Mesure de la sélectivité

La réponse à un stimulus obtenu au travers des cartes d'activation reste limitée en contenu d'information. Dans ce chapitre, les réponses obtenues pour plusieurs stimuli vont être combinées via différentes méthodes d'analyse pour réaliser des cartes de sélectivité (e.g. orientation préférée).

3.5.1 Rétinotopie

Initialement, pour réaliser les cartes de rétinotopie en imagerie optique, l'analyse était réalisée à partir de cartes d'activation obtenues en réponse à des stimulations circonscrites du champ visuel (le plus souvent des réseaux de barres dans des carrés à différentes positions, figure 18). Ensuite, pour chaque pixel, la position visuelle préférée était estimée, le plus souvent en déterminant quelle position spatiale évoquait la plus forte réponse (Gias et al., 2005, Schuett et al., 2002). Toutefois, le nombre limité de positions stimulées (généralement moins d'une vingtaine) rend cette méthode faiblement résolutive et les bordures entre les différentes zones rétinotopiques peuvent être très sensibles à l'intensité des activations et leur étendue spatiale (Schuett et al., 2002). De plus, les cartes d'activations nécessaires à cette méthode sont souvent affectées par du bruit physiologique difficile à éliminer (voir chapitre précédent).

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Figure 18. Rétinotopie du cortex de la souris mesurée par stimulation épisodique

(en haut) Activations corticales chez la souris (en noir) évoquées par la stimulation de différentes portions du champ visuel. (en bas) Pour chaque pixel, la détermination de la position évoquant la plus forte réponse a permis d’obtenir la carte de rétinotopie (code couleur, en haut à gauche). Adaptée de Schuett et al. (2002).

L'utilisation de la stimulation continue par (Kalatsky et Stryker, 2003) a donc permis de réduire considérablement la contribution du bruit tout en augmentant la résolution spatiale de la rétinotopie. Cette méthode se base sur des enregistrements en continu du cortex en réponse à des barres horizontales ou verticales en déplacement périodique dans le champ visuel (figure 19). Pour chaque pixel du cortex visuel, une réponse périodique est donc induite. L'amplitude de la réponse à la fréquence de stimulation (i.e. 1e harmonique), obtenue grâce à une transformée de Fourier, peut alors être utilisée pour mesurer la puissance du signal.

De plus, en fonction de la localisation des pixels dans le cortex, la réponse périodique est plus ou moins décalée dans le temps en fonction de la position rétinotopique des champs récepteurs des neurones sous-jacents. Cette phase du signal, obtenue également grâce à la transformée de Fourier peut alors être utilisée pour mesurer la position préférée de chaque pixel. Étant donné qu’une infinité de position du champ visuel sont stimulées à tour de rôle par le passage de la barre, cette méthode permet d'accéder à une excellente résolution (figure 20).

Il est a noter que les cartes de phase obtenues, ne correspondent pas exactement à la carte de rétinotopie pour deux raisons : (1) La stimulation continue ne peut être employée que pour des paramètres continus à 1 dimension tel que l'orientation ou la rétinotopie selon l'azimut ou l'élévation. Ainsi, pour obtenir une carte de rétinotopie complète, deux enregistrements sont nécessaires. (2) La phase permettant de mesurer la position rétinotopique est retardée par le délai hémodynamique inhérent à l'imagerie optique. Ce sont donc des cartes relatives qui sont obtenues avec cette méthode, mais qui restent tout à fait exploitable dans la majorité des études réalisées. Malgré tout, ce délai peut être facilement estimé et retiré en réalisant deux enregistrements successifs dans lequel les barres se déplacent dans des directions opposées (voir la méthodologie dans (Kalatsky et Stryker, 2003, Kalatsky, 2009)).

3.5.2 Orientation

Pour obtenir les cartes de sélectivité à l'orientation en imagerie optique, l'analyse est réalisée à partir de cartes d'activation obtenues en réponse à plusieurs stimuli orientés (généralement des réseaux de barres). La méthode de "somme des vecteurs" est alors la plus souvent utilisée (Bonhoeffer et Grinvald, 1996, 1991,

Figure 19. Paradigme de stimulation périodique

(en haut) Stimuli utilisés dans le paradigme de stimulation continue pour cartographier la rétinotopie selon l’azimut (à gauche) ou l’élévation (à droite). (en bas) En chaque point du cortex, la réponse neuronale est retardée en fonction de la position des champs récepteurs (ϕs) et le délai hémodynamique (ϕd). La transformée de Fourier de ce signal permet alors d’estimer la phase (ϕ) et la force de la réponse (2A). Adaptée de Kalatsky et Stryker (2003).

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Figure 20. Rétinotopie du cortex de la souris mesurée par stimulation périodique

Cartes de rétinotopie dans l’axe de l’élévation (à gauche) et de l’azimut (à droite) dans le cortex visuel de la souris à l’aide du paradigme de stimulation continue. Adaptée de Kalatsky et Stryker (2003).

Blasdel et Salama, 1986). Elle consiste à calculer pour chaque pixel, le vecteur d’orientation moyen (dans un espace polaire) à partir des amplitudes évoquées pour chaque orientation. Cette méthode permet ainsi d'estimer, pour chaque pixel, l'orientation préférée (présentée sous la forme d’une carte en couleur) et l'amplitude de la réponse à l'orientation (présentée sous la forme d’une carte en niveau de gris, voir la figure 17). Une alternative découlant de cette méthode est "l'analyse différentielle". Dans ce cas, les cartes d'activation correspondant à deux orientations orthogonales sont soustraites, laissant apparaître les modules d'orientation en noir et blanc selon la préférence pour l'une ou l'autre des orientations orthogonales. Ces techniques permettent d'obtenir d'une manière très simple une mesure fiable de la sélectivité à l'orientation. Malgré cela, certains paramètres comme la largeur de bande pour l’orientation ne peuvent pas être estimés directement.

En modélisant la courbe de réponse à l'orientation, il est par contre possible de mesurer l'orientation préférée et l'amplitude, mais également la largeur de bande pour chaque pixel (Swindale et al., 2003, Swindale, 1998b, Carandini et Sengpiel, 2004). En utilisant cette stratégie, (Swindale et al., 2003) ont pu modéliser la courbe de réponse par une fonction de Von Mises et constater que la largeur de bande était plus large dans les "pinwheel" que dans les domaines d'orientation. Toutefois, ces stratégies nécessitent de modéliser les résultats expérimentaux par des fonctions mathématiques qui peuvent ne pas décrire parfaitement les processus naturels. Il convient donc de prendre en compte autant que possible la "qualité" de la description par le modèle en mesurant par exemple les "écarts au carré".

Qu’il s’agisse de la modélisation par une fonction ou de la somme des vecteurs, le nombre de cartes d’activations utilisées dans le calcul a une influence sur la résolution polaire des mesures. (Womelsdorf et al., 2001) ont par exemple montré que huit orientations seraient nécessaires pour estimer adéquatement la sélectivité à l’orientation malgré que la plupart des études se limitent souvent à quatre. Enfin, même si le signal pour l'orientation est relativement "fort" dans le cortex visuel primaire, son amplitude peut être plus faible dans d’autres situations telles que dans l’aire 21a comme cela sera exposé dans l’étude 2.

L'approche de "stimulation continue", présentée précédemment pour la rétinotopie, représente donc un atout de taille dans la mesure où elle permet

d'accéder à une meilleure résolution (i.e. polaire), tout en augmentant le rapport signal/bruit. En présentant un réseau de barre, dont l'orientation changeait de manière continue et en exploitant la réponse à la 2e harmonique (i.e. l'orientation préférée est présentée 2 fois dans une rotation complète), (Kalatsky et Stryker, 2003) ont été en mesure de réaliser des cartes d'une qualité exceptionnelle en 10x moins de temps qu'avec les techniques traditionnelles (figure 21).

Malgré les performances offertes par cette technique, dans toutes les études exploitant la "stimulation continue" (rétinotopie et orientation), l'analyse du signal ne se concentre toujours que sur une seule harmonique ce qui empêche toute estimation du profil de la réponse. Les articles 3a et 3b de cette thèse vont se concentrer sur cet aspect.

3.5.3 Direction

Les premières cartes de sélectivité à la direction en imagerie optique ont été réalisées en employant la méthode de "somme des vecteurs" à partir de cartes d'activation obtenues en réponse à plusieurs stimuli en mouvement (réseaux de barres ou points aléatoires, (Shmuel et Grinvald, 1996)). De la même façon que pour l'orientation, les "cartes différentielles" peuvent également être réalisées en soustrayant les cartes d'activation correspondant à deux directions opposées : il est ainsi possible de voir que dans un domaine d'orientation, coexistent des sous- domaines de directions opposées et orthogonales à l'axe de l'orientation.

Toutefois, le signal évoqué par la direction est plus faible que celui de l'orientation (Shmuel et Grinvald, 1996). De plus, le profil de la courbe de direction est bimodal. Ainsi lorsque les amplitudes des réponses à des directions opposées sont proches et que le niveau de bruit est fort, la direction peut être mal évaluée (figure 22). (Kisvarday et al., 2001) ont donc proposé d'estimer la direction en identifiant la réponse maximum plutôt que la réponse moyenne de la « somme des vecteurs ». Néanmoins, cette alternative rend la résolution angulaire plus faible. (Swindale et al., 2003) ont donc proposé une alternative judicieuse en modélisant la courbe de réponse à la direction par une somme de deux fonctions de Von Mises (figure 8). Cette méthode a permis de mesurer avec succès l’organisation des cartes de direction en conjonction de celles pour l’orientation dans le cortex visuel primaire du chat. Elle a également permis le calcul d’un index de direction indépendant de l'amplitude du signal. Avec cette mesure, il a ainsi été possible de

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