Dynamique neuronale et audition - DNA

L’équipe « Dynamique neuronale et audition » (DNA) regroupe des chercheurs dont l’expertise s’étend des neurosciences intégratives et computationnelles aux sciences cognitives, à la psychoacoustique et aux mathématiques appliquées et dont le projet est de comprendre plus avant la dynamique neuronale sous-tendant les fonctions cérébrales telles que l’activité de repos, la perception et les émotions. Le projet de l’équipe est basé sur des approches à la fois expérimentales et théoriques, reposant sur une approche « multi-échelle » du système nerveux. Bien que le système auditif sera notre modèle de choix pour étudier ces questions, en particulier les troubles fonctionnels des acouphènes et de l’hyperacousie, d’autres modèles (processus attentionnels) seront également étudiés en collaboration avec d’autres équipes.

Les projets de l’équipe seront développés dans le cadre de l’hypothèse commune selon laquelle le cerveau est considéré comme un système complexe, composé d’un grand nombre d’éléments qui s’organisent en structures hiérarchiques (synapses, neurones et populations neuronales regroupés en noyaux ou aires cérébrales) interagissant à différentes échelles spatio-temporelle afin de produire une activité neuronale distribuée avec une dynamique neuronale spécifique aux fonctions cérébrales. Bien qu’il soit impossible de connaître en détail tous les éléments de ce système, la dynamique neuronale peut cependant être observée grâce à différentes techniques expérimentales qui permettent d’avoir accès à des échelles spatiales et temporelles plus ou moins raffinées allant de l’électrophysiologie unitaire enregistrée avec des microélectrodes aux techniques macroscopique d’imagerie cérébrales. La majorité des projets de l’équipe DNA prend en compte cette organisation multi-échelle de la dynamique neuronale et s’organise selon deux intérêts scientifiques principaux : la compréhension et l’analyse de la dynamique neuronales à différentes échelles et la compréhension et l’analyse de fonctions cognitives telle que la perception auditive et ses troubles. On pense en effet que le développement commun de ces deux thèmes sera bénéfique l’un pour l’autre.    

Le projet scientifique est structuré selon trois grands axes thématiques :

• un axe est dédié à l’étude de la dynamique neuronale
• un second axe consiste à étudier la représentation neuronale des dimensions physique et perceptuelle des sons
• un troisième axe est à l’intersection des deux premiers, son but est d’étudier la plasticité centrale associée à une modification de la distribution des entrées sensorielle.

Axe 1 : Dynamique Neuronale

L’objectif principal de notre équipe est de comprendre la dynamique neuronale liée à l’activité de “repos” du cerveau dans des conditions normales et pathologiques. Le phénomène de l’acouphène est un modèle particulièrement intéressant associé à une perturbation de la dynamique neuronale. En effet, les percepts auditifs fantômes de l’acouphène ne sont pas reliés à une stimulation sonore mais à une activité neuronale spontanée anormale. Ce modèle offre d’importantes perspectives d’applications en particulier concernant les études théoriques de la dynamique neuronale. Ces études étendent nos travaux antérieurs sur les corrélats neuronaux de l’acouphène qui se sont focalisés sur la caractérisation des propriétés statiques de l’activité neuronale (le taux de décharge des neurones, la synchronie, l’activité de tye “burst”, etc ...) 

L’approche centrale de nos études théoriques des dynamiques neuronales se base sur le fait que si la biophysique des différentes techniques d’enregistrements est modélisée de manière détaillée, alors la qualité des informations obtenues à chaque échelle d’observation est mal définie. Nous voulons donc étendre notre approche multi-échelle du signal EEG à un cadre plus large de manière à obtenir un critère de validité des mesures des dynamiques neuronales relatives aux différentes échelles. Cette approche se base sur des méthodes de discrétisation de systèmes dynamique qui sont obtenues par des techniques d’approximation et de partitions empruntées au domaine de la physique non-linéaire. Le principe général de ces méthodes revient à considérer les dynamiques cérébrales comme des systèmes dynamiques de très haute dimension dans lesquels les observables peuvent être définis soit comme des degrés de liberté locaux (i.e. enregistrement unitaire) ou bien comme des mesures sur les partitions réalisées à différentes échelles (i.e. LFP ou EEG). Le problème à résoudre revient alors à définir quelle quantité d’information est perdue lors du changement d’échelle et sous quelles conditions cette perte peut être minimisée.

Les méthodes multi-échelle développées dans ce cadre théorique seront ensuite appliquées aux études de régulation d’émotions réalisées en collaboration avec K. Doba et J.-L. Nandrino (SCALab, UMR 9193 Université de Lille, CNRS). Nos précédentes études sur le comportement des interactions émotionnelles seront étendues en se focalisant à la fois sur la caractérisation empirique des interactions dyadiques mère-enfant, mais aussi sur leur modélisation et la dynamique des expressions émotionnelles dans le cadre de récit autobiographique de sujets sains et de patients anorexique et schizophrène. Pour finir, nous allons aussi évaluer les possibilités de transfert des différentes techniques développées dans le cadre de ses collaborations à des situations cliniques où les patients sont atteints de troubles auditifs handicapant tel que l’acouphène ou l’hyperacousie.

Axe 2 : Représentation neuronale des sons

Le second objectif de l’équipe revient à mieux comprendre certaines dimensions physiques propres au son, en particulier le niveau d’intensité. En effet, la manière dont est représenté le niveau d’intensité d’un son dans les centres auditifs n’est toujours pas clair. Cette question est particulièrement importante dès lors que nous postulons que l’hypersensibilité centrale ou l’augmentation du gain central, est associé à une augmentation de la pente de la fonction entrée-sortie, qui est connue pour jouer un rôle dans le processus de génération des acouphènes et de l’hyperacousie. Nous allons essayer de comprendre quelle est la distribution optimale des niveaux d’intensité de sons pour l’activité neuronale enregistrée à partir de quelques neurones (activité multi-unitaire) ou pour un ensemble plus important de cellules (LFP). La distribution statistique optimale des stimuli acoustique (en variant le niveau d’intensité) est définie comme la distribution dont les niveaux d’intensités maximise l’information mutuelle entre l’ensemble de stimuli et les réponses neuronales. Nous nous poserons cette question dans le cadre d’animaux normaux, mais aussi d’animaux où l’on aura induit une perte auditive.

Nous prolongerons ensuite cette étude sur le niveau d’intensité sonore dans le cadre de sujets humains de manière à mieux cerner les caractéristiques physiques des sons qui sont responsables des sensations de douleur ou d’inconfort. Nous étudierons aussi certaines techniques basées sur l’évaluation de l’admittance de l’oreille moyenne, qui est susceptible d’objectiver le seuil du niveau d’intensité d’inconfort.

Axe3 (transversal) : Plasticité centrale et ses conséquences perceptives

Un troisième objectif de notre projet consiste à étudier la plasticité du système auditif central lorsque la distribution des entrées sensorielles est modifiée à la fois lorsque l’épithélium est lésé (perte auditive) ou lorsque l’environnement acoustique est modifié. Ces études seront réalisées à partir d’approches électrophysiologiques et moléculaires.

En particulier, nous allons explorer les mécanismes liés à une plasticité homéostatique qui est connue pour maintenir la moyenne de l’activité neuronale constante pour un niveau donné. Ultérieurement, nous avons proposé que la plasticité homéostatique soit comparable au “prix à payer”, c.à.d. une augmentation de l’activité spontanée dont résulterait l’acouphène. Une des questions soulevées par le concept de la plasticité homéostatique consiste à comprendre comment le niveau moyen d’activité (qui doit être maintenu constant) est fixé et mémorisé par le système nerveux central. Nous allons étudier chez l’animal la manière dont ce point fixe de niveau d’activité est influencé par la distribution des entrées sensorielles durant le développement précoce.

La plasticité du système auditif central peut potentiellement conduire à des conséquences perceptuelles telles que l’acouphène ou l’hyperacousie. Nous étudions les mécanismes de ces deux symptômes chez l’animal mais aussi dans le cas de patients. Les caractéristiques psychoacoustique de l’acouphène et de l’hyperacousie évaluées chez les patients peut être vue comme une fenêtre non-invasive intéressante permettant d’observer les mécanismes de ces symptômes. Ces symptômes incluent les caractéristiques de la perte cochléaire qui pourrait éventuellement entrainer l’activité neuronale propre à l’acouphène. En collaboration avec des cliniciens audiologistes, nous nous intéressons à la signature neuronale de l’acouphène (à partir d’EEG), mais aussi aux caractéristiques psychoacoustiques de l’acouphène (et de l’hyperacousie), en nous focalisant sur les interactions entre la stimulation acoustique et l’acouphène, c.à.d. le masquage de l’acouphène (lorsque l’acouphène est rendu inaudible par application d’un son externe) et l’inhibition résiduelle de l’acouphène (lorsque l’acouphène est réduit ou supprimé durablement après l’arrêt d’un son).

Pour finir, on peut penser que si la plasticité du système auditif joue un rôle dans la génération de l’acouphène et de l’hyperacousie, on peut alors spéculer qu’en inversant la plasticité liée à l’acouphène ou en restaurant l’organisation fonctionnelle du système auditif vers un état “sans acouphène”, on pourrait améliorer les conditions des patients. Encore une fois, nous prévoyons d’étudier ces approches thérapeutiques en collaboration avec des cliniciens chez des patients atteints d’acouphène et d’hyperacousie avec pour objectif de réduire/supprimer ces symptômes.