Teaching Summary

Title : Séminaires Cerveau et Cognition
Authors : Yves Frégnac and Cyril Monier
Year : 2013

Abstract

Cyril Monier - HSS 512F
SEMINAIRE HSS 512F
 

Cerveau et Cognition

Département d'Humanités et Sciences Sociales
Ecole Polytechnique, Automne 2013

Mise à jour 18/11/2013

 

Données - Description - Organisation - Thèmes - Agenda - Bibliographie

Données

  • Crédits ECTS : 1
  • Nombre d'heures : 24
  • Langue du cours : français
  • Horaires : jeudis matins de 8h à 10h
  • Dates : 19, 26 sept – 3, 10, 17 oct – 7, 14, 21, 28 nov – 5, 12, 19 déc 2013
  • Lieu : Amphi Carnot sauf le 21 nov salle 66
  • Code catalogue : HSS512F

  • Responsables : Yves Frégnac et Cyril Monier
  • Emails : yves,fregnac O unic,cnrs-gif,fr / cyril,monier O unic,cnrs-gif,fr
  • Téléphones : +33 (0)1 69 82 34 15 / +33 (0)1 69 82 41 35

 

Description

La biologie est bouleversée par les progrès de la génétique et de l'informatique. Demain, grâce au décryptage du réseau complet de gènes régulant un être vivant, tout paraîtra modifiable, de la couleur des yeux jusqu'au comportement. Demain, grâce aux avancées dans le domaine des interfaces cerveau-machine, un simple « décodage » de la pensée à partir de l'activité cérébrale suffira à mouvoir des bras articulés, déclencher des actions avant même que les muscles de notre corps ne soient mobilisés.

Ces nouveaux pouvoirs de la biologie remettront en cause l'immuabilité du monde vivant qui nous entoure et des modes d'interaction entre agents pensants. Faut-il craindre ou espérer qu'en touchant seulement quelques gènes, on pourra, à volonté, transformer les capacités cognitives d'un être vivant? L'homme va-t-il demain posséder le pouvoir de réparer ou même « reprogrammer » son cerveau et la communication qu'il entretient avec l'environnement? Ces dernières années, les neurosciences cognitives ont considérablement progressé sur la base des résultats de la neurobiologie et des techniques d'exploration multi-échelle comme la neuro-imagerie anatomique et fonctionnelle.

Le séminaire Cerveau et cognition vise à faire le point sur ces progrès. Quelles techniques et quels paramètres psychophysiques sont aujourd'hui accessibles pour démontrer la nature organique de la perception, du langage, du raisonnement ou de l'action ? À quel point ces paramètres permettent-ils d'intégrer, en la formalisant, une fonction cognitive ? Comment la modélisation de processus cognitifs comme la perception, l'apprentissage, la mémoire ou même la conscience, prend-elle en compte les différents niveaux d'intégration, de la molécule à l'individu ?

La matérialisation neurobiologique du mental diffuse dans les sciences humaines et le tissu social en apportant un jour nouveau sur certaines problématiques traditionnelles de la psychologie et de la philosophie. Elle a enfin des applications en santé humaine, en informatique, en automatique et robotique et, même, en modélisation logique et mathématique. À ce titre, les neurosciences deviennent une composante des sciences de l'ingénieur.

 

Organisation

Organisé cette année par le département d'Humanités et Sciences Sociales, le séminaire illustrera cette tendance en s'appuyant sur l'interdisciplinarité entre humanités et sciences sociales, neurosciences, informatique et physique. Au cours d'une série de conférences, il abordera entre autre les thèmes suivants :

  • dynamique des systèmes complexes en biologie
  • imagerie multi-échelle (du niveau subcellulaire au cerveau entier)
  • architectures de calcul inspirées du vivant et perception sensorielle
  • neuropsychologie de l'action
  • mécanismes cérébraux du « beau » et du « vrai »
  • cortex visuel
  • conscience du corps
  • etc.

Cette année, le séminaire comprendra 11 séances, chacune étant organisée autour d'une conférence donnée par un scientifique invité provenant de divers laboratoires et institutions, qu'ils soient dans la recherche fondamentale, le monde médical ou industriel :

  • Laboratoire "Connaissance Organisation et Systèmes Technique" (Costech), Université de Technologie de Compiègne (UTC CRED)
  • Centre de Recherche en Epistémologie Appliquée (CREA), Ecole Polytechnique-CNRS, Paris
  • Institut des Systèmes Complexes (ISC-PIF), Paris Ile-de-France
  • Laboratoire "Récepteurs et Cognition" (URA2182), Institut Pasteur, Paris
  • Département "Systèmes et Codages Neuronaux", Max Planck Institute for Brain Research, Francfort
  • Institut Thématique Multi-Organismes (ITMO), "Neurosciences, Sciences Cognitives, Neurologie, Psychiatrie", Inserm, Paris
  • Unité de Neurosciences, Information et Complexité (UNIC), CNRS, Gif-sur-Yvette
  • Laboratoire International de Neuroimagerie Cognitive (LINeM), UPMC-Inserm, Paris et Montréal
  • Laboratoire Kastler Brossel (LKB), Ecole Normale Supérieure
  • Laboratoire "Psychologie de la Perception" (LPP), Université Paris Descartes
  • Laboratoire de Neuroimagerie Cognitive (Neurospin), CEA-Inserm, Saclay
  • Laboratoire de Neurophysique et Physiologie (LNP), Université Paris Descartes
  • Unité "Biologie Cellulaire de la Synapse Normale et Pathologique" (U497), ENS-Inserm, Paris
  • Unité "Dynamique Cérébrale et Cognition" (U821), Inserm, Lyon
  • Lyon Neuroscience Research Center - INSERM U1028
  • Physiopathologie des maladies du système nerveux central. Inserm U952/CNRS UMR7224/Université Pierre et Marie Curie (ParisVI).

Cette série est coordonnée par Yves Frégnac (Professeur à l'X et Directeur de l'INAF) et Cyril Monier (chercheur à l'UNIC).

Les élèves sont appelés à participer au séminaire en présentant à leur tour des exposés sur des questions susceptibles d'illustrer ou compléter les conférences. Pour cela, ils doivent

  1. former des groupes de travail :
    • en binômes, trinômes, voire quadrinômes, suivant les effectifs

  2. choisir leurs thèmes :
    • chaque groupe choisit une séance
    • s'il est un binôme ou trinôme, il sélectionne 2 (deux) articles sur les 3 proposés pour cette séance ; dans le cas du trinôme, le 3ème élève présente une introduction et une conclusion encadrant les 2 articles (cf. ci-dessous)
    • s'il est un quadrinôme, les 3 articles seront présentés et le 4ème élève s'occupe de l'introduction et de la conclusion autour de ces articles

  3. préparer leurs exposés :
    • les exposés doivent durer environ 45-50mn en tout, questions non comprises
    • ils doivent être formattés en PowerPoint (ou compatible) ou bien PDF
    • ils doivent comprendre une introduction (contexte des articles, état de l'art) et une conclusion (nouveauté des articles dans ce contexte) qui encadreront la revue proprement dite des articles, présentées toutes les deux par l'un des membres du groupe
    • les 2, 3 ou 4 élèves peuvent se partager le travail selon leurs préférences, en assurant une charge et un temps de parole équitables (donc, respectivement, 23mn, 15mn ou 12mn par élève)
    • les présentations seront préparées sous la supervision et avec les conseils du conférencier invité et des responsables du séminaire (par email, téléphone et/ou sur rendez-vous)
    • elles seront envoyées par email à ces trois personnes au plus tard le mercredi, veille de la séance, et apportées en classe par le groupe sur ordinateur portable ou clé USB 

  4. démontrer leur capacité à
    • aborder des concepts nouveaux pour eux, parfois difficiles de premier abord pour des non-experts, en gardant une attitude de curiosité et une volonté de recherche
    • structurer leur réflexion sur un sujet à caractère scientifique ou technique, souvent pluridisciplinaire, notamment grâce à une recherche bibliographique externe
    • restituer leur réflexion de manière simple et rigoureuse devant leurs camarades 

  5. lire tous les articles :
    • chacun doit pouvoir participer aux questions et discussions de toutes les séances, sur la base des articles choisis et présentés par ses camarades.
L'évaluation du succès de ce travail et de la note finale (par délibération entre le conférencier invité et les responsables du séminaire) se concentrera moins sur la quantité totale de connaissances effectivement comprises ou acquises que sur l'authenticité des efforts investis dans la recherche et l'exploration détaillées de ces connaissances, ainsi que l'exposé des interrogations qu'elles ont pu susciter.

Agenda et Thèmes des séminaires

Toutes les séances ont lieu les jeudis matins de 8h à 10h dans l'amphi à l'Ecole polytechnique, Palaiseau.

Date Intervenants Intitulé Références
19 septembre Yves FREGNAC & Cyril Monier

INTRO : Cerveau et cognition


Présentation Cyril Monier

26 septembre Cyril MONIER Introduction aux enregistrements multi-échelles de la dynamique corticale
Seminaire Monier

Bellaiche Byron
Cros Cyril

Nous présenterons et comparerons ici les différentes techniques et analyses utilisées pour enregistrer l’activité du cerveau à différentes échelles.
- Enregistrements intracellulaires
- Enregistrement multi-électrode, LFP, SUA et MUA
- Imagerie optique intrinsèque et extrinsèque (VSD, bi-photon)
- Potentiel evoqué, EEG.
- Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle

Articles à présenter

Maier et al 2008

Logothetis et al. 2001

Keliris Logothetis 2010

3 octobre Pascal Mamassian La perception comme résolution d'un problème d'inférence  

Murena Pierre-Alexandre
Pit-Claudel Clément
Shmelkov Konstantin

Toute sensation est confrontée à différents niveaux d'incertitudes, depuis l'ambiguité inhérente à un stimulus jusqu'à la variabilité du traitement neuronal. De ce point de vue, la perception peut être abordée comme la résolution d'un problème d'inférence: quelle est la scène du monde la plus probable qui est responsable de l'activation de mes capteurs sensoriels? Nous discuterons de différents problèmes de perception visuelle qui ont été traités dans un cadre probabiliste bayésien.

Articles à présenter

Chopin Mamassian 2012

Girshick 2011

Moreno Bote 2012


10 octobre Maxime DAHAN

Imagerie moléculaire
Imagerie et nanosciences dans l'étude des cellules nerveuses

Averseng Martin
Boulmier Simon
De Gennes Marc
Guenoun Pierre

La description des bases moléculaires de l'organisation de la synapse est un enjeu clé pour la compréhension de la plasticité des cellules nerveuses. De nouveaux outils issus d'un mariage heureux entre techniques de biologie, d'optique et de nanosciences permettent aujourd'hui de visualiser la dynamique d'acteurs importants, tels que les récepteurs aux neurotransmetteurs, à l'échelle de molécules individuelles au sein de neurones vivants. Dans cette présentation, nous nous attacherons d'abord à décrire le principe de ces outils ainsi que leur apport pratique et conceptuel. En particulier, nous discuterons comment l'analyse du comportement de molécules uniques soulève des questions nouvelles sur l'organisation et la dynamique d'assemblages macromoléculaires tels que la synapse. Dans une deuxième partie, nous nous intéresserons plus spécifiquement à la dynamique de récepteurs aux neurotransmetteurs inhibiteurs (GABA, Glycine) dans la membrane dendritique. Nous discuterons les mécanismes moléculaires qui contribuent à leur localisation synaptique, en lien avec l'activité neuronale.

Articles à présenter

Bouzigues et al 2007

Elhers Choquet 2008

Nakada Nature Cell Biol 2003

17 octobre Michel Le Van Quyen Vers une approche multi-échelle de la dynamique du cerveau humain  

Kobayashi Seijin
Lan Francis
Michon Elise

Progress in understanding the global brain dynamics has remained slow to date in large part because of the highly multi-scale nature of brain activity. Indeed, normal brain dynamics is characterized by complex interactions between multiple levels: from the microscopic scale of single neurons to the mesoscopic level of local groups of neurons, and finally to the macroscopic level of the whole brain. Among the most difficult tasks are those of identifying which scales are significant for a given particular function and describing how the scales affect each other. It is important to realize that the scales of time and space are linked together, or even – intertwined, and that causal inference is far more ambiguous between than within levels. We approach this problem from the perspective of our recent work on simultaneous recording from micro- and macro- electrodes in the human brain. We propose a physiological description of these multilevel interactions that is based on phase-amplitude coupling of neuronal oscillations that operate at multiple frequencies and on different spatial scales. Specifically, the amplitude of the oscillations at a particular spatial scale is modulated by phasic variations in neuronal excitability induced by lower frequency oscillations that emerge on a larger spatial scale. Following this general principle, it is possible to scale up or scale down the multi-scale brain dynamics. It is expected that large-scale network oscillations in the low frequency range, mediating downward effects, may play an important role in attention and consciousness.

Articles à présenter

Le Van Quyen & al 2013

Le Van Quyen 2007 TINS

Le Van Quyen 2010 J Neuro

7 Novembre Mathias Pessiglione

How the brain motivates the behavior: from the reward circuit to the valuation system

 

Baudry Lyam
Fall Ndongo
Skalli Fettachi Yassine

During the last decade, behavioral economists, experimental psychologists and cognitive neuroscientists have joined their efforts and merged two fields of investigation: reward learning and choice behavior. This collaboration was made possible by technical progress – the availability of brain imaging scanners, and conceptual links – the use of motivational value as a key variable. A growing set of evidence has revealed that motivational values are encoded in a so-called “brain valuation system” (BVS), which essentially comprises the ventral parts of the prefrontal cortex and basal ganglia.
In my talk I will first highlight BVS fundamental properties: it encodes values that are personal (subject- and not object-specific), generic (expressed in a common neuronal currency) and automatic (generated even during distractive tasks). Then I will show some illustrations of how the BVS interacts with other brain systems (such as the perceptual, motor, cognitive, episodic and mirror systems) that can impact on, or be impacted by, motivational values. These neural interactions might explain a number of psychological phenomena, for instance incentive motivation (why we put so much effort in a task), delay discounting (why we can resist the temptation of immediate pleasures) or mimetic desires (why we often pursue the same goals as others).

Articles à présenter

Camille JNeuro 2011

Padoa Schioppa Nature 2006

Le Breton 2009

14 novembre Oliver Marre Codage neural dans le système visuel : de la theorie aux applications cliniques  

Abdelsalam Ahmed
Chambon Stanislas
Lin Anrong

La rétine réalise un véritable traitement de l’information visuelle avant son envoi au cerveau. Ce traitement des images visuelles permet notamment d’augmenter les contrastes au bord des objets et de détecter les éléments en mouvement horizontal, vertical voire en approche frontale. Cependant, les mécanismes moléculaires sous-jacents à ce traitement de l’information visuelle restent encore souvent énigmatiques alors que leur compréhension permettrait de mieux appréhender l’évolution de pathologies rétiniennes voire intervenir sur les processus neurodégénératifs.
Nous présenterons ici les mécanismes du traitement de l’information visuelle par la rétine afin d’en tirer parti pour élaborer de nouvelles stratégies neuroprotectrices ou réhabilitatrices.

Munch Nature Neuroscience 2009

Olveczky Baccus Mesiter Nautre 2003

Article de revue

Gollisch Meister Neuron 2010

21 novembre Julie GREZES

Bases cérébrales impliquées au cours de la perception sociale

 

Grorod Nicolas
Guillaumin Mathilde

Maillant Laure

La complexité sociale dans laquelle notre espèce évolue suppose l'existence de mécanismes spécialisés dans la perception et compréhension des signaux sociaux émis par nos congénères, et plus largement, d'un ensemble de processus cognitifs rendant possible la coordination et l'interaction sociale. Dans notre intervention, nous discuterons de manière critique quelques uns des nombreux travaux qui ont fait valoir l'idée que la compréhension des actions, émotions et états mentaux d'autrui repose essentiellement sur les ressources cognitives et neurales utilisées pour produire ces mêmes états mentaux, émotions et actions. Plus particulièrement, nous défendrons l'idée que ce principe général de 'résonance’ est difficilement applicable à l'ensemble des états mentaux et émotionnels et ne permet pas de faire complètement sens de certains de nos comportements sociaux, notamment ceux de la communication émotionnelle.

Articles à présenter

Vigneswaren 2013

Livneh 2012

Bach 2011

Fradcourt 2013

28 novembre Evelyn Eger

Disentangling fine-scale brain representations with fMRI pattern recognition
Examples from number processing

Bioud Emmanuelle
Mensh Arthur
Schüker Robin

Magalhaes Louise

Quentin Chasseriau

The ability to approximately enumerate a set of objects is a basic capacity shared by humans and many other animals. In humans this ability can correlate with calculation performance and is thought to provide a foundation for mathematical competence, which makes its neurophysiological underpinnings of considerable interest to cognitive neuroscientists. Monkey neurophysiology has observed neurons selective to individual numerosities in some regions of parietal cortex, while human neuropsychology and functional imaging provide converging evidence for involvement of parietal cortex in number processing tasks, but at a much coarser spatial scale. However, fMRI studies merely measuring overall regional activity in- or decreases provide limited understanding of the information encoded by neuronal populations at a given level of the human brain. In this context, the seminar will introduce the technique of multivariate pattern recognition as an alternative approach to functional imaging data analysis and illustrate how it may be used to infer the information encoded at a given level of the cortical hierarchy. Using this technique it was possible to show that activation patterns in human intra-parietal cortex contain information discriminative between individual numbers, and to test some properties of the number code in these regions (e.g., invariance to format and spatial location). These results allow to some extent to bridge the gap between findings from macaque neurophysiology and conventional activation- based neuroimaging.

Articles à présenter

2007 Tudusciuc Nieder PNAS

2004 Piazza Neuron

2005 Kamitani Tong Nature Neuroscience

5 décembre

Jean-Philippe LACHAUX

BrainTV : Mapping Cognition in Real-Time and under Realistic Conditions

www.braintv.org

Addi Cyril
Fatus Bertrand

Carantino Benjamin

Bourret Simon

Janvier Arnaud

A decade ago, we reported that information processing in human sensory cortex generates transient energy modulations of intracranial EEG (iEEG) signals in a broad and high frequency range (40 Hz to 150 Hz), called the gamma band - in line with previous human scalp EEG and animal microrecording studies. Since then, iEEG studies have confirmed that gamma-band activity (GBA) is a reliable biomarker indicating whether a given neural population participates in the cognitive task at-hand. Further, GBA is so strong and so tightly linked to cognition that its variations can be related in real-time with what patients are doing - reading, listening, watching, saying or even thinking. A computerized set-up – BrainTV - allows experimenters and patients to watch GBA produced by very small neural populations. BrainTV allows the experimenter to test many hypotheses about the function of a given cortical structure in a very short time. This is what we call ‘cognitive field mapping’, in direct analogy with the classic real-time ‘receptive field mapping’ used in animal electrophysiology. BrainTV also provides a direct connection between the conscious experience of a human being and the activity of his brain. Subtle variations of attention, quick thoughts, emotions, evanescent memories of the past, can not be ‘ triggered ‘ by external means. Yet, such minor cognitive events form the landscape of our conscious experience. BrainTV provides a unique way to relate them to neural processes, via correlations that participants can establish between what they see on screen and what they feel. It also provides strong candidates for future Brain-Machine Interfaces.

 

Articles à présenter

Cerf et al. 2010

Lachaux et al. 2007

Hamame et al. 2012

12 décembre Bertrandl THIRION Utilisation de l'Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle pour décoder les percepts visuels chez l'Homme.  

Kephalianos Antoine

Li-Wen Huang

Cocalea Andreï

Marriet Zelda

Au cours de cette séance, nous allons tout d'abord présenter l'Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf), qui est une des principales techniques d'exploration non invasive de l'organisation fonctionnelle du cerveau --à savoir sa division en zones spécialisées et leur organisation en réseau-- chez l'homme. Nous allons étudier comment cette imagerie est exploitée pour fournir des informations fiables sur localisation des zones fonctionnelles du cerveau. Nous nous intéresserons plus particulièrement aux approches dites de décodage, qui utilisent les réponses de plusieurs zones du cerveau pour ajuster une variable cognitive d'intérêt. Nous décrirons le cadre d 'utilisation de ces méthodes et leur application à l'étude du système visuel humain: identification d'objets présentés visuellement, de de lettres, de mots etc. Nous discuterons finalement comment cette approche peut aider à valider des modèles neuro-computationnels de la vision.

Articles à présenter

Kamitai & Tong 2005

Kay & al 2008

Miyawaki et al 2008

19 décembre Mehdi Khamassi

Apprentissage par renforcement : de la modélisation des processus neuraux aux applications robotiques

 

Faucon Louis
Sissoko Cheick Mahady

Ustinov Ivan

L'activité phasique des neurones dopaminergiques est considérée depuis une quinzaine d'années comme le substrat neural de signaux d'erreur de prédiction de la récompense (RPE). Ces signaux se sont avérés très proches des signaux d'erreurs générés par les algorithmes d'apprentissage par renforcement (RL). De plus, de nombreuses études ont montré que les algorithmes RL permettaient de bien décrire l'apprentissage animal et humain pendant des tâches de conditionnement pavlovien. La première partie de mon intervention présentera une introduction des modèles computationnels d'apprentissage par renforcement, à leur formalisme, et aux données montrant qu'ils permettent de bien décrire certaines activités cérébrales liées à l'apprentissage.

Cependant dans des tâches où l'animal ne subit pas passivement un conditionnement pavlovien mais doit faire un choix d'action (conditionnement instrumental), on se rend compte que l'activité des neurones dopaminergiques n'est pas si facilement interprétable en terme d'erreur de prédiction. Cette activité contient-elle aussi de l'information sur l'action à faire ? Sur la valeur du stimulus ? Je présenterai dans une deuxième partie des simulations d'algorithmes différents d'apprentissage par renforcement, et leur comparaison quantitative et systématique avec des enregistrements électrophysiologiques pour montrer que ces analyses déjouent les interprétations qualitatives qui ont pu être faites de l'activité des neurones dopaminergiques.

Enfin, la dernière limite des modèles d'apprentissage par renforcement dont je parlerai est celle du passage à l'échelle, dans le monde réel. Lorsque l'on sort du cadre des simulations parfaites et simplifiées des tâches de laboratoire et que l'on se place dans le cadre de l'interaction réaliste d'un robot avec son environnement, on se rend compte que ces algorithmes ont beaucoup de mal à faire face au bruit, à l'incertitude, aux délais. L'application de ces modèles d'apprentissage au contrôle d'un robot montre que pour réussir à obtenir une bonne performance du robot, il faut faire en plus des hypothèses sur l'interaction de ces modèles avec d'autres systèmes d'apprentissage et avec d'autres processus cognitifs tels que la perception, la cartographie, la navigation. Je montrerai en particulier comment des algorithmes combinant deux types d'apprentissage, dits model-free et model-based, permettent de donner une meilleure performance comportementale au robot et d'expliquer un plus grand nombre de données expérimentales, en particulier dans des tâches de navigation

Articles à présenter

Khamassi Humphries 2012

vanDerMeer Redish 2012df

Khamassi 2013

 



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