Modulation cholinergique de l'activité neuronale corticale et des performances perceptives // cholinergic modulation of cortical neuronal activity and perceptual performance

Topic description

Les neuromodulateurs régulent puissamment les états internes du cerveau, tels que l'éveil et l'attention, façonnant ainsi les patterns d'activité neuronale et la perception des stimuli sensoriels. Parmi eux, l'acétylcholine joue un rôle central : le néocortex est densément innervé par des neurones cholinergiques issus du prosencéphale basal, dont les projections à longue distance modulent le traitement sensoriel en agissant à la fois sur les neurones pyramidaux et sur les circuits inhibiteurs locaux. Malgré son importance, l'organisation spatio-temporelle de l'activité cholinergique corticale dans le cerveau intact — et son lien avec le comportement — reste encore mal comprise.
Au cours des dernières années, mon équipe a développé des approches expérimentales et analytiques permettant de suivre l'activité cholinergique corticale chez la souris au cours d'une tâche de détection tactile basée sur les vibrisses. Nous avons mis en évidence des patterns spatio-temporels caractéristiques de l'activité cholinergique dans le cortex somatosensoriel primaire (S1) et montré que l'activité cholinergique de base prédit l'issue comportementale au seuil perceptif (détection du stimulus versus échec ; manuscrit en préparation). Ces résultats soulèvent des questions fondamentales encore ouvertes : comment l'activité cholinergique influence l'activité neuronale locale dans le cortex, et comment la dynamique cholinergique est liée aux performances perceptives sous différentes exigences ou niveaux de difficulté de la tâche.
Répondre à ces questions est essentiel pour comprendre comment la modulation cholinergique façonne l'état cortical et la perception sensorielle. Dans ce projet, l'étudiant combinera des techniques d'imagerie optique de pointe et des approches électrophysiologiques afin de déterminer l'organisation spatio-temporelle de l'activité cholinergique et son impact sur la dynamique neuronale locale. La signalisation cholinergique sera imagée in vivo à l'aide d'un capteur génétiquement encodé de l'acétylcholine (GACh), exprimé de manière virale à l'échelle du cortex dorsal par injection néonatale. L'imagerie grand champ à un photon permettra de capturer la dynamique cholinergique globale à travers plusieurs régions corticales, notamment le cortex somatosensoriel primaire (S1) et le cortex visuel (V1). Afin d'établir un lien direct entre les signaux cholinergiques et l'activité neuronale, l'imagerie cholinergique sera combinée à des enregistrements Neuropixels dans le cortex sensoriel, permettant de corréler l'activité de l'acétylcholine avec l'activité de décharge neuronale et la dynamique des populations neuronales.
Les expériences seront réalisées chez des souris effectuant des tâches de détection sensorielle dont les exigences seront systématiquement modulées. Le paradigme principal sera une tâche de détection tactile basée sur les vibrisses, dans laquelle l'intensité du stimulus modulera la difficulté de la tâche, complétée par une tâche de détection visuelle afin d'évaluer les dynamiques cholinergiques spécifiques à une modalité sensorielle ou communes à plusieurs modalités. En reliant l'activité cholinergique aux performances comportementales, à la difficulté de la tâche, à la modalité sensorielle et à l'activité neuronale locale, ce projet permettra de mieux comprendre comment la signalisation cholinergique organise les états corticaux dans l'espace et le temps afin de soutenir la perception sous différentes contraintes comportementales.
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Neuromodulators powerfully regulate internal brain states such as arousal and attention, thereby shaping neuronal activity and sensory perception. Among them, acetylcholine plays a central role: the neocortex is densely innervated by cholinergic neurons from the basal forebrain, whose long-range projections modulate sensory processing via actions on both pyramidal neurons and local inhibitory circuits. Despite its importance, the spatiotemporal organization of cortical cholinergic activity in the intact brain—and its relationship to behavior—remains poorly understood.
Over the past years, my team has developed experimental and analytical approaches to monitor cortical cholinergic activity in mice performing a whisker-based tactile detection task. We identified characteristic spatiotemporal patterns of cholinergic activity in the primary somatosensory cortex (S1), and found that baseline cholinergic activity predicts behavioral outcome at perceptual threshold (stimulus detection versus failure; manuscript in preparation). These findings raise key open questions: how cholinergic activity influences local neuronal activity in the cortex, and how cholinergic dynamics relate to perceptual performance under varying task demands.
Addressing these questions is essential for understanding how cholinergic modulation shapes cortical state and sensory perception. In this project, the student will combine state-of-the-art optical imaging and electrophysiology to determine the spatiotemporal organization of cholinergic activity and its impact on local neuronal dynamics. Cholinergic signaling will be imaged in vivo using a genetically encoded acetylcholine sensor (GACh) virally expressed across the dorsal cortex via neonatal injection. Wide-field one-photon imaging will capture global cholinergic dynamics across cortical regions, including S1 and visual cortex (V1). To directly link cholinergic signals to neuronal activity, cholinergic imaging will be combined with Neuropixels recordings in sensory cortex, enabling correlation with spiking and population-level neural dynamics.
Experiments will be conducted while mice perform sensory detection tasks with systematically varied demands. The primary paradigm will be a whisker-based tactile detection task in which stimulus intensity modulates task difficulty, complemented by a visual detection task to assess modality-specific versus general cholinergic dynamics. By relating cholinergic activity to behavioral performance, task difficulty, sensory modality, and local neuronal activity, this project will elucidate understanding of how cholinergic signaling organizes cortical states across space and time to support perception under varying task demands.
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Début de la thèse : 01/10/
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Contrat doctoral libre