Apprentissage spatial et planification de l'action dans un modèle de réseau neuronal inspiré du cortex préfrontal

The interplay between hippocampus and prefrontal cortex (PFC) is fundamental to spatial cognition. Complementing hippocampal place coding, prefrontal representations provide more abstract and hierarchically organized memories suitable for decision making. We model a prefrontal network mediating distributed information processing for spatial learning and action planning. Specific connectivity and synaptic adaptation principles shape the recurrent dynamics of the network arranged in cortical minicolumns. We show how the PFC columnar organization is suitable for learning sparse topological-metrical representations from redundant hippocampal inputs. The recurrent nature of the network supports multilevel spatial processing, allowing structural features of the environment to be encoded. An activation-diffusion mechanism spreads the neural activity through the column population leading to trajectory planning. The model provides a functional framework for interpreting the activity of PFC neurons recorded during navigation tasks. We illustrate the link from single unit activity to behavioral responses. The results suggest plausible neural mechanisms subserving the cognitive "insight" capability originally attributed to rodents by Tolman & Honzik. Our time course analysis of neural responses shows how the interaction between hippocampus and PFC can yield the encoding of manifold information pertinent to spatial planning, including prospective coding and distance-to-goal correlates.Un nombre important d'expériences étudiant les bases neurales de la cognition spatiale chez le rongeur souligne le rôle majeur de la formation hippocampique (voir Arleo and Rondi-Reig, 2007 pour une revue). Cette région limbique est impliquée dans l'apprentissage spatial depuis que des neurones sélectifs à une position -- nommés cellules de lieu hippocampiques (O'Keefe and Nadel, 1978) -- ont été découverts au moyen d'enregistrements psychophysiologiques chez des rats se déplaçant librement. Ces neurones participent très certainement à l'encodage de représentations spatiales dans un système de coordonnées allocentriques (c'est-'a-dire centrées sur le monde). Cependant deux autres composants sont nécessaires pour accomplir une navigation flexible (c'est-'a-dire pour planifier des détours et/ou des raccourcis) : la représentation du but et la planification de séquences d'actions dirigées vers un objectif (Poucet et al., 2004). Il a été proposé que l'hippocampe encoderait des représentations topologiques (prenant en compte la connectivité entre les différentes positions de l'environnement) adaptées à l'apprentissage de séquences d'actions (voir Poucet et al., 2004). Cependant, d'autres études expérimentales suggèrent l'existence d'un système extrahippocampique de planification de l'action partagé parmi de nombreuses régions (voir Knierim, 2006 pour une revue). Cette hypothèse postule une cognition spatiale distribuée dans laquelle (i) l'hippocampe prendrait part 'a la planification des actions en transmettant des représentations spatiales redondantes aux aires associatives supérieures, (ii) un réseau cortical élaborerait des représentations plus abstraites et compactes du contexte spatial (prenant en compte les informations de motivation, les contraintes cout de l'action / risque, et les séquences temporelles des réponses comportementales dirigées vers un but)