Geometry and dynamics of distributed cortical sensory representations

Géométrie et dynamiques des représentations corticales sensorielles distribuées À l'intersection des neurosciences, de la physique et de l'intelligence artificielle se trouve une question centrale : comment la structure du cortex façonne-t-elle le contenu de l'esprit ? Cette thèse explore comment des principes généraux de géométrie corticale et de dynamique neuronale peuvent rendre compte de l'émergence de représentations sensorielles distribuées, et propose une architecture fonctionnelle unificatrice à l'échelle du cortex. Le Chapitre 1 s'intéresse à l'accès conscient, la transition où une information perceptive devient globalement disponible. À l'aide de simulations du cortex macaque intégrant des neurones et synapses biophysiques et une connectivité anatomique empirique, nous identifions un mécanisme de bifurcation reproduisant les dynamiques tout-ou-rien observées lors de la détection consciente. Dans ces simulations, des populations distinctes, chacune encodant un champ récepteur particulier, entrent en compétition : l'une peut s'embraser et être diffusée à grande échelle, tandis que l'autre est supprimée. Ce phénomène ne dépend pas d'une région isolée mais des dynamiques conjointes d'un réseau associatif distribué, incluant notamment les aires fronto-pariétales. Le modèle a en outre prédit un gradient NMDA/AMPA à l'échelle corticale - confirmé ensuite empiriquement - alors qu'aucune structure spatiale n'était codée explicitement. Cela nous conduit à explorer l'organisation spatiale des codes sensoriels. Le Chapitre 2 examine l'ancrage géométrique de l'information sensorielle. Des travaux récents montrent que même des attributs élémentaires, comme la position dans le champ visuel, sont encodés bien au-delà des aires sensorielles primaires, à l'échelle de populations distribuées. Nous avons fait l'hypothèse que cet encodage suit des gradients spatiaux structurés. Pour le tester, nous avons développé la Spatial Component Decomposition (SCD), une méthode de "sparse dictionary learning" permettant d'identifier les influences spatiales exercées par différentes régions corticales. Appliquée à des cartes rétinotopiques dérivées de l'IRMf, SCD révèle un gradient linéaire s'étendant sur plus de 60 mm depuis V1, ainsi que des influences suppressives venant d'autres aires sensorielles et de hubs transmodaux du Default Mode Network (DMN). Ces résultats suggèrent que le traitement sensoriel peut émerger d'une compétition spatiale entre systèmes distribués, plutôt que d'une ségrégation strictement modulaire. Le Chapitre 3 explore les mécanismes susceptibles de générer ces influences spatiales. Nous y entraînons des réseaux neuronaux artificiels contraints par la géométrie corticale et la connectivité locale, afin d'évaluer si ces motifs d'encodage distribués peuvent émerger de règles d'apprentissage locales. Les résultats montrent que l'activité s'organise spontanément selon des flux d'information rappelant les grandes voies anatomiques. Des simulations complémentaires de "spiking neurons" confirment que la plasticité de type Hebb conduit à la formation de champs récepteurs structurés. Ces observations appuient l'idée que les circuits corticaux s'auto-organisent autour des statistiques de leurs entrées, sous l'influence conjointe de la géométrie et de la plasticité. En réunissant ces résultats, nous proposons une nouvelle architecture fonctionnelle du cortex : l'information sensorielle entre via les projections thalamiques (V1, S1, A1), puis se propage selon des flux structurés. Ces flux tendent à contourner les régions transmodales du DMN - peut-être en raison d'entrées concurrentes ou de dynamiques internes spécifiques - pour converger vers des hubs multimodaux tels LIP, FFA ou l'aire de Wernicke. Ces zones d'intégration semblent correspondre au réseau associatif identifié dans notre étude initiale de l'accès conscient. Ainsi, ce travail propose un cadre unificateur où la géométrie corticale et les dynamiques neuronales gouvernent ensemble l'émergence et la distribution des représentations sensorielles.