Soutenance de thèse de LOPEZ GALDO Laura
Titre de thèse
Dynamique laminaire dans le cortex moteur du macaque
Laminar dynamics in the macaque motor cortex
Résumé de la thèse
Le cortex moteur, traditionnellement considéré comme une simple étape de sortie pour l'exécution des mouvements, joue un rôle bien plus complexe dans le comportement. Au-delà de la génération des commandes motrices, il participe simultanément à de multiples processus cognitifs sous-tendant la planification motrice, tels que l'intégration des signaux sensoriels, l'estimation du temps, la prise de décision ou encore l'encodage de la récompense, révélant ainsi sa capacité à traiter plusieurs types d'informations en parallèle. Ce mode de calcul multiplexé reposerait sur l'architecture laminaire du microcircuit cortical. Cette thèse examine comment les dynamiques laminaires du cortex moteur soutiennent ce multiplexage. L'objectif est de déterminer si l'encodage complexe résulte d'un traitement spécialisé au sein de couches individuelles ou d'une coordination collective de l'activité à travers la colonne corticale. Pour répondre à cette question, nous avons analysé des enregistrements électrophysiologiques laminaires réalisés dans le cortex moteur de deux macaques exécutant une tâche complexe de type delayed match-to-sample, en adoptant deux approches complémentaires. Dans le premier projet, centré sur l'activité de population neuronale, nous avons identifié des sous-espaces de codage laminaires responsables de l'encodage de plusieurs variables liées à la tâche. Ces sous-espaces étaient anatomiquement largement distribués, couvrant l'ensemble de la colonne corticale, et se réorganisaient dynamiquement : ils étaient réutilisés pour coder les mêmes variables à différents moments et recyclés de manière flexible pour en représenter de nouvelles. De plus, de faibles fluctuations des poids laminaires donnaient lieu à la coexistence de plusieurs sous-espaces de codage, permettant un multiplexage fonctionnel au niveau de la colonne. Dans le second projet, nous avons examiné l'organisation laminaire des oscillations bêta, une composante majeure de la dynamique corticale motrice. Bien que des motifs spectro-spatiaux bêta localisés puissent être extraits, aucun motif dominant unique ne prévalait ; la puissance instantanée résultait plutôt de combinaisons de motifs localisés distribués selon les profondeurs corticales et les fréquences. Les événements bêta de forte amplitude étaient coordonnés entre les profondeurs corticales lorsqu'ils oscillaient à la même fréquence. Considérés collectivement, l'amplitude des motifs bêta reflétait l'encodage des paramètres de la tâche, tandis que les modulations de fréquence capturaient sa structure temporelle. Dans l'ensemble, ces résultats indiquent que le multiplexage fonctionnel dans le cortex moteur émerge de dynamiques laminaires distribuées, où des motifs d'activité coordonnés, plutôt qu'une ségrégation luminaire, déterminent la capacité computationnelle du réseau.
Thesis resume
The motor cortex, traditionally viewed as a mere output stage for movement execution, plays a far more complex role in behavior. Beyond generating motor commands, it simultaneously engages in multiple cognitive processes underlying motor planning, such as integrating sensory cues, estimating time, making decisions and encoding reward, revealing its capacity to process several kinds of information in parallel. Such multiplexed computation is thought to rely on the laminar architecture of the cortical microcircuit. This thesis investigates how the laminar dynamics of motor cortex support this multiplexing, addressing whether complex encoding arises from the specialized processing within individual layers or from the collective coordination of activity across the cortical column. To this end, we analyzed laminar electrophysiological recordings from the motor cortex of two macaque monkeys performing a complex delayed match-to-sample task, applying two complementary frameworks. In the first project, focused on population firing activity, we identified laminar coding subspaces that accounted for the encoding of multiple task-related variables. These subspaces were highly distributed anatomically, spanning the full column, and dynamically reorganized; they were reused to encode the same variables at different times and flexibly recycled to represent new ones. Furthermore, small fluctuations of laminar weights gave rise to multiple coexistent coding subspaces, enabling functional multiplexing at the columnar level. In the second project, we examined the laminar organization of beta oscillations, a prominent feature of motor cortical dynamics. Although localized spectro-spatial beta patterns could be extracted, no single dominant pattern existed; rather, instantaneous power was captured by combinations of several localized patterns distributed across cortical depths and frequencies. High-activity beta events were coordinated across depths when oscillating at the same frequency. When considered collectively, the amplitude of beta patterns reflected the encoding of task parameters, while frequency modulations captured the temporal structure of the task. Together, these findings indicate that functional multiplexing in motor cortex emerges from distributed multilaminar dynamics, where coordinated activity patterns, rather than laminar segregation, define the computational capacity of the network.