Equipe "Dynamique Neuronale et Apprentissage"

    L'objectif de l'équipe Dynamique Neuronale et Apprentissage (DNA) est de comprendre comment le cortex frontal et les ganglions de la base régissent les actions guidées par la vision et l'apprentissage associatif visuomoteur. Les travaux sont menés à la fois chez le primate humain et non-humain, en s'attachant à intégrer les connaissances issues de ces deux espèces, grâce en particulier à l'application chez l'homme de tâches comportementales développées chez le singe. Le but étant de pouvoir utiliser les données de la neurophysiologie pour comprendre le cerveau humain. L'accent est également mis sur l'élucidation des liens entre les niveaux d'analyse (neurone, populations de neurones, réseaux cérébraux, comportement, modèles). Notre approche multidisciplinaire nous amène à travailler sur des données transversales issues de la neurophysiologie, de la neuroimagerie et de la clinique.

Axes de recherche

1. Bases neuronales de l'apprentissage arbitraire visuomoteur. Les humains et les singes ont une capacité remarquable à apprendre de nouvelles relations arbitraires entre un stimulus visuel, une action et la conséquence de cette action (Hadj-Bouziane et al., 2003). L'apprentissage visuomoteur arbitraire est une forme de conditionnement instrumental (ou opérant) qui nous permet d'apprendre les conséquences de nos actes dans un contexte donné (par exemple, ne pas toucher une plaque électrique lorsqu'elle est allumée !). Cette fonctionnalité nous assure une grande capacité d'adaptation face aux situations nouvelles et elle nous permet également de développer des habitudes robustes lorsque le contexte est stable. De plus, certains comportements pathologiques, tels que les désordres compulsifs obsessionnels, et, plus vraisemblablement les addictions, sont étroitement liés à cette faculté cognitive. Les associations arbitraires peuvent être apprises via différentes méthodes, à la fois chez l'homme et chez le singe: un apprentissage par essai-erreur ou un apprentissage par observation. Deux projets complémentaires ont pour but d'identifier les bases neuronales de cette capacité d'apprentissage extraordinaire.

• Apprentissage par observation (LeO). Ce projet multi-disciplinaire (psychologie expérimentale sociale, imagerie cérébrale et neurophysiologie comportementale) fait partie d'un programme de recherche collaboratif financé par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR). Le but de ce projet est de comprendre comment les ganglions de la base et le cortex frontal régissent l'apprentissage par observation. Ce projet combine la neurophysiologie comportementale chez le singe vigile, la neuroimagerie chez l'homme (Monfardini et al., soumis) et les études comportementales à la fois chez l'homme et chez le singe (Meunier et al., 2007).
• Apprentissage par essai-erreur. L'objectif de ce projet est de comprendre les bases neuronales de l'apprentissage instrumental, de l'activité unitaire aux larges réseaux cérébraux (Fig.1). Cette approche consiste à établir des modèles computationnels basés sur la théorie d'apprentissage associatif, d'estimer leur évolution en fonction des observations comportementales, et de sonder leur implémentation neuronale à partir de l'analyse des signaux cérébraux. Grâce à cette approche, nous avons récemment établi des modèles computationnels de l'apprentissage visuomoteur arbitraire basés sur des données obtenues en IRMf (Brovelli et al., in press). Le projet inclut également l'étude des activités neuronales unitaires et de population (Hadj-Bouziane & Boussaoud, 2003) pour comprendre comment les assemblées neuronales sont modelées par l'expérience pour produire l'apprentissage.
2. Apprentissage moteur à travers l'entraînement physique et l'imagerie mentale. Les travaux comportementaux menés sur ce thème utilisent une technique fine d'enregistrement cinématique du mouvement de préhension pour étudier l'apprentissage d'une habileté visuomotrice par imagerie mentale. Nous avons montré récemment que la répétition mentale pouvait être bénéfique pour l'apprentissage moteur, ce qui suggère que l'imagerie mentale peut être utilisée en tant que complément, ou pourrait même remplacer partiellement l'entraînement physique dans les processus de réhabilitation clinique (Allami et al.,2008). Le but de ce projet est de mieux comprendre la dynamique neuronale sous-tendant l'apprentissage par entraînement physique ou par imagerie mentale. (Allami et al., en préparation).
3. Bases neuronales de la coordination oeil-main. Le cortex prémoteur dorsal (PMd) et le champ oculaire frontal (FEF) contrôlent respectivement les mouvements du bras et ceux des yeux. L'enregistrement de l'activité unitaire des neurones chez le singe vigile est utilisé pour étudier l'influence de l'autre effecteur sur chacune de ces deux régions: la direction du regard sur PMd, la position du bras sur FEF (Fig. 2, Thura et al., 2008, Thura et al., en révision).
4. Maladie de Parkinson. La maladie de Parkinson est la principale pathologie affectant le système fronto-striatal. Les désordres moteurs liés à cette pathologie (akinésie, rigidité et tremblements) sont accompagnés de troubles non moteurs ayant fait l'objet de beaucoup moins d'attention. Cette question est abordée en parallèle chez des patients parkinsoniens et chez le modèle singe de cette pathologie (singe MPTP), en utilisant différentes tâches cognitives (dont l'apprentissage associatif conditionnel). Le but est de définir la nature de ces troubles non moteurs et d'évaluer l'impact des différentes formes de traitement de cette maladie: pharmacologie (dopa-thérapie) et chirurgie (stimulation du noyau sous-thalamique à haute fréquence) (Kaphan et al., 2003; Witjas et al., 2007a, 2007b; Laksiri et al., 2007).

Outils utilisés

• Neuropsychologie
• Psychophysique
• Neurophysiologie (enregistrements unitaires multi-électrodes et LFP (voir vidéo 1); EEG et SEEG)
• Neuroimagerie fonctionnelle (IRMf)
• Modélisation

Membres

Collaborations

• Martine Meunier  travaille désormais au laboratoire INSERM Espace et Action (Lyon), mais elle reste impliquée dans plusieurs projets de l'équipe.
• Abdelhamid Benazzouz du Laboratoire de Neuropsychologie, CNRS UMR 5543, Université Victor Segalen, Bordeaux. La collaboration est centrée sur le modèle singe de la maladie de Parkinson (singe MPTP).
• Hélène Frankowska, CREA, Ecole Polytechnique, Paris. Modélisation computationnelle de l'apprentissage associatif visuomoteur.
• Philippe Kahane, CHU de Grenoble, et Jean-Philippe Lachaux, Dynamique Cérébrale et Cognition INSERM, Lyon, pour les enregistrements EEG intracrâniens chez les patients épileptiques
• Patrick Chauvel, de l'Unité Epilsepsie et Cognition, INSERM U751, Marseille.
• Yves Paulignan du Laboratoire sur le Langage, le Cerveau et la Cognition,  CNRS UMR 5230, Lyon. La collaboration est basée sur l'étude de la cinématique de la préhension, de l'apprentissage par l'entraînement physique et par l'imagerie mentale.
• Christoph Segebarth, Neuroimagerie Fonctionnelle et Métabolique, Unité Mixte INSERM / Université Joseph Fourier U594, Centre Hospitalier Universitaire, Grenoble.

Publications

1. Brovelli A, Laksiri N, Nazarian B, Meunier M, Boussaoud  D (in press). Understanding the Neural Computations of Arbitrary Visuomotor Learning through fMRI and Associative Learning Theory. Cereb. Cortex. Nov 27 [Epub ahead of print].
2. Allami N, Paulignan Y, Brovelli A, Boussaoud D (2008). Visuo-motor learning with combination of different rates of motor imagery and physical practice. Exp. Brain Res., 184(1):105-13.
3. Thura D, Hadj-Bouziane F, Meunier M, Boussaoud D (2008). Hand position modulates saccadic activity in the frontal eye field. Behavi Brain Res., 186(1):148-53.
   
4. Brovelli A, Coquelin PA, Boussaoud D (2007). Estimating the hidden learning representations. J. Physiol. Paris, 101(1-3):110-7.
5. Meunier M, Monfardini E, Boussaoud D (2007). Learning by observation in rhesus monkeys. Neurobiol. Learn. Mem., 88(2):243-8.
6. Laksiri N, Kaphan E, Pellissier JF, Ali Chérif A (2007). Brain magnetic resonance imaging and neuropathology of cortical laminar necrosis. Rev. Neurol. (Paris), 163(3):365-8.
7. Witjas T, Kaphan E, Azulay JP (2007a).Non-motor fluctuations in Parkinson's disease. Rev. Neurol (Paris), 163(8-9):846-50.
8. Witjas T, Kaphan E, Régis J, Jouve E, Chérif AA, Péragut JC, Azulay JP (2007b). Effects of chronic subthalamic stimulation on nonmotor fluctuations in Parkinson's disease. Mov. Disord., 15;22(12):1729-34.
9. Roy A.C., Paulignan Y., Meunier M., Boussaoud D.(2006) Prehension movements in the macaque monkey: effects of perturbation of object size and location. Exp. Brain Res., 169(2):182-93.
10. Brovelli A, Lachaux JP, Kahane P, Boussaoud D (2005). High gamma frequency oscillatory activity dissociates attention from intention in the human premotor cortex.  NeuroImage, 28(1):154-64.
11. Hadj-Bouziane F, Meunier M, Boussaoud D (2003). Conditional visuo-motor learning in primates : a key role for the basal ganglia. J. of Physiol. Paris, 97(4-6):567-79.
12. Hadj-Bouziane F & Boussaoud D (2003). Neuronal activity in the monkey striatum during conditional visuomotor learning. Exp. Brain Res., 153(2):190-6.
13. Kaphan E, Eusebio A, Donnet A, Witjas T, Ali Chérif A (2003). Shortlasting, unilateral, neuralgiform headache attacks with conjunctival injection and tearing (SUNCT syndrome) and tumour of the cavernous sinus.Cephalalgia, 23(5):395-7.
    
14. Meunier M., Bachevalier, J. (2002) Comparison of emotional responses in monkeys with rhinal cortex or amygdala lesions. Emotion, 2, 147-161.
15. Simon S., Meunier M., Piettre L., Berardi A., Segebarth C., Boussaoud D. (2002) Spatial attention and memory versus motor preparation: premotor cortex involvement as revealed by fMRI. J. of Neurophysiol., 88: 2047-2057.
16. Boussaoud D. (2001) Attention vs. Intention in the Primate premotor cortex. Neuroimage. 14:S40-45.
17. Bachevalier B., Meunier M. Neurobiology of social-emotional cognition in nonhuman primates. In: The cognitive neuroscience of social behaviour. Eds. A. Easton and N. Emery, Psychology Press. pp 19-58.