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Projets Inter-équipes internationaux
1. ACI «Nouvelles Interfaces des Mathématiques»
Cadre Deux équipes du LPPA (Chantal Milleret et Jacques Droulez) participent à cette ACI lancée fin 2004, qui regroupe plusieurs mathématiciens (D. Bennequin, B. Teissier, G. Longo, J. Petitot) et auquel participe également Yves Frégnac.
Présentation Le but de ce projet est de faire le point sur les modèles géométriques de l'architecture et de la dynamique fonctionnelle des aires corticales impliquées dans la perception visuelle et de tenter d’établir des modèles mathématiques plus complets permettant de relier l’organisation microscopique (réponse synaptique) à l’organisation macroscopique (champs d’orientation/direction) en restant compatible avec des données empiriques de plus en plus précises et variées. Les diverses cartes fonctionnelles primaires seront étudiées : rétinotopie, dominance oculaire, disparité, fréquences spatiales et temporelles, couleur, direction, orientation, etc. Mais le travail portera surtout sur les cartes d’orientation et leurs fonctions, en particulier sur les “ pinwheels ”, les recollements latéraux, les champs d’association perceptive et l’intégration des contours en relation avec le mouvement et la possibilité d'une vision active. Les modèles considérés font intervenir des théories mathématiques assez différentes. Par exemple, analyse en ondelettes par les champs récepteurs visuels, réseaux de neurones pour la sélectivité et la plasticité, structure de contact pour les orientations du plan visuel, inférence Bayésienne ou correspondance statistique entre micro-réseaux pour définir les “variétés sensorielles”. Les corrélats neurophysiologiques seront établis à l’aide de deux méthodes expérimentales - fournies en particulier par les techniques électrophysiologiques intracellulaires et de nouvelles méthodes d'imagerie de l’activité cérébrale en temps réel (cartographie dynamique avec des colorants sensibles au potentiel) - au sein de deux laboratoires de physiologie sensorielle (U.N.I.C. – Y. Frégnac, LPPA – C. Milleret).
2. ACI Neurosciences Intégratives et Computationnelles "Temps et Cerveau "
Cadre et participants - ACI Neurosciences Intégratives et Computationnelles « Temps et Cerveau » (2003-2006). - Co-direction de Thèse de Luc Foubert (Sciences Cognitives, Paris 6 ) - Coordinatrice de l’ACI : Dr Chantal Milleret - Equipes concernées : Dr Jacques Droulez
Présentation Très brièvement, dans les contextes indiqués ci-dessus, ce projet rappelons-le consistera à modéliser « le rôle de l’activité neuronale dans le développement et la plasticité des cartes corticales calleuses visuelles ». L’équipe de C. Milleret fournira les données in vivo concernant le développement des cartes corticales calleuses présentes dans les aires visuelles primaires 17 et 18, obtenues en particulier avec la technique d’imagerie optique. J. Droulez (et D. Bennequin) quant à eux dirigeront les opérations de traitements d’images, d’études statistiques, de modélisation et de computation. Trois thèmes sont plus particulièrement traités : - Le développement séquentiel des cartes visuelles corticales : Une « carte corticale visuelle » est en effet non par « une » carte mais une superposition de plusieurs cartes fonctionnelles (rétinotopie, dominance oculaire, orientation, fréquences spatiales et direction…). Elles sont définies par les connexions géniculo-corticales, intracorticales et interhémisphériques. Il sera tenté ici d’établir une formalisation mathématique relatant la façon dont ces différentes cartes se mettent en place les unes par rapport aux autres au cours du développement (normal ou anormal). - La comparaison des temps de propagations des potentiels d’actions intra- et interhémisphériques : Le rôle d’une synchronisation entre la voie géniculo-corticale directe et la voie calleuse dans la stabilisation des connexions calleuses qui s’opère au cours du développement sera ici tout particulièrement évalué. - Le rôle du couplage statistique dans les processus de stabilisation des connexions calleuses : Dans ce troisième sous-projet, l’importance des corrélations statistiques entre les activités neuronales pré- et post-synaptiques (spontanées et liées à l’expérience visuelle) dans les mécanismes d’élimination et de stabilisation des exubérances juvéniles calleuses sera tout particulièrement étudié. Cette analyse sera complétée par une comparaison quantitative de différentes règles d’apprentissage (hebbienne, anti-hebbienne & BMC) dans les réseaux neuronaux.
Suite à ce projet, 2 autres viennent s'y greffer : - La formalisation mathématique du « recollement » des cartes fonctionnelles corticales calleuses visuelles - Les aspects probabilistes de l’intégration interhémisphérique et son développement
Collaborateurs nationaux et internationaux Pr Alain Berthoz et Sidney Wiener Collège de France CNRS Coordinateurs : Dipl.-Ing. (FH) Joerg Kohnle, Hahn-Schickard-Gesellschaft, Institut für Mikro und Informationstechnik HSG-IMIT (DE) - Prof. Dr Oliver Paul, Institute of Microsystem Technology IMTEK of the University of Freiburg (DE) - Prof. Dr Karin D. Caldwell, Department/Centre for Surface Biotechnology at Uppsala University (SE) - Professor Nicolaas F. de Rooij, Institute of Microtechnology, University of Neuchâtel – IMT (CH) - Prof. Dr Guy A. Orban, Laboratorium voor Neuro- en Psychofysiologie, Katholieke Universiteit Leuven (BE) - Prof. Trevor Robbins, The Department of Experimental Psychology of University of Cambridge (UK) - Prof. Giacomo Rizzolatti School of Medicine of the University of Parma, (IT) - Dr Istvan Ulbert, Institute of Psychology of the Hungarian Academy of Sciences (HU) - Prof. Eduardo Fernandez, University Miguel Hernández de Elche (ES) - Dr Youri V. Ponomarev, Philips Innovative Technology Solutions (BE) - Mr. Micha Mulder, Micronit Microfluidics (NL) - Dr Ir Ben Kloeck, Cochlear Technology Centre (UK)
Présentation
Le projet « Neuroprobe » du 6ème programme cadre de la Communauté européenne est actuellement en étape finale de négociation. Ce projet vise à développer de nouvelles matrices d’électrodes en silicium : celles-ci permettront non seulement d'enregistrer davantage de neurones en provoquant des dommages encore plus limités, mais également d'infuser localement des substances pharmacologiques et d'inactiver temporairement (par voie chimique ou calorifique) des zones restreintes du cerveau. Notre équipe doit tester la bio-compatibilité des ces électrodes, effectuer des enregistrements chez l’animal libre de ses mouvements, et développer des logiciels d’analyse de données multi-voies. Ces électrodes permettent d'enregistrer des dizaines de neurones simultanément, ainsi que les potentiels de champs locaux en une centaine de points anatomiquement bien définis, ce qui permet d'analyser les densités de sources de courant de plusieurs structures cérébrales simultanément. Nous allons implémenter de nouveaux algorithmes de classification semi-automatique des potentiels d'action émis par différents neurones enregistrés sur un même groupe d'électrodes (par exemple, réduction dimensionnelle par ondelettes ou par analyse en composantes indépendantes etc.), ce qui permettra d'identifier davantage de neurones, mais aussi de pouvoir isoler des neurones plus petits, comme ceux du gyrus denté du système hippocampique. Nous allons également poursuivre le développement d'outils de classification manuelle et de visualisation des données, et les intégrer au sein d'une suite logicielle mise librement à la disposition de la communauté scientifique
4. Human Frontiers : Expression corporelle des émotions
Cadre et participants Human Frontier Science Program Grant "The expression of emotions through bodily movements" (Contract RGP 0054/2004) Participants : Pr Alain Berthoz (France), Pr Beatrice de Gelder (Hollande, USA), Dr Martin A. Giese (Germany), Pr Tamar Flash (Israél), Dr Julie Grèzes (France), Swann Pichon (France)
Présentation La production du mouvement biologique est caractérisée par un ensemble d’observations particulièrement robuste et reproductible à travers différentes conditions expérimentales (loi de Fitt, loi de Listing, loi de puissance 1/3). Ainsi la génération de trajectoires locomotrices est régie, comme le sont les mouvements de la main dans des actions de dessin, par une corrélation forte entre les propriétés géométriques de la trajectoire et la cinématique de l’effecteur. Ces particularités du mouvement biologique (ou invariants moteurs) contraignent également la perception du mouvement : le mouvement sera perçu comme fluide, régulier…uniquement s’il répond à ces critères. Le but de cette étude est de décrire les expressions (loco) motrices induites par plusieurs types d’états émotionnels (la joie, la colère…). En particulier, l’analyse cinématique de la marche humaine sera effectuée pour ces différentes émotions en vue de caractériser des invariants locomoteurs spécifiques à chaque émotion. Cette étude concernera à la fois l’étude des trajectoires locomotrices mais également la coordination inter segmentaire. Nos travaux pourront avoir des applications dans le domaine de l’animation graphique (faire exprimer des émotions à des personnages virtuels), ou encore de la robotique (cf laboratoire partenaire) .
5. Etude des stratégies de navigation : validation et études en physiopathologie
Collaborateurs K. Igloi, M. Zaoui, Pr A. Berthoz et Dr L.. Rondi-Reig
Présentation Ce projet consiste a développer, pour des études chez l’homme normal , âgé où ayant des déficits pathologiques, un labyrinthe virtuel dérivé du labyrinthe en étoile mis au point par L. Rondi-Reig pour la souris transgénique. Ce labyrinthe permet de dissocier les stratégies de navigation allocentriques et égocentrique et à permis de préciser le rôle respectif de l’hippocampe et du cervelet dans la mémorisation et la restitution de divers aspects de la navigation. Des travaux préliminaires ont déjà validé le projet avec de sujets sains. (Master sciences cognitives de K. Igloi). Ce projet entre deux laboratoires (UMR 7152 et UMR 7102) sera aussi un des éléments d’un projet de L. Rondi Reig (équipe ENMVI) avec le Pr J. Mariani (UMR 7102) pour l’étude du vieillissement.
Cadre et partenaires Projet européen STREP Coordinateur: Prof. Dr Albert Postma : Université Utrecht Hollande Partenaires: Allemagne: Max Planck Institute for Biological Cybernetics, Tübingen. Angleterre: University College London France: LIMSI CNRS, Orsay. France: LPPA Collège de France/CNRS, Paris Italie: Fondazione Santa Lucia, University of Rome. Participants: Pr Alain Berthoz : PRHC Laure Rondi-Reig, CR2, CNRS. Mohamed Zaoui, IE1 CNRS Panagiota Panagiotaki, doctorante, Kinga Igloi, doctorante.
Présentation
La connaissance d’un lieu géographique et la trajectoire pour le rejoindre (en intégrant sa propre position courante) sont extrêmement importantes dans la vie quotidienne. Sans cette capacité, nous ne pourrions retrouver notre chemin pour rentrer à la maison ou nous diriger dans notre environnement. On estime que la mémoire spatiale, la capacité à retrouver son chemin et l’orientation dans l’espace sont parmi les principales fonctions affectées par le vieillissement normal et pathologique, comme dans le cas de la maladie d'Alzheimer. En effet, ces fonctions sont relativement complexes, exigent la planification, la manipulation, la synthèse, et la prise de décision. La capacité de construire des représentations spatiales du monde extérieur et de les stocker dans la mémoire donne à penser que ces aptitudes furent à la base de l'évolution des fonctions cognitives les plus élevées chez l’homme. Plusieurs espèces, comme les oiseaux, les mammifères et des primats non humains, possèdent également des capacités spatiales, mais ils n'ont pas atteint le niveau de complexité du système humain.
Objectifs - Examiner l'organisation cognitive de la mémoire et l’orientation spatiale; - Analyser comment cette faculté essentielle est implémentée dans le cerveau humain - Trouver les similitudes et les différences avec les autres espèces animales ayant des capacités semblables - Repérer quelles sont les fonctions spatiales qui sont uniquement propres à l’être humain; - Mettre en relief les principales implications sociales des fonctions spatiales en examinant ce qui se produit chez certains patients souffrant de perte dramatique des capacités d’orientation spatiale. Dans ce projet, nous sommes en charge d’un lot de travail axé sur le Changement de point de vue, dans lequel nous proposons de mener, en collaboration avec les équipes de Londres et de Rome, des expériences sur les propriétés de manipulation mentale de l’espace durant la navigation chez les humains. Des expériences auront lieu avec des patients hippocampiques ou ayant des lésions pariétales.Pour mener les expériences sur la mémoire spatiale avec l’équipe de Rome, les services électronique et mécanique développent deux prototypes pour le test CORSI, une version d’une taille de 30cm x 25cm avec 9 plots de 5cm x 5cm et une version grande échelle de 3m x 3m composée de 9 dalles lumineuses de 30cm x 30cm. Ces prototypes sont entièrement commandés par un PC et un réseau Ethernet. Une version réalité virtuelle est également en cours de développement. Le service de réalité virtuelle à mis au point un labyrinthe virtuel ( voir projet interéquipe navigation.)
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