Les rythmes cognitifs préfrontaux

While the access to motor function from brain activity have been successfully achieved in the last decade, the understanding of how the brain implements cognitive processes and accessing to this information at a high temporal and informational resolution remains challenging. Indeed, cognition is built upon interconnected multi-scaled networks and rely on complex population encoding. This doctoral thesis using visual attention as a model introduces multiple neurophysiological concepts, allowing a highly resolved access in terms of information content and temporal precision and an enhanced understanding of how cognitive processes are implemented in the prefrontal cortex. The first axis of this work focuses on accessing cognitive information using multiple recorded signals (MUA, LFP). In the prefrontal cortex cognitive processes rely on dynamic and population neuronal activity. Therefore, prior qualitative selection of input information highly improves access to covert cognitive mechanisms as attention. Once achieved at a high performance and resolution, this decoded information gives us a precious insight into FEF attentional spotlight rhythmic encoding at the population scale. Specifically, this readout reveals inner properties of attentional sampling mechanisms. In particular, we show that the FEF population implements of a rhythmic alpha attentional sampling of visual space. In a second axis, we expand our approach to multiple cognitive scales. First, using a similar attentional decoding procedure as in the first axis, we analyzed the prefrontal implementation of attentional processes at very slow temporal scales, up to several hours. We report for the first time that sustained attention actually oscillates at an ultra-slow rhythm, organizing alternation of optimal and suboptimal perceptual periods every 7 to 15 minutes with high behavioral impact. Finally, at the scale of the trial, we show that functional neuronal correlations between pairs of neurons are described to play a critical role in neuronal information processing and optimal neuronal computations during attention. Here, we demonstrate that neuronal inter-correlations are actually a functional process under rhythmic modulation, locally implementing long range influences and shaping our cognitive performances. On the whole, this thesis contributes to a better understanding of how cognitive processes are implemented in the prefrontal cortex. Importantly, focusing on multiple temporal approaches, we demonstrate that cognitive processes are built upon multi scale rhythmic activity, critically shaping our perception of the world. Crucially, we discuss the fact that these new scales and rhythms represent promising targets to modulate, restore, and hopefully enhance our cognitive abilities.Au cours de ces dernières décennies, l’utilisation de l’activité cérébrale pour accéder et restaurer les fonctions motrices déficientes de sujets humains a été une réussite. Cette avancée demeure cependant un défi majeur lorsque la problématique s’applique aux fonctions cognitives. En effet, ces dernières reposent sur des réseaux à multiples échelles et interconnectés, ainsi que sur un codage neuronal populationnel complexe. Ce travail de thèse utilise l’attention visuelle comme modèle et introduit plusieurs nouveaux concepts de neurophysiologie. D’une part, l’accès à une haute résolution temporelle et informationnelle de la fonction attentionnelle dans le cortex préfrontal et d’autre part, une meilleure compréhension de l’implémentation corticale de ces mécanismes cachés. La première partie de ce travail porte sur l’utilisation et le traitement de signaux neuronaux enregistrés dans le cortex préfrontal pour décoder l’information cognitive. Dans le cortex préfrontal, les processus cognitifs sont principalement fondés sur des populations neuronales dynamiques et complexes. De ce fait, une sélection qualitative de l’information avant l’entrainement d’un décodeur permet d’augmenter fortement les performances de ce dernier. Une fois optimisé, ce décodeur nous donne accès à l’information cognitive ciblée et ce, à haute résolution spatiale et temporelle. Cette information révèle notamment des aspects cachés du mécanisme d’exploration attentionnelle, tels que l’implémentation par le FEF (frontal eye fields) d’une exploration dynamique de l’environnement visuel à un rythme alpha. Dans un deuxième temps, nous étendons l’application de ces méthodes de décodage à d’autres échelles cognitives. Par exemple, nous étudions le processus attentionnel sur de très longues périodes de temps correspondant à un effort cognitif soutenu de plusieurs heures. Nous décrivons pour la première fois que l’attention visuelle soutenue pendant de longues périodes est sujette à des fluctuations rythmiques très lentes. Ces rythmes lents organisent l’alternance de périodes perceptuelles optimales et sous-optimales à fort impact comportemental, toutes les 7 à 15 minutes. Enfin, à l’échelle de la seconde, les corrélations fonctionnelles entre neurones lors des mécanismes attentionnels sont fortement impliquées dans le codage et le traitement de l’information cognitive par la population neuronale correspondante. Dans ce travail, nous démontrons que ces corrélations sont elles aussi soumises à des modulations rythmiques permettant l’implémentation locale dans la population neuronale d’influences distales. Ce processus impacte ainsi directement nos performances cognitives. Dans l’ensemble, ce travail de thèse contribue à une meilleure compréhension des mécanismes d’implémentation des fonctions cognitives dans le cortex préfrontal. En se concentrant sur des échelles temporelles variées, nous démontrons que la cognition et ses mécanismes sous-jacents reposent sur des activités rythmiques à diverses échelles, modifiant de manière directe notre perception du monde. Ces échelles multiples et ces rythmes cognitifs nouvellement décrits sont autant de cibles prometteuses pour modifier, restaurer et pourquoi pas un jour, améliorer les capacités cognitives humaines