Integration of sensory feedback in a closed-loop cortical brain-machine interface requires somatotopy.

par Mohammad Aamir Abbasi

Thèse de doctorat en Frontières du vivant. Neurosciences

Sous la direction de Valérie Ego-Stengel et de Daniel Shulz.

Soutenue le 19-09-2019

à l'Université Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....) , en partenariat avec Institut des neurosciences Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Daniel Zytnicki.

Le jury était composé de Valérie Ego-Stengel, Daniel Shulz, Daniel Zytnicki, Dan Feldman, Karim Benchenane, Mathilde Badoual.

Les rapporteurs étaient Dan Feldman, Karim Benchenane.

mots clés

• Interface cerveau-machine
• Somatotopie
• Rétroaction artificielle
• Intégration sensorimotrice
• Comportement
• Optogénétique
• Électrophysiologie
• Intégration sensorimotrice
• Optogénétique
• Électrophysiologie
• Interfaces cerveau-ordinateur
• Rétroaction sensorielle
• Optogénétique

Titre traduit

L'intégration d’un retour sensoriel dans une interface cerveau-machine corticale en boucle fermée nécessite une somatotopie

Résumé

Le développement des interfaces cerveau-machine (ICM) apporte une nouvelle perspective aux patients en perte d'autonomie motrice. En combinant des enregistrements en ligne de l'activité cérébrale avec un algorithme de décodage, les patients peuvent apprendre à contrôler un bras robotique afin d'effectuer des actions simples. Cependant, contrairement à la grande quantité d'informations somatosensorielles fournie par les membres physiologiques vers le cerveau, les ICM actuelles sont dépourvues de capteurs de toucher et de force. Les patients doivent donc se fier uniquement à la vision et à l'audition, qui sont inadaptées au contrôle d'une prothèse. Cela contraste avec le fait que dans le cas d’un membre sain, les entrées somatosensorielles seules peuvent guider efficacement la manipulation d'un objet fragile, ou assurer une trajectoire précise. Une caractéristique intéressante des entrées somatosensorielles est leur organisation topologique à la surface corticale. Cette carte corticale semble jouer un rôle déterminant dans la perception sensorielle. Par conséquent, l'intégration d'une rétroaction somatosensorielle artificielle alignée sur cette carte corticale pourrait aider grandement l’intégration avoir un impact déterminant dans le transporter un grand nombre d'informations. Pour vérifier cette hypothèse, nous avons développé un ICM chez la souris qui inclut une riche rétroaction corticale artificielle de type somatosensoriel. Notre installation comprend des enregistrements en ligne de l'activité de plusieurs neurones dans le cortex moteur primaire du whisker (wM1), et fournit une rétroaction simultanée via une photostimulation du cortex somatosensoriel primaire du whisker (wS1), à faible latence, haute fréquence et structure spatiale, basée sur une cartographie obtenue par imagerie intrinsèque. Nous démontrons le fonctionnement de la boucle et montrons que les souris peuvent détecter l’activité des neurons dans wS1 déclenchée par les photostimulations. Surtout, nous montrons qu'en utilisant l'ICM en boucle fermée, les souris peuvent avoir une meilleure performance dans une tâche comportementale lorsque la structure du feedback artificiel est respecté somatotopie connue de wS1.

mots clés

• Brain-machine interface
• Somatotopy
• Artificial feedback
• Sensorimotor integration
• Behaviour
• Optogenetics
• Electrophysiology

Résumé

The development of brain-machine interfaces (BMIs) brings a new perspective to patients with a loss of motor autonomy. By combining online recordings of brain activity with a decoding algorithm, patients can learn to control a robotic arm in order to perform simple actions. However, in contrast to the vast amounts of somatosensory information channeled by limbs to the brain, current BMIs are devoid of touch and force sensors. Patients must therefore rely solely on vision and audition, which are maladapted to the control of a prosthesis. In contrast, in a healthy limb, somatosensory inputs alone can efficiently guide the handling of a brittle object, or ensure a smooth trajectory. One interesting feature of somatosensory inputs is its topological organization at the cortical surface. This cortical map plays a role in sensory perception. Therefore, integrating artificial somatosensory feedback aligned and consistent with this cortical map could potentially help the subject to decode the information conveyed by the feedback. To test this hypothesis, we have developed a BMI in the mouse model that includes a rich artificial somatosensory-like cortical feedback. Our setup includes online recordings of the activity of multiple neurons in the whisker primary motor cortex (wM1), and delivers feedback simultaneously via a low-latency, high-refresh rate photo-stimulation of the whisker primary somatosensory cortex (wS1) that is spatially structured at the mesoscopic scale, based on a mapping obtained by intrinsic imaging. We demonstrate the operation of the loop and show that mice can detect the wS1 neuronal spiking triggered by the photostimulations. Remarkably, we show that in the closed loop BMI, mice can have a significantly better performance in a behavioral task when the structure of the artificial feedback abides to the known wS1 somatotopy.