250 research outputs found
Frequency spectra from intracranial EEG data in two monkeys
No full text(Cross-)spectral densities of the activity recorded by two intracranial electrodes of monkeys performing a task detailed in
Stoll, F. M., Fontanier, V., & Procyk, E. (2016). Specific frontal neural dynamics contribute to decisions to check. Nature communications, 7(1), 1-14
Emergence d'une dynamique neuronale préfrontale par l'entraînement cognitif
No full textApprendre à apprendre fait référence à la capacité d’extraire des règles générales à partir d’expériences spécifiques pour accélérer les apprentissages futurs, un processus facilité par l'entraînement cognitif. Bien que le réseau formé par le cortex préfrontal latéral et le cortex cingulaire moyen soit reconnu pour jouer un rôle clé dans ce processus (Browning et al., 2007; Procyk et al., 2016), les changements neuronaux qui se produisent depuis un état naïf jusqu’au niveau d’apprendre à apprendre restent peu étudiés. Pour pallier ce manque, nous avons d’abord affiné l'organisation fonctionnelle rostro-caudale de ce réseau à l’aide d’une étude utilisant l’IRM fonctionnelle au repos chez 15 singes. Ensuite, nous avons réalisé des enregistrements électrophysiologiques longitudinaux, incluant des analyses d'activité unitaire, des potentiels évoqués à partir des potentiels de champs locaux et de connectivité fonctionnelle chez deux singes naïfs. Ces singes ont été soumis à une série de tâches allant d’une tâche de référence sans apprentissage cognitif à des tâches d’apprentissage discriminatif et d’inversion (« discrimination learning » et « reversal learning »), nous permettant ainsi de suivre les adaptations neuronales au fil du temps. Le traitement des retours, appelé « feedback », était au cœur de notre approche, car il guidait le processus d’apprentissage, permettant aux sujets d’ajuster leurs stratégies et d’améliorer leurs performances. Nous avons également mené une analyse comportementale complète, montrant comment nos sujets ont appris et se sont adaptés aux différentes tâches, en acquérant progressivement des stratégies d’apprentissage plus efficaces. Il est intéressant de noter que nos singes n’ont pas appris de la même manière que dans les études précédentes (Faraut et al., 2016; Harlow, 1949; Wilson & Gaffan, 2008). Bien que les deux singes aient appris à apprendre, chacun a montré des schémas distincts de changements neuronaux à tous les niveaux mesurés, incluant l’activité unitaire, les potentiels de champs locaux et la connectivité fonctionnelle. De plus, les deux singes ont présenté des profils motivationnels différents, ce qui nous a permis d’identifier des effets spécifiques de la motivation sur le traitement des « feedbacks » et les performances globales. Ces différences d’états motivationnels ont offert des perspectives uniques sur la manière dont les états internes peuvent moduler l'activité neuronale et influencer l'efficacité de l'apprentissage. Nos résultats ont démontré des changements neuronaux distincts qui accompagnent la transition de l'apprentissage spécifique à une tâche vers un niveau plus généralisé d’apprentissage à apprendre. Par ailleurs, l'analyse motivationnelle a mis en évidence son rôle crucial dans la modulation du traitement des « feedbacks » et des dynamiques neuronales. Ces résultats s'inscrivent dans le cadre d'un projet plus vaste visant à comprendre les bases neuronales de l'entraînement cognitif. Des analyses supplémentaires, telles que les oscillations ou celles centrées sur des aspects autres que le traitement des « feedbacks », comme la planification des actions, pourraient aider à mieux définir les dynamiques neuronales sous-tendant l'entraînement cognitif et à offrir une compréhension plus complète des mécanismes d’apprentissage à apprendre.Learning to learn refers to the ability to extract general rules from specific experiences to accelerate future learning, a process facilitated through cognitive training. Although the lateral prefrontal cortex-midcingulate cortex network is known to be involved in this process (Browning et al., 2007; Procyk et al., 2016), the neural changes occurring from a naïve state to the learning to learn level remain poorly studied. To address this, we first refined the rostro-caudal functional organisation of this network using resting-state fMRI in 15 monkeys. Then we conducted longitudinal electrophysiological recordings, including single-unit activity, event-related potentials from local field potentials, and functional connectivity using two monkeys who were task naïve at the start of recordings. The monkeys performed a series of tasks, ranging from a baseline non-cognitive task to discrimination learning and reversal learning tasks, allowing us to track neural adaptations over time. Feedback processing was central to our approach, as it drove the learning process, enabling the subjects to adjust their strategies and improve their performance. We also conducted a comprehensive behavioural analysis, demonstrating how our subjects learned and adapted across tasks, progressively acquiring more efficient learning strategies. Interestingly, our monkeys did not learn in the same way as reported in previous studies (Faraut et al., 2016; Harlow, 1949; Wilson & Gaffan, 2008). Both monkeys successfully reached the learning to learn level, but each displayed distinct patterns of neural changes across all measured levels, including single-unit activity, LFPs, and functional connectivity. Moreover, the two monkeys exhibited different motivational profiles, which allowed us to identify specific effects of motivation on feedback processing and overall task performance. These differences in motivational states provided unique insights into how internal states can modulate neural activity and influence learning efficiency. Our findings demonstrated distinct neural changes that accompany the transition from task-specific learning to the more generalized learning to learn level. Furthermore, motivational analysis highlighted its crucial role in modulating feedback processing and neural dynamics. These results contribute to a larger project aimed at understanding the neural basis of cognitive training. Additional analyses, such as oscillatory activity or those focused on aspects beyond feedback processing, like action planning, may further clarify the neuronal dynamics underlying cognitive training and contribute to a more comprehensive understanding of the mechanisms of learning to learn
Midcingulate cortex contributions to behavioral regulation : studies of prefrontal dynamics and local perturbations
No full textLes animaux ont la capacité fondamentale de structurer leurs actions en intégrant les issues de leurs choix afin de guider efficacement leurs recherches de récompenses. L'organisation cérébrale constitue le substrat de cette faculté de lier actes et récompenses dans le temps. Les activités des aires associatives, principalement préfrontales, reflètent des processus d'évaluation des récompenses et de contrôle de l'action. La recherche de dissociations fonctionnelles permet de révéler les contributions relatives des aires qui forment ce réseau. Nous avons comparé les activités de neurones du cortex préfrontal latéral (LPFC) avec celles du cortex cingulaire médian (MCC). Les activités du LPFC sont particulièrement fortes lors de la sélection d'une option suivant une instruction visuelle apprise. Les activités neuronales du MCC contiennent elles des représentations internes du suivi des récompenses et des stratégies à adopter en conséquence.Pour compléter l'étude corrélative des enregistrements unitaires, nous avons perturbé l'inhibition locale en injectant un antagoniste gabaergique dans le MCC. Ces interventions induisent des déficits à considérer l'historique des récompenses et des informations pour la régulation du comportement.Enfin, nous avons cherché dans les activités locales des déterminants intrinsèques à l'organisation du comportement. Nous avons extrait les signatures temporelles des activités du MCC et du LPFC que nous avons pu reproduire dans un modèle de réseau cortical par des jeux de conductances. Ces conductances fournissent un support mécanistique de la structuration des activités du réseau nécessaire à l'organisation temporelle des fonctions cognitivesAnimals have the fundamental ability to structure their actions by integrating the outcomes of their choices to effectively guide their search for future rewards. Brain organization forms the basis of this ability to link actions and rewards in time. The activities of associative areas, mainly prefrontal, reflect evaluation processes and control of action.The search for functional dissociation makes it possible to reveal the relative contributions of the areas which form this network. We compared the activities of neurons in the lateral prefrontal cortex (LPFC) with those of the median cingulate cortex (MCC) recorded in macaques. LPFC units are particularly recruited when selecting an option following a learned visual instruction. MCC neural activities contain internal representations of reward monitoring and strategies to be adopted accordingly.To complete the correlative study of unit recordings, we disrupted local inhibition by injecting a gabaergic antagonist into MCC. These disturbances induce deficits in behavioral regulation in light to the history of rewards and information.Finally, we looked in local activities for intrinsic determinants of the behavioral organization. We extracted the temporal signatures of MCC and LPFC activities and could reproduce them in a cortical network model by sets of conductances. These conductances provide a mechanistic support for the structuring of network activities necessary for the temporal organization of cognitive function
Behavioral flexibility in the primate : study of frontal dynamics and functional connectivity
No full textL’exploration de l’environnement est essentielle à la survie des primates. Elle permet de construire, au cours du temps, des connaissances et représentations internes relatives aux besoins, comme par exemple la connaissance des différentes sources de nourriture ou des routes pour éviter les prédateurs. Face à des situations nouvelles, ces expériences passées contribuent aux décisions et à la sélection de plans d’actions appropriés pour répondre aux besoins. Les primates évaluent les conséquences de leurs actions dirigées vers un but et les corrigent si nécessaire. Cette flexibilité des décisions repose sur un réseau cérébral frontal dense et complexe. Au sein de ce réseau, les cortex préfrontal latéral (LPFC) et cingulaire moyen (MCC) sont causalement impliqués dans la mise en place d’un comportement organisé et flexible mais la nature des dynamiques internes de ces cortex et leurs interactions restent encore à découvrir. Dans une première étude, j’ai caractérisé les variations des potentiels de champs locaux (LFP) de ces deux aires en montrant leur implication dans les processus décisionnels et motivationnels liés aux performances du comportement. Plus particulièrement, les variations d’activités du MCC et du LPFC corrèlent avec les variables comportementales qui permettent d’organiser, d’évaluer et de réguler les décisions au cours du temps mais aussi avec le niveau d’effort requis et la fatigue accumulée. En revanche, la représentation de la difficulté à réaliser la tâche n’est pas organisée dans ces structures cérébrales, vérifiant ainsi les hypothèses sur le fonctionnement des représentations mentales aidant à la décision. Dans un second temps, j’ai développé une tâche, utilisant un design visuel original, dans laquelle les animaux explorent les options de l’environnement par essai-erreur, se représentent les valeurs de ces options et exploitent les récompenses associées. Les enregistrements simultanés du MCC et du LPFC, pendant cette tâche, montrent qu’il existe, entre ces régions frontales, des différences fonctionnelles liées à l’évaluation des récompenses associés aux options. L'activité des cellules du MCC s’activent plus fortement et précèdent l’activation des cellules du LPFC, supposant que les informations relatives aux récompenses sont d’abord représentées dans le MCC et ensuite dans le LPFC. Ce résultat s’accorde avec le lien fonctionnel mis en évidence entre ces aires. De façon intéressante, les variations des LFP du MCC dans les bandes de fréquences Beta et Gamma prédisent celles du LPFC, indiquant que la communication s’établit en partant du MCC pour arriver dans le LPFC. L’ensemble de ces résultats valide les hypothèses de fonctionnement général du système d’adaptation comportemental, avec une représentation des récompenses qui s’organisent dans le MCC et qui permet l’implémentation des réponses flexibles dans le LPFC.Exploring the environment is essential to primates’ survival. It allows to build, over time, knowledge and internal representations related to the needs, such as knowledge of different food locations or routes to avoid predators. Facing new situations, these past experiences are used to make decisions and to select appropriate action plans to achieve goals. In such situations, the animals assess the consequences of goal-directed actions and correct them if necessary. This flexibility of decisions is based on a dense and complex frontal cerebral network. Within this network, the lateral prefrontal (LPFC) and midcingulate (MCC) cortex are causally involved in the establishment of organized and flexible behavior, but the nature of the internal dynamics and their interactions remain unknown. In a first study, I characterized the variations of the local field potentials (LFP) of these two areas by showing their involvement in decision-making and motivational processes related to behavioral performance. More specifically, activity variations in MCC and LPFC activity correlated with behavioral variables that made it possible to organize, evaluate and regulate decisions over time, but also with the level of effort required and the accumulated fatigue. On the other hand, the representation of the difficulty of carrying out the task was not represented in these cerebral structures, thus verifying hypotheses on the respective contributions of the neural representations to the decisions. Secondly, I developed a task with a novel visual design, in which the animals explore the options of the environment by trial and error, represent the values of these options and exploit the associated rewards. Simultaneous MCC and LPFC recordings during this task showed functional differences between regions related to the evaluation of rewards associated with the options. MCC cells fired more strongly and preceded the activation of LPFC cells, suggesting that reward information was first represented in the MCC and then in the LPFC. This result agrees with the hypothesized functional link between these areas. Interestingly, the variations of MCC LFPs in the Beta and Gamma frequency bands in majority predicted those of the LPFC, indicating that the communication was established from the MCC to the LPFC. All these results support the general functional hypotheses of a behavioral adaptation system, with a representation of rewards organized in the MCC and allowing the implementation of flexible responses in the LPFC
Anterior cingulate and dorsolateral prefrontal cortical areas specific activity and interactions during behavioral adaptation
No full textAgir de façon optimale dans un environnement incertain nécessite d'évaluer et de comparer les coûts et bénéfices des différentes alternatives. Cela implique aussi de réguler et de contrôler le comportement de façon flexible pour optimiser les périodes de recherche de gains ou de ressources et les périodes d'exploitation des acquis. Une des hypothèses actuelles sur les mécanismes neurobiologiques impliqués, propose que cortex cingulaire antérieur (CCA), associé à l’évaluation de l’action, et cortex préfrontal dorsolatéral (CPFdl), associé au contrôle cognitif, interagiraient pour réguler le comportement. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont permis de préciser le rôle joué par le CCA dans la détection et l’évaluation des performances ainsi que ses interactions avec le CPFdl au sein d'une boucle du contrôle cognitif. Menés grâce à des enregistrements électrophysiologiques chez le singe en comportement, ils apportent des précisions sur la séquence d’activation du CCA et du CPFdl dans la bande de fréquences gamma lors de l'adaptation du comportement. L’étude des potentiels de champs locaux de ces deux régions amènent à poser des hypothèses sur les mécanismes oscillatoires sous-jacents et notamment sur le rôle des communications basses fréquences entre le CCA et le CPFdl et leur implication différentielle entre recherche et exploitation.Acting optimally in uncertain environments requires evaluating costs and benefits of choosing each alternative. It also requires to flexibly regulate between exploration for and exploitation of resources. One current hypothesis is that the anterior cingulate cortex (ACC), involved in action valuation, and dorsolateral prefrontal cortex (dlPFC), involved in cognitive control, interact to elaborate an optimal regulation of behaviour. Studies achieved during this thesis allowed to precise the role of ACC in the detection and valuation of action outcomes as well as to describe the interactions with dlPFC in a cognitive control loop. Thanks to neurophysiological recordings in behaving monkey our work give new clues on the sequential activation of ACC and dlPFC during adaptation. The analyses of local field potentials allowed us to suggest hypotheses on the underlying oscillatory mechanisms, in particular on low frequency communications between ACC and dlPFC, and their modulation during exploration and exploitation
Exploration and verification : behavioural and neurophysiological studies of prefrontal cortex
No full textL'adaptation comportementale est primordiale pour faire face à l'environnement flexible dans lequel les individus évoluent chaque Jour, notamment par l'élaboration de comportements d'exploration ou de vérification. Le cortex préfrontal a depuis longtemps été considéré comme le siège du contrôle exécutif nécessaire à la genèse de ces comportements. Deux régions semblent essentielles: le cortex préfrontal latéral (LPFC) et le cortex midcingulaire (MCC). Bien que diverses théories attribuent à ces régions les fonctions d'évaluation des performances et de contrôle cognitif respectivement, leurs rôles dans les comportements de recherche d'information restent imprécis, et cela malgré l'apport potentiel aussi bien dans un contexte normal que pathologique (i.e. troubles obsessionnels compulsifs). Pour mieux comprendre la spécificité de ces régions dans les comportements d’exploration, les travaux que nous avons menés au cours de cette thèse emploient différentes approches comportementales et électrophysiologiques chez les primates humains et non humains. Ils ont permis de (1) raffiner la compréhension de l'implication des régions frontales dans le contrôle cognitif et l'effort attentionnel, (2) développer des tâches comportementales induisant des vérifications, basées sur le Jugement des performances ou l'évaluation de l'environnement, et (3) souligner la spécificité des comportements de vérification. En particulier, nos enregistrements intracérébraux chez le singe en comportement montrent l'importance du MCC pour signaler le besoin d'explorer sur la base de l'évaluation des performances, tandis que le LPFC contribue à la mise en oeuvre de la conduite comportementale à adopterBehavioural adaptation is an essential element of our quest to survive and flourish in a volatile environment, in particular by the use of exploration and verification behaviours. The prefrontal cortex has long been considered a critical source of these behaviours given it role in executive control. Two regions appear to be particularly critical – the lateral prefrontal cortex (LPFC), and the midcingulate cortex (MCC). Although numerous theories associate these regions with the functions of performance evaluation and cognitive control, the role of these regions in the search for information remains lacking, despite the importance of these behaviours and their apparent role in pathologies such as obsessive compulsive disorders. This thesis seeks to understand the specific roles of these regions in exploratory behaviours, employing a range of behavioural and electrophysiological techniques in both human and non human primates. The work here helps to refine our understanding of the role of frontal cortical regions in cognitive control and attentional effort. Moreover, we have developed a number of behavioural tasks that induce verification behavior based on subjects’ evaluation of their own performance or on an evaluation of the environment. Our work reveals the specificity of verification behaviour as well as specific roles for the MCC and LPFC in this search for information. Our intra cerebral recordings in monkeys working on such tasks underline the importance of the MCC for signalling the need to explore the environment on the basis of performance evaluation, whilst we have also shown the role of LPFC in the implementation of the necessary behavioural adaptation
Learning to learn in an uncertain environment, and dynamics of cortical networks for behavioral flexibility
No full textNotre environnement est complexe et changeant, ce qui apporte de l'incertitude dans les décisions de tous les jours. La capacité de détecter et résoudre l'incertitude est cruciale pour un comportement flexible et adapté. Notre hypothèse est que l'efficacité et la flexibilité comportementale en situation d'incertitude dépendent de la façon dont l'individu a appris à apprendre. Dans une 1ère étude, trois singes ont acquis un learning set pour une tâche aux règles stochastiques et changeantes. Leur réactivité aux évènements inattendus a augmenté lors de l'apprentissage, suivant l'évolution du degré d'incertitude environnementale. Cela a permis un transfert sans coût à une tâche plus complexe partageant la même structure, suggérant que les singes ont appris à apprendre la structure statistique de l'environnement. Nous avons ensuite étudié les mécanismes cérébraux sous-jacents à ce comportement flexible. Deux animaux ont reçu un implant d'électrocorticographie, sur les aires frontales et pariétales. Nous montrons d'abord, avec les données d'un animal, que des potentiels évoqués au feedback sont sensibles à la valence et au degré de surprise du feedback, et prédisent la stratégie à venir. Ensuite, nous présentons des résultats préliminaires montrant que des oscillations dans les bandes beta et thêta sont présentes au moment du feedback et de la décision, et que leur puissance est modulée de manière différente par les facteurs de la tâche. Ces résultats contribuent à révéler la complexité du réseau frontal pour la flexibilité comportementale, et ouvrent la voie à de nouvelles expériences pour comprendre comment ces mécanismes sont façonnés au cours du processus d'apprendre à apprendreOur environment is both complex and changing, which triggers uncertainty in every decision we make. The ability to detect and solve the resulting uncertainty is crucial for adapted and flexible behavior. Our hypothesis is that behavioral efficiency and flexibility in an uncertain environment depend on the way the agent has learnt to learn. In a first study, 3 macaque monkeys developed a learning-set for a task with stochastic and changing rules. Monkey’s reactivity to unexpected feedback increased across learning and paralleled the evolution of the degree of environmental uncertainty. This enabled them to transfer, without cost, to a more complex task with the same structure, suggesting that they learned to learn the statistical structure of the environment. We then studied the cerebral mechanisms underpinning this flexible behavior. Two animals were implanted with an electrocorticography implant over the frontal and parietal areas. We first showed, using data from one animal, that feedback related potentials were sensitive to feedback valence and unexpectedness, and predictive of the upcoming behavioral strategy. Then, we present preliminary results showing that oscillations in the beta and theta bands can be recorded at the time of feedback and at the time of decision, and that their power is modulated differently depending on the various task factors. These results contribute to reveal the complexity of the frontal cortical network enabling behavioral flexibility and open new horizons for future research to understand how these mechanisms are shaped throughout the learning to learn proces
Neural correlates of the influence of mood states on perception and decision making
No full textThis thesis investigated the neural correlates of the influence of mood states on sensory processing and decision making. How mood states affect the processing of simple sensory stimuli and their underlying neural correlates is still unclear. To address this question, sensory stimuli were presented to healthy participants after the induction of a happy or sad mood, while their brain activity was recorded using fMRI. The results demonstrated that happiness and sadness have differential effects on the processing of simple sensory stimuli. The second experiment investigated the impact of mood states on monetary decision making. Eighteen participants performed a gambling task in an fMRI scanner after the induction of a happy or a sad mood state. The results showed that a happy mood state promotes gambling, and that happy and sad mood states exert opposite effects on reward and emotional brain regions, with the latter being recruited for more difficult decisions
APPRENTISSAGE ET RESOLUTION DE PROBLEMES SEQUENTIELS CHEZ LE SINGE RHESUS : Etude comportementale et enregistrements unitaires dans les aires oculomotrices frontales et le cortex cingulaire antérieur
No full textrédigée de janvier à mai 1999.Bibliographic review and behavioural and neurophpysiological data on organisation and learning of sequential behaviours in primatesCe mémoire présente une revue bibliographique et des données sur les bases comportementales et neurophysiologiques de l'apprentissage de comportement séquentiels chez le primat
APPRENTISSAGE ET RESOLUTION DE PROBLEMES SEQUENTIELS CHEZ LE SINGE RHESUS : Etude comportementale et enregistrements unitaires dans les aires oculomotrices frontales et le cortex cingulaire antérieur
No full textrédigée de janvier à mai 1999.Bibliographic review and behavioural and neurophpysiological data on organisation and learning of sequential behaviours in primatesCe mémoire présente une revue bibliographique et des données sur les bases comportementales et neurophysiologiques de l'apprentissage de comportement séquentiels chez le primat
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