Projet ESTHETICS

Exploration de la structure fonctionnelle de la rétine par stimulation en boucle fermée. Une approche physiologique et computationnelle

A propos du projet

Ce projet vise à mieux comprendre la réponse de la rétine aux stimuli visuels complexes et à élucider le rôle joué par le réseau d’interneurones latéraux (cellules amacrines) dans cette réponse.

Résumé du projet. Ce projet vise à mieux comprendre la réponse de la rétine à des stimuli visuels complexes et à élucider le rôle joué par le réseau d’interneurones latéraux (cellules amacrines) dans cette réponse. Pour cela, nous adopterons une méthodologie expérimentale utilisant un contrôle en temps réel et une boucle de rétroaction pour adapter, en temps réel, les stimulations visuelles aux réponses enregistrées des cellules rétiniennes. Les expériences seront menées à Valparaíso (Chili). L’équipe Biovision développera le logiciel de contrôle et extrapolera les résultats à l’Inria Sophia-Antipolis, en s’appuyant sur ses avancées théoriques récentes en modélisation de la rétine. Il s’agit donc d’un projet transdisciplinaire et international à l’interface entre la biologie, l’informatique et les neurosciences mathématiques. Au-delà d’une meilleure compréhension du rôle de la structure de son réseau dans la réponse de la rétine aux stimuli spatiotemporels complexes, ce projet pourrait potentiellement influencer les méthodes de diagnostic de maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer.

Objectif du projet. En collaboration avec l’équipe de recherche expérimentale d’A. Palacios (Universidad de Valparaíso), nous souhaitons développer un protocole utilisant une boucle de rétroaction stimulation-contrôle afin de stimuler avec précision les cellules ganglionnaires de la rétine (CGR) dans une région donnée de l’espace, en intersectant leur champ récepteur, avec un stimulus variant dans le temps. Cela nous permettra d’explorer les différentes échelles spatiotemporelles de cette réponse et d’identifier d’éventuelles résonances correspondant à des fréquences temporelles ou spatiales privilégiées. Ces résonances peuvent résulter soit des propriétés intrinsèques de la cellule, soit du fait que celle-ci est intégrée dans un réseau constitué essentiellement d’une structure en flux direct (des photorécepteurs aux CGR via les cellules bipolaires), connectée latéralement par des interneurones : les cellules horizontales et amacrines.

Notre analyse mathématique nous permet de distinguer ces deux origines et de quantifier les effets induits par la structure du réseau d’interneurones [Kartsaki et al., 2023], notamment le rôle de la connectivité latérale des cellules amacrines. Comme nous l’avons montré dans des travaux théoriques antérieurs, la combinaison des résonances induites par la dynamique du réseau rétinien et par des stimuli en mouvement présentant une taille et une vitesse appropriées peut générer une onde d’activité rétinienne en amont du stimulus. Celle-ci peut aider le cerveau non seulement à décoder sa trajectoire, mais également à l’anticiper, ce qui constitue une fonction fondamentale du système visuel [Berry et al., 1999 ; Souihel & Cessac, 2019 ; Benvenutti et al., 2020]. Il existe donc une relation étroite entre la structure du réseau amacrine, la présence de résonances spatiotemporelles et la dynamique des ondes anticipatoires. Bien que ces effets d’anticipation aient été observés expérimentalement [Menz et al., 2020], une étude expérimentale systématique de cet aspect, guidée par les résultats théoriques, fait encore défaut. Afin de combler cette lacune, nous souhaitons répondre aux questions suivantes en combinant expérimentation, modélisation et traitement des données en ligne :

1. En utilisant la boucle de rétroaction stimulation-contrôle évoquée précédemment et décrite plus en détail ci-dessous, observons-nous des résonances spatiotemporelles telles que celles prédites par l’analyse théorique ?

2. Une conséquence théorique de l’existence de telles résonances est l’existence de vitesses privilégiées pour les objets en mouvement, pour lesquelles l’effet d’anticipation est maximal. Pouvons-nous le confirmer expérimentalement et expliquer ces vitesses privilégiées à partir des résonances observées ?

3. Que nous apprennent ces résonances sur la structure et la dynamique de la rétine ?

4. À partir de ces connaissances, pouvons-nous élaborer des stimuli spatiotemporels plus complexes et optimisés, permettant d’extraire rapidement et en ligne un maximum d’informations sur le réseau rétinien grâce à la boucle de rétroaction stimulation-contrôle ?

Malgré l’importance de comprendre la dynamique du réseau rétinien en réponse à des stimuli spatiotemporels, ce domaine de recherche n’a pas encore fait l’objet d’une étude systématique. Cela s’explique principalement par l’absence, au sein de la communauté de neurobiologie, d’un cadre théorique permettant d’anticiper les effets dynamiques du réseau rétinien. Bien que certaines équipes utilisent des méthodes reposant sur des boucles de rétroaction stimulation-contrôle, comme le laboratoire d’A. Palacios, les algorithmes actuels pilotant le processus de contrôle n’intègrent pas les effets liés au réseau. Notre projet interdisciplinaire vise à combler cette lacune en proposant une nouvelle approche de traitement des données permettant de révéler des caractéristiques du réseau rétinien jusqu’alors masquées et des aspects essentiels de sa réponse aux stimuli spatiotemporels [Cessac et al., 2019].

Description de l’impact attendu. Notre projet contribuera à la recherche fondamentale en neurosciences en permettant de mieux comprendre le traitement de l’information par le réseau rétinien, l’acquisition des données et le codage de l’information visuelle. De nouveaux algorithmes inspirés de la dynamique du réseau rétinien pourraient également enrichir le domaine de la vision par ordinateur.

Plus important encore, cette proposition constitue une étape clé d’un projet plus ambitieux. À plus long terme, un résultat majeur serait la caractérisation des cellules ganglionnaires de la rétine chez des souris saines et chez des souris génétiquement modifiées présentant des symptômes de la maladie d’Alzheimer. Chez ces souris, comme l’a montré le laboratoire d’A. Palacios, l’accumulation de bêta-amyloïde dans la rétine entraîne une augmentation sporadique de l’activité, visible dans les trains de potentiels d’action [Araya et al., 2022]. Nous faisons l’hypothèse que cette accumulation affectera également la réponse spatiotemporelle des cellules ganglionnaires de la rétine et que les stimuli spatiotemporels que nous souhaitons concevoir permettront de diagnostiquer les signes précoces de la maladie d’Alzheimer à partir des réponses rétiniennes