Tesis sobre el tema "Discrimination neuronale"

A l’heure actuelle, il reste largement à étudier comment le codage sensoriel des signaux vocaux de communication contribue à leur détection et à leur reconnaissance. Peu d’études se sont, en effet, penchées sur le codage des vocalisations au niveau des régions auditives en fonction de l’individu qui les produit et du degré de familiarité avec cet individu. Dans ce cadre, les oiseaux chanteurs sont un bon modèle parce qu’ils utilisent des vocalisations pour interagir et reconnaître leurs congénères et qu’ils possèdent, de plus, un ensemble de régions auditives. Parmi ces régions, le nidopallium caudomedian (NCM), une aire auditive analogue du cortex auditif secondaire chez les mammifères, est actuellement considérée comme une région spécialisée dans le traitement des vocalisations (chants et cris) de l’espèce : les neurones du NCM répondent plus fortement aux vocalisations de l’espèce qu’à celles d’une autre espèce. À partir de là, parce que chez le diamant mandarin, le cri de distance permet aux individus, mâles ou femelles, de reconnaître leur partenaire sexuel, nous avons cherché à savoir si, chez les femelles comme chez les mâles, les neurones du NCM montraient une discrimination dans leurs réponses auditives entre le cri d’individus connus (parmi lesquels figurait le partenaire sexuel) et ceux d’individus inconnus et si ces réponses reflétaient le degré de familiarité de ces vocalisations. Les enregistrements de l’activité des neurones du NCM, chez des diamants mandarins vigiles (grâce à un système de télémétrie) ou anesthésiés, lors de la présentation de cris de distance, ont révélé, chez les femelles vivant en couple et ayant été familiarisées avec un autre couple de diamants mandarins, une plus forte augmentation de l’activité lors de la diffusion des cris d’individus connus, mâles ou femelles, qu’aux cris d’individus inconnus. Une telle augmentation n’a pas été, en outre, observée chez des femelles contrôles qui n’avaient jamais entendu ces mêmes cris auparavant. De plus, ils ont indiqué que le nombre de neurones montrant un fort degré de sélectivité ainsi que la quantité d’information portée par les trains de potentiels d’action étaient plus importants chez les femelles vivant en couple que chez les femelles contrôles. En revanche, chez les mâles, bien que la plupart des neurones montrait des réponses lors de la diffusion des cris, aucune différence n’a été mise en évidence entre les cris d’individus connus et ceux d’inconnus. Nous avons alors cherché à savoir comment, d’un point de vue acoustique, les cris de distance étaient représentés au sein du NCM. En se basant sur une étude comportementale ayant déterminé quelles étaient les caractéristiques acoustiques qui contribuaient à la reconnaissance de ces cris, nous avons cherché à savoir si les neurones du NCM étaient sensibles à ces mêmes caractéristiques acoustiques. Les résultats ont montré que, chez les femelles, la suppression de la fréquence fondamentale et la modification du timbre du cri du partenaire sexuel ou du propre cri de l’oiseau provoquaient une forte diminution des réponses au sein du NCM alors que, chez les mâles, les réponses variaient selon le paramètre modifié et le type de cri présenté. Nos résultats suggèrent donc que, chez le diamant mandarin, le NCM est impliqué dans le codage du cri de distance. Cependant, ils mettent en évidence des différences dans ce codage entre les mâles et les femelles. Chez les femelles, ce codage permet de discriminer entre les cris d’individus connus et ceux d’individus inconnus alors que chez les mâles, son rôle reste à être déterminé. Chez les femelles, l’expérience sociale au travers de la mémorisation des signaux de communication des individus peut donc façonner les propriétés fonctionnelles des neurones d’une aire auditive secondaire. Ces propriétés pourraient donc continuellement subir des changements pour s'adapter à l’environnement social de l’individu
How sensory signals are encoded in the brain and whether their behavioural relevance affects their encoding are central questions in sensory neuroscience. Studies have consistently shown that behavioural relevance can change the neural representation of sounds in the auditory system, but what occurs in the context of natural acoustic communication where significance could be acquired through social interaction remains to be explored. The zebra finch, a highly social songbird species that forms lifelong pair bonds and uses a vocalization, the distance call, to identify its mate offers an opportunity to address this issue. One auditory area in the songbird telencephalon, the caudo-medial nidopallium (NCM) that is considered as being analogous to the secondary mammalian auditory cortex, has recently emerged as part of the neural substrate for sensory representation of species-specific vocalizations: the activation of NCM neurons is greatest when birds are exposed to conspecific song, as compared to heterospecific song or artificial stimuli. This led us to investigate whether, in the zebra finch, NCM neurons could contribute to the discrimination among vocalizations that differ in their degree of familiarity: calls produced by the mate, by familiar individuals (males or females), or by unfamiliar individuals (males or females). In females, behaviourally relevant calls, i.e. the mate’s call and familiar calls, evoked responses of greater magnitude than unfamiliar calls. This distinction between responses was seen both in multiunit recordings from awake freely moving mated females (using a telemetric system) and in single unit recordings from anesthetized mated females. In contrast, control females that had not heard them previously displayed response of similar magnitude to call stimuli. In addition, more cells showed highly selective responses in mated than in control females suggesting that experience-dependent plasticity in call-evoked responses resulted in enhanced discrimination of auditory stimuli. In males, as in females, call playback evoked robust auditory responses. However, neurons in males did not appear capable of categorizing the calls of individuals (males or females) as ‘‘familiar’’ or ‘‘unfamiliar’’. Then, we investigated how calls are represented in the NCM of zebra finches by assessing whether certain call-specific acoustic cues drove NCM neurons to a greater degree than others. Behavioural studies had previously identified call-specific acoustic cues that are necessary to elicit a vocal response from male and female zebra finches. Single-unit recordings indicated that NCM neurons in females were particularly sensitive to call modifications in the spectral domain: suppressing the fundamental frequency of call stimuli or modifying the relative energy levels of harmonics in call caused a marked decrease in response magnitude of NCM neurons. In males, NCM neurons also appear to be sensitive to call modifications in the spectral domain, however changes in magnitude of responses (increase or decrease) depended on the acoustic cue that had been modified.Our results provide evidence that the NCM is a telencephalic auditory region that contributes to the processing of the distance call, in females as well in males. However, how the distance call is processed and represented in the NCM appears to differ between males and females. In females, the NCM could be involved in dicrimination between call stimuli whereas, in males, its functional role in call-processing remains to be determined. Our results also suggest that, in females, social experience with the call of individuals, by affecting the degree to which neurons discriminated between these calls, may shape the functional properties of neurons in a telencephalic auditory area. The functional properties of auditory neurons may therefore change continuously to adapt to the social environment

Créer des souvenirs de son environnement est une aptitude fondamentale à la survie, pour trouver de la nourriture, un abri ou échapper à des prédateurs. Pour former des souvenirs spatiaux, il faut générer une carte mentale de l'espace, appelée carte cognitive. On pense que ces cartes apparaissent dans CA1, la couche de sortie de l'hippocampe, une région du cerveau cruciale pour former de nouveaux souvenirs épisodiques. Pour utiliser des souvenirs spatiaux, il faut savoir si un environnement a déjà été visité. Cela nécessite de différencier des environnements qui peuvent paraître similaires mais sont pourtant distincts. Le gyrus denté (DG), la couche d'entrée de l'hippocampe, semble jouer un rôle fondamental pour cela. En effet, il génère des représentations neuronales fortement décorrélées, même lorsque les signaux d'entrée présentent un haut degré de similitude. Avant d'atteindre l'hippocampe, les représentations visuelles se forment dans le cortex visuel primaire (V1). V1 est traditionnellement considéré comme une région qui représente des caractéristiques visuelles de bas niveau, telles que l'orientation et la longueur de barres. Cependant, des recherches récentes ont démontré que, aussi tôt dans le flux sensoriel, les représentations neuronales sont déjà modulées par le comportement et des représentations spatiales émergent.Les distinctions entre ces deux régions étant plus complexes qu'on ne le pensait, nous nous sommes demandé comment elles pouvaient contribuer de manière différenciée au traitement sensoriel. Notre hypothèse est que les cortex sensoriels primaires fournissent une représentation fidèle de l'environnement sensoriel aux autres régions, tandis que l'hippocampe produit une carte cognitive pondérée en fonction de la pertinence comportementale des entrées sensorielles. Pour tester cette hypothèse, nous avons cherché à déterminer comment les stimuli sensoriels complexes dépendent différemment du contexte comportemental dans le V1, le DG et CA1. Nous avons utilisé l'imagerie calcique à deux photons pour enregistrer l'activité neuronale de souris maintenues par la tête et navigant dans un couloir linéaire en réalité virtuelle. Les souris ont été exposées à différents environnements en changeant les textures visuelles le long du couloir virtuel. Pendant la navigation active, les mouvements dans l'environnement virtuel étaient contrôlés par la course de l'animal sur une roue. En revanche, dans la condition, la scène visuelle était complètement découplée des mouvements de l'animal.Nous avons montré que les environnements pouvaient être différenciés à partir de l'activité de neurones uniques dans toutes les régions pendant la navigation active. Dans la condition passive, la discrimination restait élevée dans V1 tandis que dans l'hippocampe elle chutait au niveau de la chance. Un décodeur entraîné à prédire l'environnement visité à partir de l'activité de tous les neurones a révélé que la discrimination au niveau de la population était similairement affectée par le contexte comportemental. En outre, nos résultats indiquent que le degré de discrimination est corrélé avec la vitesse de course dans l'hippocampe, mais pas dans V1. Cela suggère que l'hippocampe dépend davantage du comportement que V1.Nous avons donc conclu que l'engagement dans la tâche est nécessaire pour la discrimination neuronale dans l'hippocampe, alors que cela n'exerce qu'une influence dans V1. Cela suggère que les cortex sensoriels primaires servent de discriminateurs généraux robustes des entrées sensorielles, tandis que l'hippocampe discrimine sélectivement les entrées pertinentes pour le comportement. Dans l'ensemble, ces résultats révèlent comment les informations sur l'environnement sont traitées de manière différenciée lorsqu'elles sont transmises à l'hippocampe avec des implications fondamentales pour notre compréhension de la manière dont le cerveau filtre l'information au fur et à mesure qu'elle est mise à disposition de l'hippocampe
Forming memories of the environment is essential for survival, whether it is for finding food, escaping predators or seeking shelter. To create spatial memories, one first needs to generate a mental representation of the surroundings, which is referred to as a cognitive map. Such maps are believed to emerge in the hippocampus, a brain region known to play a crucial role in the formation of new episodic memories, and more specifically in its output layer CA1. To efficiently use spatial memories, it is necessary to be able to ascertain whether a location has already been visited. This requires discriminating between potentially similar yet distinct sensory environments. It is thought that the dentate gyrus (DG), the entry layer of the hippocampus, plays a pivotal role in this ability. Indeed, it has been shown to perform neuronal pattern separation by creating decorrelated neuronal representations of its inputs, even when they share a high degree of similarity. Before reaching the hippocampus, sensory signals are initially processed in sensory cortices. Visual representations are formed in the primary visual cortex (V1), which is situated at the earliest stage of the neocortical hierarchy. V1 has traditionally been thought of as a brain region that represents low-level visual features, such as bars of a specific orientation or length. However, recent research has demonstrated that neuronal activity is already behaviourally modulated at this initial level of visual processing, with spatial representations emerging concurrently.Considering the growing evidence that the distinctions between these two regions are more complex than previously thought, we wondered how they may differentially contribute to sensory processing. We hypothesised that primary sensory cortices provide a faithful representation of the sensory environment to distributed brain regions, whereas the hippocampus produces a cognitive map that is weighted according to the behavioural relevance of the sensory inputs. To test this hypothesis, we aimed to determine how complex sensory stimuli differentially depend on the behavioural context in V1, CA1 and DG. We performed two-photon calcium imaging of head fixed mice navigating in a virtual-reality linear track. Mice were exposed to alternating environments by changing visual textures along the virtual corridor. During active navigation, movements in the virtual environment were controlled by the animal motion on a running wheel. By contrast, in a passive open-loop condition, the visual scene was completely uncoupled from animal locomotion.We found that environments could be discriminated based on the activity of single neurons in all regions during active navigation. However, while neurons in V1 maintained a high level of discrimination in the passive exposure condition, those in the hippocampus failed to discriminate between environments. A decoder trained to predict the visited corridor based on the activity of all neurons revealed that the discrimination at the population level was similarly affected by the behavioural context. Moreover, the results indicated that the degree of discrimination correlated with running speed in the hippocampus, but not in V1, which further supports the idea that neuronal activity is more dependent on the current behaviour in the hippocampus than in V1.We concluded that task engagement is therefore necessary for neuronal discrimination in the hippocampus, while it simply modulates it in V1, suggesting that primary sensory cortices serve as robust general-purpose discriminators of sensory inputs, while the hippocampus selectively discriminates behaviourally relevant inputs. Overall, these results reveal how information about the environment is differentially processed as it is transmitted to the hippocampus, with fundamental implications for our understanding of how the brain filters information as it is made available to the memory circuits in the hippocampus

A l'heure actuelle, il reste largement à étudier comment le codage sensoriel des signaux vocaux de communication contribue à leur détection et à leur reconnaissance. Peu d'études se sont, en effet, penchées sur le codage des vocalisations au niveau des régions auditives en fonction de l'individu qui les produit et du degré de familiarité avec cet individu. Dans ce cadre, les oiseaux chanteurs sont un bon modèle parce qu'ils utilisent des vocalisations pour interagir et reconnaître leurs congénères et qu'ils possèdent, de plus, un ensemble de régions auditives. Parmi ces régions, le nidopallium caudomedian (NCM), une aire auditive analogue du cortex auditif secondaire chez les mammifères, est actuellement considérée comme une région spécialisée dans le traitement des vocalisations (chants et cris) de l'espèce : les neurones du NCM répondent plus fortement aux vocalisations de l'espèce qu'à celles d'une autre espèce. À partir de là, parce que chez le diamant mandarin, le cri de distance permet aux individus, mâles ou femelles, de reconnaître leur partenaire sexuel, nous avons cherché à savoir si, chez les femelles comme chez les mâles, les neurones du NCM montraient une discrimination dans leurs réponses auditives entre le cri d'individus connus (parmi lesquels figurait le partenaire sexuel) et ceux d'individus inconnus et si ces réponses reflétaient le degré de familiarité de ces vocalisations. Les enregistrements de l'activité des neurones du NCM, chez des diamants mandarins vigiles (grâce à un système de télémétrie) ou anesthésiés, lors de la présentation de cris de distance, ont révélé, chez les femelles vivant en couple et ayant été familiarisées avec un autre couple de diamants mandarins, une plus forte augmentation de l'activité lors de la diffusion des cris d'individus connus, mâles ou femelles, qu'aux cris d'individus inconnus. Une telle augmentation n'a pas été, en outre, observée chez des femelles contrôles qui n'avaient jamais entendu ces mêmes cris auparavant. De plus, ils ont indiqué que le nombre de neurones montrant un fort degré de sélectivité ainsi que la quantité d'information portée par les trains de potentiels d'action étaient plus importants chez les femelles vivant en couple que chez les femelles contrôles. En revanche, chez les mâles, bien que la plupart des neurones montrait des réponses lors de la diffusion des cris, aucune différence n'a été mise en évidence entre les cris d'individus connus et ceux d'inconnus. Nous avons alors cherché à savoir comment, d'un point de vue acoustique, les cris de distance étaient représentés au sein du NCM. En se basant sur une étude comportementale ayant déterminé quelles étaient les caractéristiques acoustiques qui contribuaient à la reconnaissance de ces cris, nous avons cherché à savoir si les neurones du NCM étaient sensibles à ces mêmes caractéristiques acoustiques. Les résultats ont montré que, chez les femelles, la suppression de la fréquence fondamentale et la modification du timbre du cri du partenaire sexuel ou du propre cri de l'oiseau provoquaient une forte diminution des réponses au sein du NCM alors que, chez les mâles, les réponses variaient selon le paramètre modifié et le type de cri présenté. Nos résultats suggèrent donc que, chez le diamant mandarin, le NCM est impliqué dans le codage du cri de distance. Cependant, ils mettent en évidence des différences dans ce codage entre les mâles et les femelles. Chez les femelles, ce codage permet de discriminer entre les cris d'individus connus et ceux d'individus inconnus alors que chez les mâles, son rôle reste à être déterminé. Chez les femelles, l'expérience sociale au travers de la mémorisation des signaux de communication des individus peut donc façonner les propriétés fonctionnelles des neurones d'une aire auditive secondaire. Ces propriétés pourraient donc continuellement subir des changements pour s'adapter à l'environnement social de l'individu.

Cette thèse évalue les différentes fonctions d'audition spatiale chez 3 types de populations : Normaux entendants (NE), sourds unilatéraux (SU) et sourds bilatéraux (SB). Afin de découvrir les mécanismes qui soulignent les stratégies spatio-auditives adaptative qui sont observés chez les SU avec surdité acquise. Le but principal de la thèse est de vérifier si la MMN pourrait être un marqueur neuronal de la plasticité spatiale auditive observée chez les patients SU, et de vérifier se les corrélats neuronaux sont cohérentes avec les performances spatiales auditives. Deux types d'investigations ont été appliqués sur 20 sujets NE, 21 SU et 14 SB. La première investigation s'agit d'un test d'identification de source sonore mesuré par l'erreur quadratique moyenne (RMS). La deuxième évaluation est une étude électroencéphalographie qui sert à analyser la MMN. La MMN étant défini comme un potentiel évoqué qui reflète la capacité du cerveau à détecter un changement dans les propriétés physiques d'un son. Nous avons utilisé un son standard dans une position de référence (50°) avec 3 déviation par rapport au standard (10°, 20° et 100°) dans des conditions binaurales et monaurales. Les sujets sourds unilatéraux ont été divisé en 3 groupes selon leur performance spatiale. Le groupe des bons performeurs (SU low rms) a montré des meilleurs scores RMS en comparaison avec les NE munie d'un bouchon d'oreille (NE-mon), avec des performances similaires à ceux des sujets NE en binaurale. Une augmentation progressive de la MMN avec l'angle de la déviation par rapport au standard a été noté chez tous les groupes. Avec une réduction importante de la MMN chez les NH en monaurale quand le bouchon a été appliqué du côté du standard. La MMN a montré des résultats cohérents avec nos observations comportementales, ou les sujets SU avec un bon score RMS avait également des amplitudes de la MMN plus importantes que celles des sujets NE en condition monaurale et similaires à celles des NE en condition binaurale. Les sujets SU possèdent des stratégies adaptatives saptio-auditives. Notre étude a pu démontré que la plasticité corticale spatio-auditive qui a lieu suite à la surdité est reflété par la MMN. Les observations neuronales (MMN) sont corrélées avec les observations comportementaux de localisation spatiale. Ce qui signifie que la plasticité corticale qui a lieu chez ces sujets, n'est pas limités aux fonctions d'identification de la source sonores, mais dépasse ces capacités vers des mécanismes plus complexes tel que la détection de déviation et la mémoire à court terme, qui interviennent dans la fonction de discrimination spatiale des sons
This thesis investigates different spatial hearing functions in 3 types of populations: Normal Hearing Subjects (NHS), Unilateral Hearing Loss patients (UHL) and Bilateral Hearing Loss patients ( BHL). To discover the mechanisms underlying the adaptive strategies that are observed in UHL with acquired deafness. The main aim of the thesis is to verify whether spatial Mismatch Negativity (MMN) could be a neuronal marker of spatial auditory plasticity observed in UHL patients, and to verify whether these neural correlates are consistent with the spatial auditory performance. Two types of investigations were applied to 20 NHS, 21 UHL and 14 BHL. The first investigation is a sound source identification task measured by the root mean square error (RMS). The second assessment is an electroencephalography (EEG) study where we analyzed the amplitude and latency of the MMN. MMN is defined as an auditory evoked potential that reflects the brain's ability to detect a change in one physical property of a sound. We used a standard sound in a reference position (50°) with three deviations from the standard (10° , 20°, and 100°), in binaural and monaural conditions. UHL patients were divided into 3 groups according to their spatial performances. The group of good performers (UHL {low rms}) showed better RMS scores in comparison with NHS with earplugs (NHS-mon), with performances similar to those of NHS subjects in binaural condition. A progressive increase of the MMN with the angle of deviation from the standard was noted in all groups. With a significant reduction of MMN amplitude in monaural NHS when the ear plug was applied on the ipsilateral side of the standard. MMN showed consistent variation with the behavioral observations, where UHL {low rms} patients had larger MMN amplitudes than those of monaural NHS and similar to those of binaural NHS. UHL patients have adaptive spatial auditory strategies. Our study was able to demonstrate that spatial auditory plasticity that occurs after deafness can be reflected by the MMN. Neural observations (i.e. the MMN) are correlated with behavioral observations of spatial source identification. This means that the spatial cortical plasticity, that took place in these subjects, is not limited to the functions of identification of the sound source, but exceeds these capacities towards more complex mechanisms such as deviance detection and short-term memory, that are involved in the spatial discrimination function

Dans cette thèse, nous nous posons le problème de la détermination du classifieur le plus adapté à résoudre un problème donné de discrimination. Le choix du classifieur est déjà guidé par des contraintes opérationnelles, mais au-delà de ces contraintes, et après que le classifieur a été configuré grâce à une base d'apprentissage, c'est le taux de généralisation du classifieur (ou taux de réussite) qui est le critère caractérisant sa performance. Ce taux, généralement inconnu, est estimé à l'aide d'une base de généralisation. Cette estimation dépend donc du problème de discrimination étudié, du classifieur utilisé, de la base d'apprentissage et de la base de généralisation. Ces différentes dépendances sont étudiées soit théoriquement, soit de manière expérimentale, sur une douzaine de classifieurs différents, neuronaux et classiques. Le problème de la validité de la comparaison de deux classifieurs par les estimations de leur taux de généralisation est aussi étudié, et nous obtenons des informations sur les tailles relatives à donner aux bases d'apprentissage et de généralisation. Dans un objectif de comparaison de classifieurs, Neuroclasse, un outil logiciel donnant la possibilité de tester un grand nombre de classifieurs différents, a été développé, et est précisément décrit. Dans Neuroclasse est aussi intégré un système pour la détermination automatique du classifieur fournissant le meilleur taux de généralisation estimé sur une base de généralisation fixée. Ce système est implanté sous forme d'un système expert. Ce système, testé sur différentes bases de données, donne de bons résultats, mais met en évidence un phénomène d'apprentissage de la base de généralisation, dû aux tests successifs de nombreux classifieurs sur une même base de généralisation. Nous étudions ce phénomène expérimentalement, et nous donnons un ordre de grandeur du nombre de classifieurs qu'il est possible de tester en limitant cet effet

Thesis: Ph. D., Massachusetts Institute of Technology, Department of Biology, 2016.
Cataloged from PDF version of thesis.
Includes bibliographical references.
Discrimination among pathogenic and beneficial microbes is essential for host organism immunity and homeostasis. Increasingly, the nervous system of animals is being recognized as an important site of bacterial recognition, but the molecular mechanisms underlying this process remain unclear. Chapter One discusses how the nematode Caenorhabditis elegans can be used to dissect the genetic and neuronal mechanisms that coordinate behavioral responses to bacteria. In Chapter Two, we show that chemosensory detection of two secondary metabolites produced by Pseudomonas aeruginosa modulates a neuroendocrine signaling pathway that promotes C. elegans avoidance behavior. Specifically, secondary metabolites phenazine- I -carboxamide and pyochelin activate a G protein-signaling pathway in the ASJ chemosensory neuron pair that induces expression of the neuromodulator DAF-7/TGF-[beta]. DAF-7, in turn, activates a canonical TGF-P signaling pathway in adjacent interneurons to modulate aerotaxis behavior and promote avoidance of pathogenic P. aeruginosa. This chapter provides a chemical, genetic, and neuronal basis for how the behavior and physiology of a simple animal host can be modified by the microbial environment, and suggests that secondary metabolites produced by microbes may provide environmental cues that contribute to pathogen recognition and host survival. Genetic dissection of neuronal responses to bacteria in C. elegans can also lend insights into neurobiology more generally. In Chapter Three we show that loss of the lithium-sensitive phosphatase bisphosphate 3'-nucleotidase (BPNT-1) results in the selective dysfunction of the ASJ chemosensory neurons. As a result, BPNT- 1 mutants are defective in behaviors dependent on the ASJ neurons, such as pathogen avoidance and dauer exit. Acute treatment with lithium also causes reversible dysfunction of the ASJ neurons, and we show that this effect is mediated specifically through inhibition of BPNT-1. Finally, we show that lithium's selective effect on the nervous system is due in part to the limited expression of the cytosolic sulfotransferase SSU-1 in the ASJ neuron pair. Our data suggest that lithium, through inhibition of BPNT- 1 in the nervous system, can cause selective toxicity to specific neurons, resulting in corresponding effects on behavior of C. elegans. In Chapter Four I discuss the future directions for the genetic dissection of pathogen recognition in C. elegans.
by Joshua D. Meisel.
Ph. D.

Cette thèse a abordé deux grands thèmes : analyse des données et réseau de neurones. Elle présente les principales méthodes de l'analyse discriminante et traite des aspects importants de ce domaine : procédure d'apprentissage, construction et validation de règle de décision, sélection du meilleur modèle, liaisons avec des réseaux de neurones multicouches. La thèse a développé certaines techniques pour améliorer la qualité de l'apprentissage et pour réduire la complexité du réseau de neurones
This thesis has accost two domains : data analysis and neural networks. It present the mains methods of discriminant analysis and treats the importants points in this field : learning procedures, construction and validation of decision rule, model selection, the relation with neural networks. This thesis propose some strategy of improving their generalization abilities and for reduce their complexity so that the neural networks can be applied to large more and realistic tasks

This essay is about the somatosensory system, which is divided into different kinds of touch. Described briefly are the proprioceptive touch, which is transported to the brain via A-alfa fibers and transmits information about e. g. limb position and movement. The cutaneous touch is the main focus and it is divided into discriminative touch and affective touch. The first corresponds to stimuli such as vibration and pressure and is transported via A-beta axons. The second, affective touch, corresponds to e.g. painful and pleasant stimuli which are transported to the brain via A-delta and C-fibers. The aim of the essay is to give an overview of the sense of touch, by doing a literature search, including a discussion of relevant neuronal correlates focusing particularly on affective touch. Moreover, the physiological aspects of touch will be presented. The sources that are used are review and original articles taken from databases such as ScienceDirect, and some articles send by the author. Some books have also been used to find more general knowledge. The conclusion for the essay is that touch is important for humans to function in everyday life. Additional, a specific receptor called C- tactile (CT) is identified to correspond to gentle touch and is suggested to have a vital role for humans in maintaining and forming social bounds. Moreover, discriminative touch is associated with activation in the primary and secondary somatosensory cortex, whereas affective touch seems to be associated with activity in the orbitofrontal cortex, cingulate cortex and the insula cortex, as well as the prefrontal cortex, which is suggested to be activated during interpersonal touch. Further, the sense touch needs to be more researched in order to understand its functions and benefits deeper.

L'attention focalisée est une fonction cognitive de haut niveau permettant à l'Homme de faciliter sélectivement certaines actions et perceptions. Dans un monde regorgeant de choix d'actions, et de possibilités de perceptions, l'attention focalisée représente une composante vitale de la cognition humaine. Un constat important doit cependant être noté : l'Homme est incapable de maintenir indéfiniment un état stable d'attention focalisée. Cette incapacité est mise en évidence pendant les tâches d'attention soutenue par l'apparition progressive de déficiences sensori-motrices au cours du temps. L'impulsivité motrice augmente alors, ainsi que le temps de réponse aux stimuli impératifs, et la sensibilité perceptive diminue. À l'heure actuelle, les bases neuronales du phénomène restent très peu connues et ce manque de connaissance est clairement perceptible au sein de deux champs disciplinaires - les Neurosciences Cognitives et l'Ingénierie Cognitive. En Neurosciences Cognitives, la question demeure ainsi posée : pourquoi l'Homme est-il incapable de maintenir un niveau de performance sensori-motrice optimal au cours de tâches d'attention soutenue ? En Ingénierie Cognitive, la problématique concerne le développement d'Interfaces Cerveau-Machine (ICM) passives : identifier les marqueurs neuronaux des déficits d'attention permettrait, à terme, de suivre en temps réel l'état cognitif de l'Homme et de l'alerter de la survenue de ces déficits durant son activité. Ces deux problématiques ont été traitées dans cette thèse. Dans un premier temps, je démontre que le maintien d'une attention focalisée sur une stimulation visuelle entraîne une rapide inhibition des aires visuelles corticales. Cette inhibition sensorielle serait liée à l'absence de variation de la stimulation sensorielle. Ainsi, l'inhibition sensorielle serait bénéfique au cours de tâches de recherche visuelle : elle permettrait à l'Homme d'éviter de réexaminer plusieurs fois le même stimulus, le même objet, la même localisation spatiale; mais lorsqu'une attention soutenue est requise, ce mécanisme serait alors à l'origine de l'apparition de déficiences sensorielles. La présence de cette inhibition sensorielle apporte une explication probante à la diminution de sensibilité perceptive et à l'allongement du temps de réaction qui caractérisent le phénomène. Je montre ensuite que l'activité de structures neuronales motrices et d'aires corticales connues pour sous-tendre l'attention focalisée (i.e., tractus cortico-spinal, et aires corticales motrice primaire, préfrontale et pariétale droite) augmente progressivement au cours d'une tâche d'attention soutenue. Ce sur-engagement reflèterait un processus de compensation en réponse au désengagement préalable des aires corticales sensorielles et à la diminution de la qualité des représentations perceptives. Aussi, l'augmentation d'activité des structures neuronales motrices expliquerait l'augmentation de l'impulsivité motrice, une des signatures comportementales des déficits d'attention. Dans un second temps, je teste la possibilité d'exploiter ces corrélats neuronaux des déficits d'attention afin de discriminer deux états attentionnels donnés (i.e., avec ou sans déficits d'attention) au sein d'une ICM passive. Nous avons pour cela appliqué des méthodes de classification supervisées sur des données de spectroscopie proche infra-rouge reflétant l'activité hémodynamique des aires corticales préfrontale et pariétale enregistrées pendant une tâche d'attention soutenue. Nous rapportons des résultats encourageant en termes de performance de classification pour le futur développement d'ICM passives. Pris ensemble, les résultats décrits dans cette thèse apportent une meilleure compréhension des corrélats neuronaux des déficits d'attention et montrent comment cette connaissance peut être exploitée afin de développer des systèmes permettant de limiter la survenue d'accidents et d'incidents liés à l'erreur humaine dans un contexte écologique
Focused attention represents a high-level cognitive function enabling humans to selectively facilitate specific actions and perceptions. In a world full of choices of action, and of perceptual possibilities, focused attention appears to be a vital component of human cognition. One observation however, is worth making: human-beings are unable to maintain stable states of focused attention indefinitely. This inability manifests during sustained attention tasks with the progressive occurrence of sensory-motor deficiencies with time-on-task. The phenomenon - called attention decrement - is characterized by increases in motor impulsivity and in response times to imperative events, and by a reduction in perceptual sensitivity. So far, the neural underpinnings of attention decrement have not been fully elucidated and this lack of knowledge is clearly palpable within two disciplinary fields : Cognitive Neuroscience and Cognitive Engineering. In Cognitive Neuroscience, the associated question is why are human-beings unable to maintain an optimal sensory-motor performance during sustained attention tasks? In Cognitive Engineering, the lack of a complete scientific understanding of attentional issues impacts the development of efficient passive Brain-Computer interfaces (BCI), capable of detecting the occurrence of potentially dangerous attention decrements during the performance of everyday activities. Both issues have been addressed in this thesis. In terms of Cognitive Neuroscience, I demonstrate that sustaining focused attention on a visual stimulation rapidly leads to an inhibition of the visual cortices. This sensory inhibition can be causally related to the lack of changes in perceptual stimulation typically characterizing sustained attention tasks. While the mechanism may be beneficial during visual search tasks as it helps humans avoid processing the same stimulus, the same object, the same location several times, it can lead to the occurrence of sensory deficiencies when sustained attention is required. As such, the sensory inhibition provides a compelling explanation as to the decrease in perceptual sensitivity and to the increase in reaction time that typify attention decrement. I show in a second study that attention decrement is associated with an increase in the activity of motor- and attention-related neural structures (i.e., cortico-spinal tract, primary motor, prefrontal and right parietal cortices). This excessive engagement reflects a compensatory process occurring in response to the sensory disengagement already highlighted and to the related degradation of the quality of perceptual representations. It is notable that the excessive engagement of the motor neural structures with time-on-task provides a potential explanation for the increase in motor impulsivity typifying attention decrement. In terms of application of these new findings, I investigated the potential of exploiting these neural correlates of attention decrement to discriminate between two different attentional states (i.e., with or without attention decrement) through a passive BCI system. To do so, we applied supervised classification analyses on near-infrared spectroscopy signals reflecting the hemodynamic activity of prefrontal and parietal cortices as recorded during a sustained attention task. We achieved relatively promising classification performance results which bode well for the future development of passive BCI. When considered together, the results described in this thesis contribute towards a better understanding of the neural correlates of attention decrement and demonstrate how this novel knowledge can be exploited for the future development of systems which may enable a reduction in accidents and human error-driven incidents in real world environments

La adaptación que ocurre en el sistema auditivo es un fenónemo que todos experimentamos cuando dejamos de oir sonidos irrelevantes, constantes o incluso molestos. La adaptación para sonidos conocidos aumenta también la sensibilidad y la percepción para estímulos nuevos o poco conocidos. Por tanto, la similaridad entre la historia previa de estimulación y la subsiguiente también puede influenciar la adaptación. La adaptación a la estimulación repetida es un fenómeno que se ha visto en diferentes modalidades sensoriales o especies de animales. El curso temporal de la adaptación en corteza auditiva primaria (A1) se ha estudiado principalmente en intervalos entre estímulos muy rápidos (<400ms) y diferentes mecanismos han sido sugeridos (inhibición sináptica, disbalance excitación-inhibición, inhibición lateral, disminución de la excitación, o inhibición aumentada), aunque los mecanismos intrínsecos neuronales casi no han sido considerados. Por otro lado, numerosos estudios han mostrado el efecto que tiene la anestesia sobre la excitabilidad cortical, pudiendo, por tanto, afectar al estudio de la adaptación. Por último, la adaptación podría estar influenciada por estructuras subcorticales (como el colículo inferior o el tálamo) aunque la influencia intracortical también se ha demostrado. El primer estudio presentado en este trabajo tiene como objetivo caracterizar, en la rata despierta en movimiento, el curso temporal de la adaptación auditiva en las neuronas únicas de A1 aisladas con tetrodos. Con este propósito, se estudió cómo el intervalo entre estímulos, la duración o la intensidad de la estimulación previa afectaba a la amplitud de respuesta y su latencia de respuesta. También se estudió el curso temporal durante la estimulación sostenida y el fenómeno de la postadaptación. La comprensión de cómo la actividad neuronal codifica la información sensorial sigue siendo una cuestión fundamental en el campo de la atención auditiva. Así, la codificación de la información temporal es un aspecto clave en A1. El análisis de la “información mutua” de la respuesta neuronal nos permite cuantificar el contenido de la información de la actividad neuronal. Por otro lado, la variabilidad de la respuesta neuronal podría ser un parámetro clave para la codificación de los estímulos relevantes durante una tarea. También, la respuesta neuronal sostenida se ha sugerido que podría aportar información adicional en el animal en comportamiento. Hasta el momento, se desconoce cómo las neuronas únicas de A1 codifican la categoría temporal de los estímulos auditivos. Con este objetivo se registró la actividad de neuronas únicas en A1, por medio de tetrodos, en el animal en comportamiento. Las ratas debían discriminar si dos sonidos idénticos estaban separados por 150 o 300 ms y se ha estudiado el contenido de la información, la variabilidad y las respuestas post-estímulo de la actividad neuronal en el estado atentivo y el pasivo del animal.

Les modalités sensorielles ont un rôle essentiel dans la collecte des informations en provenance de l’environnement. En olfaction, l’échantillonnage actif des odeurs se fait via le flairage chez le rat (2-10 Hz). Chez l’animal qui se comporte, le flairage est un acte très dynamique, il varie en particulier en fréquence et en débit. Le flairage peut être modulé par des facteurs liés au stimulus, comme les propriétés physico-chimiques des odeurs ou leur concentration, ou par des facteurs plus « internes » comme l’attention, les émotions ou la motivation. Plusieurs auteurs ont également suggéré l’importance de la fréquence de flairage dans la performance. Dans une première partie de ma thèse, j’ai voulu caractériser l’impact d’un apprentissage olfactif sur la mise en place d’un pattern de flairage adapté à la discrimination. Pour cela, j’ai utilisé un système d’enregistrement de la respiration non invasif chez le rat (pléthysmographe) pendant que l’animal effectue une tâche de discrimination olfactive à double choix. Dans une seconde partie, j’ai cherché les corrélats neuronaux de l’acquisition de ce pattern de flairage en enregistrant simultanément l’activité respiratoire et les signaux neuronaux (potentiels de champ locaux) dans des aires olfactives, motrices et limbiques chez l’animal en comportement. J’ai cherché à caractériser les activités oscillatoires dans la bande bêta (15-30 Hz) et thêta (2-10 Hz). J’ai enfin discuté dans quelle mesure celles-ci pouvaient être reliées à l’apprentissage et/ou aux variations de l’activité respiratoire
Sensory modalities actively take part in collecting relevant information from the environment. In olfaction, active sampling amounts to sniffing in rodents (2-10 Hz). In behaving animals, sniffing is highly dynamic, notably in frequency and flow rate. Sniffing can be modulated by parameters related to the odorant stimulus, such as the physicochemical properties of the molecule or its concentration. It can also vary depending on “internal” parameters such as attention, emotions or motivation. Several studies highlighted the importance of the sniffing frequency in performance. First, I looked at the impact of olfactory learning on the acquisition of a specific sniffing pattern. For that purpose, I monitored sniffing activity in a non-invasive way, using a whole-body plethysmograph, on rats performing a two-alternative choice odor discrimination task. Second, I looked for neuronal correlates of the acquisition of such a sniffing pattern by simultaneously recording sniffing and neuronal activities (local field potentials) in olfactory, motor and limbic areas in behaving animals. I sought to characterize oscillatory activities in beta (15-30 Hz) and theta (2-10 Hz) ranges. I finally discussed to what extent they were related to learning and/or sniffing modulations

Tobulėjanti pavienių nervinių ląstelių parametrų matavimo technika suteikia milžiniškus kiekius informacijos. Kad apdoroti tokias gausias duomenų apimtis, būtina taikyti sudėtingus duomenų apdorojimo metodus pasitelkiant galingas skaičiavimo priemones ir algoritmus. Šio darbo tikslas - nustatyti optimalią interneuronų tiesioginio sklidimo slopinančių sinapsių mokymosi taisyklę, kuri leistų išsaugoti įėjimo signalų aukštą laikinę skiriamąją gebą, kuomet žadinančių sinapsių svorių koeficientai keičiami pagal nuo įėjimų laiko priklausančią sinapsių plastiškumo (angl. spike-timing dependent synaptic plasticity, (STDP)) taisyklę. Vykstant žadinančių sinapsių ilgalaikei potenciacijai, įėjimų signalų integravimo langas išauga. Siekiant išsaugoti integravimo langą siaurą, reikalingas ir tiesioginio sklidimo slopinančių sinapsių plastiškumas.
Plentiful results are coming from advances in single cell recordings. All these data have to be treated in complex ways implementing powerful computational techniques. Goal of this study was to identify the optimal learning rule of feedforward inhibitory interneurons that preserves high temporal precision of input discrimination while excitatory synapses undergo synaptic modifications according to the asymmetric spike-timing dependent plasticity rule. Temporal integration of inputs is enhanced if excitatory synapses undergo long term potentiation. To preserve narrow temporal integration window, feedforward inhibitory synapses must be plastic as well.

L’angiogenèse est le processus par lequel de nouveaux vaisseaux sanguins se forment à partir du réseaux préexistant. Au cours de l’angiogenèse tumorale, les cellules tumorales sécrètent des facteurs de croissance qui activent la prolifération et la migration des cellules et stimulent la surproduction du facteur de croissance endothélial vasculaire (VEGF). Le rôle fondamental de l’approvisionnement vasculaire dans la croissance tumorale et le developement des thérapies anticancéreuses rend l’évaluation de l’angiogenèse tumorale, cruciale dans l’évaluation de l’effet des thérapies anti-angiogéniques, en tant que thérapie anticancéreuse prometteuse. Dans cette étude, nous établissons un panel quantitatif et qualitatif pour évaluer les structures des vaisseaux sanguins de la tumeur sur des images de fluorescence non invasives et des images histopathologique sur toute la surface tumorale afin d’identifier les caractéristiques architecturales et les mesures quantitatives souvent associées à la réponse thérapeutique ou prédictive de celle-ci. Nous développons un pipeline formé de Markov Random Field (MFR) et Watershed pour segmenter les vaisseaux sanguins et les composants du micro-environnement tumoral afin d’évaluer quantitativement l’effet du médicament anti-angiogénique Pazopanib sur le système vasculaire tumoral et l’interaction avec le micro-environnement de la tumeur. Le pazopanib, agent anti-angiogénèse, a montré un effet direct sur le système vasculaire du réseau tumoral via les cellules endothéliales. Nos résultats montrent une relation spécifique entre la néovascularisation apoptotique et la densité de noyau dans une tumeur murine traitée par Pazopanib. Une évaluation qualitative des vaisseaux sanguins de la tumeur est réalisée dans la suite de l’étude. Nous avons développé un modèle de réseau de neurone discriminant-générateur basé sur un modele d’apprentissage : réseau de neurones convolutionnels (CNN) et un modèle de connaissance basé sur des règles Marked Point Process (MPP) permettant de segmenter les vaisseaux sanguins sur des images très hétérogènes à l’aide de très peu de données annotées. Nous détaillons l’intuition et la conception du modèle discriminatif-génératif, sa similarité avec les Réseaux antagonistes génératifs (GAN) et nous évaluons ses performances sur des données histopathologiques et synthétiques. Les limites et les perspectives de la méthode sont présentées à la fin de notre étude
Angiogenesis is the process through which new blood vessels are formed from pre-existing ones. During angiogenesis, tumour cells secrete growth factors that activate the proliferation and migration of endothelial cells and stimulate over production of the vascular endothelial growth factor (VEGF). The fundamental role of vascular supply in tumour growth and anti-cancer therapies makes the evaluation of angiogenesis crucial in assessing the effect of anti-angiogenic therapies as a promising anti-cancer therapy. In this study, we establish a quantitative and qualitative panel to evaluate tumour blood vessels structures on non-invasive fluorescence images and histopathological slide across the full tumour to identify architectural features and quantitative measurements that are often associated with prediction of therapeutic response. We develop a Markov Random Field (MFRs) and Watershed framework to segment blood vessel structures and tumour micro-enviroment components to assess quantitatively the effect of the anti-angiogenic drug Pazopanib on the tumour vasculature and the tumour micro-enviroment interaction. The anti-angiogenesis agent Pazopanib was showing a direct effect on tumour network vasculature via the endothelial cells crossing the whole tumour. Our results show a specific relationship between apoptotic neovascularization and nucleus density in murine tumor treated by Pazopanib. Then, qualitative evaluation of tumour blood vessels structures is performed in whole slide images, known to be very heterogeneous. We develop a discriminative-generative neural network model based on both learning driven model convolutional neural network (CNN), and rule-based knowledge model Marked Point Process (MPP) to segment blood vessels in very heterogeneous images using very few annotated data comparing to the state of the art. We detail the intuition and the design behind the discriminative-generative model, and we analyze its similarity with Generative Adversarial Network (GAN). Finally, we evaluate the performance of the proposed model on histopathology slide and synthetic data. The limits of this promising framework as its perspectives are shown

S'ha investigat molt tant els mecanismes neuronals bàsics de l'audició com l'organització psicològica de la percepció de la parla. Tanmateix, en ambdós temes n'hi ha una relativa escassetat en quant a modelització. Aquí describim dos treballs de modelització. Un d'ells proposa un nou mecanisme de millora de selectivitat de freqüències que explica resultats de experiments neurofisiològics investigant manifestacions de forward masking y sobretot auditory streaming en l'escorça auditiva principal (A1). El mecanisme funciona en una xarxa feed-forward amb depressió sináptica entre el tàlem y l'escorça, però mostrem que és robust a l'introducció d'una organització realista del circuit de A1, que per la seva banda explica cantitat de dades neurofisiològics. L'altre treball descriu un mecanisme candidat d'explicar la trobada en estudis psicofísics de diferències en la percepció de paraules entre bilinguës primerencs y simultànis. Simulant tasques de decisió lèxica y discriminació de fonemes, fortifiquem l'hipòtesi de que persones sovint exposades a variacions dialectals de paraules poden guardar aquestes en el seu lèxic, sense alterar representacions fonemàtiques .
Though much experimental research exists on both basic neural mechanisms of hearing and the psychological organization of language perception, there is a relative paucity of modelling work on these subjects. Here we describe two modelling efforts. One proposes a novel mechanism of frequency selectivity improvement that accounts for results of neurophysiological experiments investigating manifestations of forward masking and above all auditory streaming in the primary auditory cortex (A1). The mechanism works in a feed-forward network with depressing thalamocortical synapses, but is further showed to be robust to a realistic organization of the neural circuitry in A1, which accounts for a wealth of neurophysiological data. The other effort describes a candidate mechanism for explaining differences in word/non-word perception between early and simultaneous bilinguals found in psychophysical studies. By simulating lexical decision and phoneme discrimination tasks in an attractor neural network model, we strengthen the hypothesis that people often exposed to dialectal word variations can store these in their lexicons, without altering their phoneme representations.
Se ha investigado mucho tanto los mecanismos neuronales básicos de la audición como la organización psicológica de la percepción del habla. Sin embargo, en ambos temas hay una relativa escasez en cuanto a modelización. Aquí describimos dos trabajos de modelización. Uno propone un nuevo mecanismo de mejora de selectividad de frecuencias que explica resultados de experimentos neurofisiológicos investigando manifestaciones de forward masking y sobre todo auditory streaming en la corteza auditiva principal (A1). El mecanismo funciona en una red feed-forward con depresión sináptica entre el tálamo y la corteza, pero mostramos que es robusto a la introducción de una organización realista del circuito de A1, que a su vez explica cantidad de datos neurofisiológicos. El otro trabajo describe un mecanismo candidato de explicar el hallazgo en estudios psicofísicos de diferencias en la percepción de palabras entre bilinguës tempranos y simultáneos. Simulando tareas de decisión léxica y discriminación de fonemas, fortalecemos la hipótesis de que personas expuestas a menudo a variaciones dialectales de palabras pueden guardar éstas en su léxico, sin alterar representaciones fonémicas.

La recherche de la désintégration double bêta sans neutrino (0νββ) est cruciale pour faire progresser notre compréhension de la physique et explorer la physique au-delà du modèle standard. Cependant, cette recherche est incroyablement difficile en raison de l'extrême rareté de la désintégration, qui nécessite une interprétation approfondie et une dépendance aux contraintes expérimentales et aux modèles nucléaires théoriques. L'expérience PandaX-III est dédiée à la recherche de 0νββ dans 136-Xe. Il s'agit d'une chambre de projection temporelle (TPC) gazeuse à haute pression équipée de détecteurs Micromegas. Ce choix a été fait pour maximiser la capacité de détection des traces de particules et minimiser les fluctuations statistiques dans la résolution énergétique. L'un des principaux défis de la recherche d'événements 0νββ est la discrimination entre le signal et les événements de bruit de fond, qui contaminent la région d'intérêt (ROI). Le système de lecture par pistes des détecteurs Micromegas (une combinaison de 52 détecteurs forme un plan de lecture) permet la reconstruction 2D précise des trajectoires d'ionisation avec les informations de charge et de temps. Cela permet d'étudier l'énergie et la topologie des trajectoires d'électrons et, en conséquence, de distinguer le signal du bruit de fond. Pour supprimer la scintillation et ne se baser que sur le signal d'ionisation, le 136-Xe gazeux enrichi à 90% est mélangé avec 1% de triméthylamine (TMA) qui joue le rôle de "quencher". La résolution énergétique actuelle de l'expérience PandaX-III est de 3% pour l'énergie de 2457 keV de la désintégration de 136-Xe 0νββ, et devrait être améliorée à 1%. Cependant, plusieurs facteurs peuvent dégrader la résolution en énergie, tels que la présence de canaux morts, les inhomogénéités de gain dans les détecteurs Micromegas ou l'attachement des électrons dans la TPC. Ce travail de doctorat présente une étude de l'impact des canaux manquants sur les reconstructions d'énergie et de topologie dans l'expérience PandaX-III. Les résultats de la détermination de la charge du blob n'offrent pas la possibilité souhaitée de reconstituer la partie de son énergie qui aurait été perdue en raison des canaux manquants dans XZ à partir des projections YZ des traces d'événements reconstruites et vice versa. Cependant, l'étude a montré qu'il est possible d'utiliser des algorithmes d'apprentissage automatique pour atténuer l'impact des canaux manquants sur ls reconstruction de l'énergie et de la topologie. Un modèle de réseau neuronal convolutif (CNN) a été développé pour prédire l'énergie réelle des électrons à partir des données simulées collectées par les Micromegas avec des canaux manquants. Les résultats finaux montrent que le modèle CNN prédit l'énergie réelle des événements enregistrés par les Micromegas avec des canaux manquants avec une grande efficacité. Nous observons une amélioration de l'efficacité de détection du signal de Monte Carlo dans la ROI, qui passe de 69% à 89% après l'application du modèle CNN, par rapport à l'approche directe consistant à additionner les amplitudes des signaux provenant des Micromegas dont les canaux sont manquants. Un autre modèle CNN a également été utilisé pour classer les événements à deux électrons des événements à un seul électron dans les données de Monte Carlo affectées par des canaux manquants. Le modèle est capable de rejeter 99% des événements de bruit de fond tout en conservant une efficacité de 26% pour les signaux 0νββ dans la ROI. Les résultats de ce travail sont prometteurs et ouvrent la voie à d'autres études visant à améliorer la résolution en énergie et le rejet du bruit de fond dans l'expérience PandaX-III
The search for neutrinoless double-beta decay (0νββ) is crucial for advancing our understanding of physics and exploring physics beyond the Standard Model. However, this pursuit is incredibly challenging due to the decay's extreme rarity, requiring profound interpretation and reliance on experimental constraints and theoretical nuclear models. The PandaX-III experiment is dedicated to the search for 0νββ in 136-Xe. It is a high-pressure gaseous Time Projection Chamber (TPC) with Micromegas detectors. This design choice is made to maximize the particle track detection and discrimination 0νββ signal vs. gamma background capabilities. One of the main challenges of the 0νββ search is the discrimination between the signal and background events, which contaminate the region of interest (ROI). The strip readout system of the Micromegas detectors (a combination of 52 of them form a readout plane) allows for the precise 2D reconstruction of the ionization tracks together with the charge and time information. This allows for studying the electron tracks' energy and topology and ultimately discriminating the signal from the background. To suppress the scintillation light and rely only on the ionization signal, a 90% enriched 136-Xe is mixed with a 1% trimethylamine (TMA) quencher. The current energy resolution of the PandaX-III experiment is 3% for the 2457 keV energy of the 136-Xe 0νββ decay, envisioned to be improved to 1%. However, several factors can degrade the energy resolution, such as the presence of dead channels, gain inhomogeneities in the Micromegas detectors, or electron attachment in the TPC. This Ph.D work presents a study on the impact of missing channels on the energy and topology reconstructions in the PandaX-III experiment. The results of the Blob charge determination do not provide the desired possibility of reconstituting the part of the blob energy that would have been lost due to missing channels in XZ from YZ projections of reconstructed event tracks and vice versa. However, the study gave insight into employing machine learning (ML) algorithms to mitigate the impact of missing channels on energy and topology reconstructions. A Convolutional Neural Network (CNN) model was developed to predict the true energy of the electrons from the simulated data collected by the Micromegas with missing channels. The final results show that the CNN model predicts the true energy of the events recorded by the Micromegas with missing channels with a good energy resolution. We observe an improvement in the detection efficiency of the Monte Carlo 0νββ signal in the ROI from 69% to 89% after applying the CNN model, in comparison to the direct approach of directly summing amplitudes of the signals from the Micromegas with missing channels. Another CNN model was also used to classify the two-electron events from the single-electron events in the Monte Carlo data affected by missing channels. The model is capable of rejecting 99% of the background events while maintaining a 26% efficiency for the 0νββ signal in the ROI. The results of this work are promising and pave the way for further studies to improve the energy resolution and background rejection in the PandaX-III experiment

La micropaléontologie ne consiste pas seulement à étudier les organismes eux-mêmes, mais plutôt à comprendre les environnements passés de la Terre, avec des applications allant de la biostratigraphie à la paléoocéanographie, en passant par la capacité d'étudier les changements évolutifs au sein des morphoespèces dans le temps et dans l'espace. Ce domaine est confronté à de nombreux défis, car l'analyse des microfossiles nécessite un effort humain important et une expertise taxonomique, conduisant souvent à des incohérences dans les interprétations. Ce travail de thèse se concentre sur l'application de l'utilisation de l'intelligence artificielle (IA), telle que les réseaux de neurones artificiels (ANN), pour la reconnaissance automatique d'images de radiolaires de l'Éocène moyen de l'Atlantique tropical. De grands ensembles de données ont été construits afin de former différents réseaux de neurones et nos résultats montrent que les réseaux de neurones peuvent automatiquement classer plusieurs classes différentes de radiolaires jusqu'au niveau de l'espèce, ainsi que dans de nombreux cas, être capables d'identifier des espèces étroitement apparentées et même des morphotypes qui font partie d'une transition évolutive. Le réseau de neurones a également pu identifier correctement les radiolaires moins brisés ou flous. Il a également été appliqué avec succès à la reconnaissance automatique d'images pour un travail biostratigraphique, qui pouvait en général détecter des âges plus généraux ou des événements biologiques très précis. Ce travail inclut l'utilisation des approches classiques de réseaux de neurones pour analyser le contexte visuel, telles que les réseaux de neurones convolutifs (CNN), mais comprend également l'utilisation de réseaux de neurones à pointes (SNN), qui ne sont pas aussi couramment utilisés pour la reconnaissance automatique d'images que les CNN. Les SNN ont permis d'obtenir une précision égale ou presqu'égale à celle des CNN, avec simplement leur utilisation étant plus efficace en termes de calcul et du fait qu'il prennent moins de mémoire. Il y a également eu quelques comparaisons utilisant des analyses morphométriques traditionnelles, telle que l'analyse de discrimination linéaire (LDA), donnant à peu près le même type de résultats. Nos recherches visent non seulement à simplifier et à accélérer le processus d'analyse, mais contribuent également à accroître la précision et la cohérence des interprétations micropaléontologiques, lesquelles, à terme, contribueront à des études de haute résolution afin de comprendre l'histoire passée de la Terre
Micropaleontology is not only about studying the organisms themselves, rather understanding Earth's past environments, with applications ranging from biostratigraphy to paleoceanography as well as being able to study evolutionary changes within morphospecies in time and space. This field is facing numerous challenges, since the analysis of microfossils demands significant human effort and taxonomic expertise, often leading to inconsistencies in interpretations. This work focuses on the application of using Artificial Intelligence (AI), such as Artificial Neural Networks (ANNs), for automatic image recognition of tropical Atlantic middle Eocene radiolarians. Large datasets have been constructed, in order to train different neural networks and our results show that the neural networks can automatically classify several different classes of radiolarians down to a species level, as well as in many cases being able to identify closely related species and even evolutionary transition morphotypes. It has also been able to correctly identify less broken or blurry radiolarians. It was also successfully applied to automatic image recognition for a biostratigraphic work, which in general could detect more general ages or highly precise bio events. This work includes the use of the classical neural network approaches for analysing visual context such as Convolutional Neural Networks (CNNs) but also includes the use of Spiking Neural Networks (SNNs), which is not as commonly used for automatic image recognition, as CNNs. SNNs resulted in almost or equal amount of accuracy obtained as for CNNs, just that the use is more computational efficient and takes up less memory. There have also been some comparisons using traditional morphometric analyses, such as Linear Discrimination Analysis (LDA), giving approximately the same kind of results. Our research not only aims to simplify and speed up the analysis process but also helps in increasing the accuracy and consistency of micropaleontological interpretations, which eventually, will contribute to the high-resolution studies in order to understand Earth's past history

Pendant longtemps, le voyage mental dans le temps a été considéré comme unique à l’humain. Selon des auteurs, les animaux ne pourraient pas se projeter dans le passé ou le futur parce qu’ils sont ancrés dans le présent. Néanmoins, pendant les 30 dernières années les chercheurs ont apporté des connaissances considérables sur les capacités des animaux à se souvenir de leur passé et à anticiper leur futur. Même si les opinions ont évolué, le débat sur l’unicité du voyage mental dans le temps est toujours d’actualité. Le but de ma thèse est d’apporter de nouvelles données sur les capacités des animaux à se souvenir du passé et à anticiper le futur. Plus particulièrement, je me suis intéressée à la mémoire de la source, qui est la capacité de retrouver l’origine d’un souvenir, chez deux espèces animales très éloignées, la seiche commune Sepia officinalis, et le geai des chênes, Garrulus glandarius. Les résultats ont montré que les seiches étaient capables de résoudre une tâche de discrimination perceptive, montrant qu’elles pouvaient discriminer et retenir leurs propres perceptions après un délai de 3 heures. Les geais, eux, ont révélé des différences mâles/femelles inattendues concernant leur capacité d’encoder et de retrouver une information contextuelle non-intentionnelle (source contextuelle). Une étude sur le comportement orienté vers le futur a montré que les seiches étaient capables de prendre une décision dans le présent en fonction de ce qu’elles avaient appris dans le passé, et en fonction des conditions expérimentales futures. Une étude préliminaire sur la planification a également apporté des résultats prometteurs sur la capacité des seiches à anticiper leurs besoins futurs. Enfin, nous avons pu explorer et mettre en lumière pour la première fois les substrats neuroanatomiques de la mémoire de type épisodique chez la seiche. Ces résultats permettent d’enrichir nos connaissances sur le voyage mental dans le temps chez la seiche et chez le geai, suggérant que cette capacité cognitive complexe peut avoir évolué sous différentes contraintes environnementales
Some authors support that mental time travel is unique to humans. To their point of view, animals are not able to project themselves into the past of the future because they are bound into the present. Nevertheless, during the last 30 years, researchers have brought considerable knowledge on animals’ capacities to travel mentally through time. Even though opinions have evolved, the debate concerning the unicity of mental time travel is still on. My PhD thesis aimed at bringing further knowledge on this matter by focusing on an innovative aspect of episodic cognition in common cuttlefish, Sepia officinalis and Eurasian jay, Garrulus glandarius, namely, source-memory. Source-memory is the capacity to retrieve the origin of an episodic memory. Results showed that cuttlefish were able to perform a source-discrimination study, revealing that they were able to discriminate and retrieve their own perceptions after 3-hours delay. A study on jays’ capacity to encode incidentally a contextual information (contextual source) revealed unexpected differences between males and females. Investigation of future-oriented behaviour in cuttlefish showed that they were able to take a decision in the present according to previous encoded knowledge and according to future experimental conditions. A preliminary study also revealed promising results on cuttlefish capacity to anticipate their future needs. To finish, we explored and revealed for the first time the neuronal substrates of episodic-like memory in cuttlefish. Alltogether, these results provide new knowledge on mental time travel in cuttlefish and in jays, suggesting that this capacity would have evolved under different environmental contraints

Durant ces dernières années, les architectures de réseaux de neurones (RN) ont été appliquées avec succès à de nombreuses applications en Traitement Automatique de Langues (TAL), comme par exemple en Reconnaissance Automatique de la Parole (RAP) ainsi qu'en Traduction Automatique (TA).Pour la tâche de modélisation statique de la langue, ces modèles considèrent les unités linguistiques (c'est-à-dire des mots et des segments) à travers leurs projections dans un espace continu (multi-dimensionnel), et la distribution de probabilité à estimer est une fonction de ces projections.Ainsi connus sous le nom de "modèles continus" (MC), la particularité de ces derniers se trouve dans l'exploitation de la représentation continue qui peut être considérée comme une solution au problème de données creuses rencontré lors de l'utilisation des modèles discrets conventionnels.Dans le cadre de la TA, ces techniques ont été appliquées dans les modèles de langue neuronaux (MLN) utilisés dans les systèmes de TA, et dans les modèles continus de traduction (MCT).L'utilisation de ces modèles se sont traduit par d'importantes et significatives améliorations des performances des systèmes de TA. Ils sont néanmoins très coûteux lors des phrases d'apprentissage et d'inférence, notamment pour les systèmes ayant un grand vocabulaire.Afin de surmonter ce problème, l'architecture SOUL (pour "Structured Output Layer" en anglais) et l'algorithme NCE (pour "Noise Contrastive Estimation", ou l'estimation contrastive bruitée) ont été proposés: le premier modifie la structure standard de la couche de sortie, alors que le second cherche à approximer l'estimation du maximum de vraisemblance (MV) par une méthode d’échantillonnage.Toutes ces approches partagent le même critère d'estimation qui est la log-vraisemblance; pourtant son utilisation mène à une incohérence entre la fonction objectif définie pour l'estimation des modèles, et la manière dont ces modèles seront utilisés dans les systèmes de TA.Cette dissertation vise à concevoir de nouvelles procédures d'entraînement des MC, afin de surmonter ces problèmes.Les contributions principales se trouvent dans l'investigation et l'évaluation des méthodes d'entraînement efficaces pour MC qui visent à: (i) réduire le temps total de l'entraînement, et (ii) améliorer l'efficacité de ces modèles lors de leur utilisation dans les systèmes de TA.D'un côté, le coût d'entraînement et d'inférence peut être réduit (en utilisant l'architecture SOUL ou l'algorithme NCE), ou la convergence peut être accélérée.La dissertation présente une analyse empirique de ces approches pour des tâches de traduction automatique à grande échelle.D'un autre côté, nous proposons un cadre d'apprentissage discriminant qui optimise la performance du système entier ayant incorporé un modèle continu.Les résultats expérimentaux montrent que ce cadre d'entraînement est efficace pour l'apprentissage ainsi que pour l'adaptation des MC au sein des systèmes de TA, ce qui ouvre de nouvelles perspectives prometteuses
Over the past few years, neural network (NN) architectures have been successfully applied to many Natural Language Processing (NLP) applications, such as Automatic Speech Recognition (ASR) and Statistical Machine Translation (SMT).For the language modeling task, these models consider linguistic units (i.e words and phrases) through their projections into a continuous (multi-dimensional) space, and the estimated distribution is a function of these projections. Also qualified continuous-space models (CSMs), their peculiarity hence lies in this exploitation of a continuous representation that can be seen as an attempt to address the sparsity issue of the conventional discrete models. In the context of SMT, these echniques have been applied on neural network-based language models (NNLMs) included in SMT systems, and oncontinuous-space translation models (CSTMs). These models have led to significant and consistent gains in the SMT performance, but are also considered as very expensive in training and inference, especially for systems involving large vocabularies. To overcome this issue, Structured Output Layer (SOUL) and Noise Contrastive Estimation (NCE) have been proposed; the former modifies the standard structure on vocabulary words, while the latter approximates the maximum-likelihood estimation (MLE) by a sampling method. All these approaches share the same estimation criterion which is the MLE ; however using this procedure results in an inconsistency between theobjective function defined for parameter stimation and the way models are used in the SMT application. The work presented in this dissertation aims to design new performance-oriented and global training procedures for CSMs to overcome these issues. The main contributions lie in the investigation and evaluation of efficient training methods for (large-vocabulary) CSMs which aim~:(a) to reduce the total training cost, and (b) to improve the efficiency of these models when used within the SMT application. On the one hand, the training and inference cost can be reduced (using the SOUL structure or the NCE algorithm), or by reducing the number of iterations via a faster convergence. This thesis provides an empirical analysis of these solutions on different large-scale SMT tasks. On the other hand, we propose a discriminative training framework which optimizes the performance of the whole system containing the CSM as a component model. The experimental results show that this framework is efficient to both train and adapt CSM within SMT systems, opening promising research perspectives

Animals need to assess when to initiate actions based on uncertain sensory evidence. To formulate a response, decision making systems must prioritize extraction of neuronal signals that represent ecologically relevant events from signals that are behaviorally less relevant. This is commonly known as selective attention. The current thesis aims to investigate two simple forms of attention in rodents: sensory prioritization to a specific modality and temporal cueing. The rat whisker system is functionally efficient, and anatomically well characterized. We therefore utilize the whisker touch as a model sensory system to investigate the neuronal and behavioral correlates of attention in rats. We begin this thesis by designing a novel simple detection task that investigated whether rats dedicate attentional resources to the sensory modality in which a near-threshold event is more likely to occur. Detection of low-amplitude events is critical to survival, and to formulate a response, animals must extract minute neuronal signals from the sensory modality that is more likely to provide key information. We manipulated attention by controlling the likelihood with which a stimulus was presented from one of two modalities. In a whisker session, 80% of trials contained a brief vibration stimulus applied to whiskers and the remaining 20% of trials contained a brief change of luminance. These likelihoods were reversed in a visual session. When a stimulus was presented in the high-likelihood context, detection performance increased and was faster compared with the same stimulus presented in the low-likelihood context. Sensory prioritization was also reflected in neuronal activity in the vibrissal area of primary somatosensory cortex: single units responded differentially to a whisker vibration stimulus when presented with higher probability compared to the same stimulus when presented with lower probability. Neuronal activity in the vibrissal cortex displayed signatures of multiplicative gain control and enhanced response to vibration stimuli during the whisker session. In Chapter 3, we replicated these findings in a forced choice paradigm and extended the investigation from somatosensory/visual to the somatosensory/auditory. Attention was similarly manipulated by controlling likelihoods of stimulus presentation. Again, we observed improvements in detection performance and reaction time, as well as improvements in discrimination performance for stimuli presented in a high-likelihood context. The behavioral consequences of a forced choice compared to simple detection task are discussed. Finally, we developed a novel task that investigated whether rats were able to dedicate attentional resources in time. Operating with some finite quantity of attentional resources, by direct these resources at the expected time, animals would benefit from prioritizing processing based on temporal cues. We manipulated temporal cueing by presenting an auditory cue that preceded a target vibration stimulus in a subset of trials. On another subset, no auditory cue was presented. Presentations of these trials were of equal probability. Critically in this paradigm, the auditory cue provided temporal information but did not provide any spatial information about the location of the vibration stimulus. The auditory cue increased detection and discrimination performances and resulted in faster responses compared to trials in which the cue was absent. We observed neuronal signatures of temporal cuing in the vibrissal area of the primary somatosensory cortex. Single units showed enhanced response to the vibration stimulus during trials in which the stimulus was temporally expected. However, we did not observe signatures of multiplicative gain control in this paradigm. Instead, a decrease in baseline activity was observed that was phase locked to the onset of the auditory cue. In summary, this thesis presents two novel paradigms to study selective attention in rats in the form of sensory prioritization and temporal cueing. In addition, we investigate the neuronal correlates of selective attention in the vibrissal area of the primary somatosensory cortex. These series of experiments establish the rat as an alternative model organism to primates for studying attention.

The survival of the animals depends on their ability to memorize locations and to use behavioral spatial navigation strategies. The crucial structure for this type of behavior and memory is the hippocampus, by its ability to create a cognitive map. In this structure, there are specialized pyramidal cell called place cells. They respond by their complex firing pattern to specific animal's location in the environment. Even though many studies have investigated the role of hippocampal pyramidal cells in spatial navigation and object position discrimination, their function during inaccessible object position discrimination is not yet clarified. In our experiment, rats were trained in a behavioral task to discriminate between rewarded and nor- rewarded positions of object located in an inaccessible space. We investigated the role of individual hippocampal cells during this task by single neuron electrophysiology. The first aim of this study was to decide which of two configurations of objects presented on a computer screen during spatial object discrimination task rats can discriminate easily. The second aim is to show whether and how information about the position of inaccessible objects is represented in the hippocampus using single-neuron electrophysiology. We found out, that animals did not reach...

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.
Background ‘Connectomics’— the mapping of neural connections, is a rapidly advancing field in neurosciences and it promises significant insights into the brain functioning. The formation of neuronal circuits in response to the sensory environment is an emergent property of the brain; however, the knowledge about the precise nature of these sub-networks is still limited. Even at the level of the visual cortex, which is the most studied area in the brain, how sensory inputs are processed between its neurons, is a question yet to be completely explored. Heuristically, this invites an investigation into the emergence of micro-circuits in response to a visual input — that is, how the intriguing interplay between a stimulus and a cell assembly is engineered and modulated? Methods Neuronal assemblies were recorded in response to randomly presented drifting sine-wave gratings in the layer II/III (area 17) of the primary visual cortex (V1) in anaesthetized cats using tungsten multi-electrodes. Cross-correlograms (CCGs) between simultaneously recorded neural activities were computed to reveal the functional links between neurons that were indicative of putative synaptic connections between them. Further, the peristimulus time histograms (PSTH) of neurons were compared to divulge the epochal synergistic collaboration in the revealed functional networks. Thereafter, perievent spectrograms were computed to observe the gamma oscillations in emergent microcircuits. Noise correlation (Rsc) was calculated for the connected and unconnected neurons within these microcircuits. Results The functionally linked neurons collaborate synergistically with augmented activity in a 50-ms window of opportunity compared with the functionally unconnected neurons suggesting that the connectivity between neurons leads to the added excitability between them. Further, the perievent spectrogram analysis revealed that the connected neurons had an augmented power of gamma activity compared with the unconnected neurons in the emergent 50-ms window of opportunity. The low-band (20-40 Hz) gamma activity was linked to the regular-spiking (RS) neurons, whereas the high-band (60-80 Hz) activity was related to the fast-spiking (FS) neurons. The functionally connected neurons systematically displayed higher Rsc compared with the unconnected neurons in emergent microcircuits. Finally, the CCG analysis revealed that there is an activation of a salient functional network in an assembly in relation to the presented orientation. Closely tuned neurons exhibited more connections than the distantly tuned neurons. Untuned assemblies did not display functional linkage. In short, a ‘signature’ functional network was formed between neurons comprising an assembly that was strictly related to the presented orientation. Conclusion Indeed, this study points to the fact that a cell-assembly is the fundamental functional unit of information processing in the brain, rather than the individual neurons. This dilutes the importance of a neuron working in isolation, that is, the classical firing rate paradigm that has been traditionally used to study the encoding of a stimulus. This study also helps to reconcile the debate on gamma oscillations in that they systematically originate between the connected neurons in assemblies. Though the size of the recorded assemblies in the current investigation was relatively small, nevertheless, this study shows the intriguing functional specificity of interacting neurons in an assembly in response to a visual input. One may form this study as a premise to computationally infer the functional connectomes on a larger scale.