants bien qu'incompatibles. Au sein du réseau, le noyau subthalamique jouit d'une notoriété particulière. Ce noyau, sur la base de ses afférences corticales, et en vertu de ses projections sur le soma des neurones pallidaux, aurait pour fonction de filtrer les programmes comportementaux codés par le striatum et concourant pour leur expression. Rapporté aux théories de la prise de décision, le noyau subthalamique fixerait le seuil décisionnel, ou la quantité d'information à accumuler en faveur d'une option comportementale afin qu'elle soit exprimée. Mais si ce petit noyau est devenu si célèbre, c'est surtout qu'il est la cible d'une procédure chirurgicale spectaculaire: la stimulation cérébrale profonde. Cette opération du cerveau est le dernier recours pour les patients souffrant d'une maladie de Parkinson ou d'un trouble obsessionnel compulsif sévère. Elle parvient même parfois à faire disparaître leurs symptômes. Malgré cette efficacité remarquable, les mécanismes de la stimulation cérébrale profonde restent inconnus. Il faut, entre autres, blâmer l'obscurité qui règne encore sur le noyau subthalamique, car les fonctions mentionnées ci-dessus restent des conjectures théoriques en manque de validation expérimentale. La première étape de ce travail a été d'en valider les bases anatomiques. En effet, l'existence d'une voie fronto-subthalamique - nécessaire au modèle - n'était connue que sur la base d'études menées chez le rat. Nous avons démontré, par des méthodes de traçage axonal, l'existence de cette connexion chez le primate. En sus, cette connexion aura permis de redéfinir les frontières médiales du noyau subthalamique avec les conséquences cliniques qui peuvent en être tirées. Le deuxième objectif global de cette thèse était de tester la validité fonctionnelle du modèle, la stimulation cérébrale profonde offrant un accès rare aux activités du noyau subthalamique. Cependant, il était d'abord nécessaire de caractériser la population étudiée, à savoir des patients souffrants d'un trouble obsessionnel compulsif. Grâce à l'imagerie de diffusion nous démontrons une diminution ainsi qu'une désorganisation des connexions cortico-sous corticales, se traduisant probablement par un défaut de contrôle conscient sur le processus de sélection. Une étude de magnétoencéphalographie est en cours pour approfondir les changements d'activité corticale. Pour tester le rôle du noyau subthalamique dans l'établissement du seuil décisionnel nous avons enregistré son activité électrophysiologique pendant que les patients effectuaient une tâche de prise de décision perceptuelle. Nous démontrons que les neurones du noyau subthalamique ont une réponse multimodale, concordant en cela avec nos données anatomiques qui montrent une convergence d'informations au niveau du noyau subthalamique. De plus, une augmentation de l'activité est retrouvée dans les conditions attendues...


  • Résumé

    The basal ganglia are a network of subcortical structures of which the invariant architecture throughout vertebrate evolution suggests a key function in evolution. As was noted as early as the 18th century, they have the unique characteristic of concentrating afferences from the entire cortical surgace. Given this central position and the internal architecture of the network, they could provide a centralised selection mechanism in the brain, arbitrating between any two conflicting processes. Among the basal ganglia, the subthalamic nucleus has become of particular interest as it is the target of deep brain stimulation, a neurosurgical procedure used to treat severe Parkinson’s disease and obsessive-compulsive disorder. It would have for function to integrate contextual information from its cortical inputs to filter behavioural programs encoded by the striatum. Within the framework of decision-making models, this filtering function is akin to setting the decision threshold, or the amount of evidence required before selecting a program. However, this considerations remain hypothetical as they are lacking experimental support. The first objective of this work was to validate the anatomical basis of these assumptions. Indeed, the existence of a prefrontal-subthalamic pathway, necessary to expand the decision models to every type of decision, had only been demonstrated in rodents. We demonstrated its existence in the primate using anterograde axonal tracing. In addition, this projection will have allowed us to redefine the medial border of the subthalamic nucleus with the clinical consequences that that may have. The second objective of this thesis was to test the functional validity of the models, and specifically the role of the subthalamic nucleus in setting decision thresholds. Deep brain stimulation offers a rare access to the electrophysiology of this structure; however, it is a patient population, here obsessive-compulsive disorder patients. A first step was, therefore, to characterise this population, anatomically and behaviourally, to understand how it might be of use as a model of decision-making in the basal ganglia. We demonstrated a reduction in the strength of cortico-subcortical anatomical connections. We suggest that this prevents accurate conscious control over decision mechanisms. Behaviourally, patients displayed a pathologically low confidence levels in their decisions and we hypothesised that this would lead to an increase of the decision threshold and matching subthalamic activity. To test this, we recorded the activity of the subthalamic nucleus during a decision-making task. We demonstrate that subthalamic neurons have a multimodal activity, consistent with our demonstration of convergent cortical inputs. However, we were unable to demonstrate a link between subthalamic activity and decision threshold, although this may be due to technical considerations…


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