Lieu : Centre Broca Nouvelle-Aquitaine
Zoom : https://u-bordeaux-fr.zoom.us/j/84597286282?pwd=VmsyUzhiNld3TC9JOTdDNWV1R2tpQT09
Nikolaos Vardalakis
Equipe : Neurostimulation et Thérapies Numériques
IMN
Directeur de thèse : Fabien Wagner
Titre
Modèles informatiques et cadre technologique pour étudier les effets des oscilliations neurales de la stimulation électrique hippocampique pour les troubles mnésiques
Résumé
La mémoire épisodique joue un rôle crucial dans nos vies quotidiennes. Ses performances sont corrélées avec les rythmes cérébraux de la formation hippocampique dans les bandes de fréquence thêta et gamma. En outre, la perturbation de ces rythmes oscillatoires, en particulier leur couplage phase-amplitude, est associée à divers troubles mnésiques. Des études récentes indiquent que la neurostimulation de la formation hippocampique peut moduler les processus de mémorisation, mais les mécanismes sous-jacents restent méconnus, et différents protocoles ont mené à des résultats contradictoires. Dans ma thèse de doctorat, j’ai développé de nouvelles approches informatiques et technologiques pour étudier les effets de la neurostimulation sur les oscillations thêta-gamma in silico et chez des primates non humains (PNH), dans le but ultime de mieux comprendre ces mécanismes et d’optimiser des protocoles de neurostimulation pour compenser les troubles mnésiques dans diverses pathologies telles que la maladie d’Alzheimer ou les lésions cérébrales. Dans ce but, j’ai tout d’abord développé un nouveau modèle informatique de la formation hippocampique utilisant des neurones de Hodgkin-Huxley qui reçoivent des entrées thêta d’un ensemble d’oscillateurs de phase représentant le septum médian. Ces oscillateurs dits de Kuramoto ont été conçus pour présenter une réinitialisation de la phase thêta. J’ai découvert que, dans certaines conditions, une seule impulsion de stimulation pouvait faire passer le comportement du réseau d’un état non oscillatoire à un état produisant des oscillations avec un couplage phase-amplitude thêta-gamma. Cette bistabilité apparente pourrait avoir des implications sur la capacité d’une impulsion unique à influencer le comportement du réseau et les fonctions associées. J’ai également étudié la manière de restaurer des oscillations thêta-gamma affaiblies en utilisant des protocoles de stimulation soit en boucle ouverte, soit en boucle fermée, à la fois en présence et en l’absence de mécanisme de réinitialisation de la phase. J’ai découvert que les protocoles de stimulation en boucle fermée, où la stimulation est déclenchée en temps réel sur la base de la phase du rythme thêta sous-jacent, seraient plus utiles lorsque le mécanisme de réinitialisation de la phase est relativement limité. En parallèle, j’ai contribué au développement d’une nouvelle plateforme expérimentale pour des enregistrements et stimulations électriques combinés chez des PNHs entraînés à effectuer une tâche d’apprentissage par association de paires. Nous avons mis au point une nouvelle neuroprothèse comprenant deux macroélectrodes profondes de 8 contacts chacune ciblant le cortex entorhinal et l’hippocampe, et une grille corticale électrocorticographique comprenant 50 contacts et placée au niveau sous-dural au-dessus du cortex préfrontal. Nous avons recueilli des données sous la forme de potentiels de champ locaux en comportement libre et sous anesthésie, en particulier en réponse à une stimulation électrique du cortex préfrontal et de la formation hippocampique. Afin d’évaluer la connectivité fonctionnelle entre les zones cibles, j’ai effectué des développements logiciels et matériels pour délivrer la stimulation à basse fréquence (1 Hz) et enregistrer simultanément les potentiels évoqués cortico-corticaux. Ces deux contributions ouvrent de nouvelles perspectives pour étudier les effets de la neurostimulation hippocampique. Le modèle informatique permet des expériences in silico, comme le ciblage de phases spécifiques des oscillations thêta et de régions particulières de la formation hippocampique., tandis que le cadre technologique, avec ses nouveaux implants et approches neurochirurgicales, permet d’explorer simultanément plusieurs régions du réseau de la mémoire épisodique chez des PNHs. La combinaison de ces avancées constitue une étape importante vers le développement d’une neuroprothèse en boucle fermée pour améliorer la mémoire épisodique.
Mots-clés
Hippocampe, oscillations neurales, modélisation informatique, primates non humains, neuroprothèses, neurostimulation
Publications
- A dynamical computational model of theta generation in hippocampal circuits to study theta-gamma oscillations during neurostimulation; Nikolaos Vardalakis, Amélie Aussel, Nicolas P. Rougier, Fabien B. Wagner; eLife. 2023-02-14; doi:10.7554/eLife.87356.3
- Neuroprosthetics: from sensorimotor to cognitive disorders; Ankur Gupta, Nikolaos Vardalakis, Fabien B. Wagner; Comm Biol. 2023-01-06; doi: 10.1038/s42003-022-04390-w
Jury
Dr. Laure BUHRY, Maîtresse de conférences Université de Lorraine Rapporteure
Dr. Nanthia SUTHANA, Associate Professor UCLA Rapporteure
Dr. Boris GUTKIN, Directeur de recherche CNRS, ENS – PSL Examinateur
Dr. Timothée LEVI, Professeur des universités Université de Bordeaux Examinateur
Dr. Nicolas ROUGIER, Directeur de recherche Inria, Université de Bordeaux Membre invité
Dr. Fabien WAGNER, Chargé de recherche CNRS, Université de Bordeaux Membre invité