Thèse Contributions Spécifiques des Différents Types Neuronaux aux Signaux de Direction de la Tête Influences Multisensorielles et Liées aux Mouvements Volontaires chez la Souris H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris Cité École doctorale : Cerveau, cognition, comportement Laboratoire de recherche : Saints Pères Paris Institute for the Neurosciences Direction de la thèse : Desdemona FRICKER ORCID 0000000173289480 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-01T23:59:59 La navigation spatiale dépend de l'intégration multisensorielle pour générer des représentations internes de l'espace et de la direction, y compris les signaux de direction de la tête (HD). Ce projet de doctorat vise à disséquer les déterminants multisensoriels (par exemple, visuo-vestibulaires), liés aux entrées et aux mouvements volontaires des signaux HD dans le modèle murin, afin d'élucider leur rôle dans la navigation orientée vers un objectif. Le/la candidat(e) étudiera les réseaux thalamo-corticaux et parahippocampiques contenant des cellules HD, en s'appuyant sur l'idée que le système HD n'est pas seulement un répondeur passif aux entrées visuo-vestibulaires, mais qu'il intègre également les informations provenant du système idéomoteur. Il/elle se concentrera sur le présubiculum (PrS), qui fonctionne comme une boussole interne. Les neurones HD du PrS reçoivent des entrées de l'hypothalamus via les noyaux thalamiques antérieurs (ATN), transformant les informations vestibulaires en un code HD stable ancré à des repères visuels. Les neurones des différentes couches du PrS ont des cibles distinctes, et nous nous intéresserons particulièrement aux neurones intrinsèques à décharge rapide de la couche 4, qui fournissent un retour direct à l'hypothalamus et peuvent probablement être identifiés par leurs schémas de décharge caractéristiques. Nous émettons l'hypothèse que les déterminants de la dynamique des circuits HD dépendent fortement du contexte comportemental et que le comportement orienté vers un objectif est guidé par des codes HD variables dans le temps. Les résultats aideront à clarifier l'interaction bidirectionnelle entre la navigation active et le codage de l'orientation spatiale, ce qui pourrait inspirer de nouvelles stratégies pour les interfaces cerveau-machine.
Outre l'intégration des informations visuelles et vestibulaires, certaines études ont montré que les signaux HD sont anticipatifs [1, 2], en fonction du degré d'activité, de volonté ou de prévisibilité des mouvements. Cependant, les recherches actuelles n'ont pas systématiquement dissocié les contributions différentielles des entrées visuelles et vestibulaires dans différentes zones, et la contribution des informations prédictives liées aux mouvements volontaires n'a pas été pleinement évaluée. Après avoir intégré différentes sources d'informations dans une estimation cohérente de la HD, le système semble jouer un rôle central dans le guidage de la navigation orientée vers un objectif [3], soulignant encore davantage sa relation étroite et bidirectionnelle avec le comportement.

Les principaux objectifs de ce projet de doctorat sont : premièrement, fournir une caractérisation complète de la manière dont les informations visuelles, vestibulaires et idéomotrices sont intégrées dans différentes zones du système HD, l'ATN, le PrS et le cortex rétrosplénial (RSC) ; deuxièmement, examiner comment les neurones à décharge rapide de la couche 4 présubiculaire contribuent à cette intégration, en déterminant si leur activité reflète les entrées sensorielles combinées et fournit un retour d'information aux régions en amont pour l'ancrage visuel des repères ; et troisièmement, déterminer le rôle de la dynamique des circuits HD dans le guidage de la navigation en testant l'impact des perturbations sensorielles et des circuits sur le codage neural et le comportement.
Head-direction (HD) neurons [5] convey directional information to hippocampal place and entorhinal grid cells, forming a core component of spatial navigation circuits. The HD signal, driven by vestibular inputs and anchored to visual cues [6], can also incorporate anticipatory components [1], likely reflecting ideomotor contributions from higher-order brain areas such as the orbitofrontal cortex [7]. The presence and degree of predictive coding depend on behavioral context and the brain area studied [8]. While mixed visual, vestibular, and predictive signals have been reported across HD circuits [9], their distinct and complementary contributions remain unresolved. Specifically, no study has systematically decoupled visual, vestibular, and volitional components across key nodes of the HD system. To address this, the candidate will contrast controlled head-fixed paradigms in a passive configuration and also in an active configuration and use population modeling to dissect multisensory and predictive determinants of HD dynamics across the PrS, ATN, and RSC.
The mechanisms supporting integration and stability in these regions depend on their microcircuit connectivity. Recurrent excitation among similarly tuned cells and lateral inhibition [10] enable stable directional tuning even in the absence of sensory cues [11]. Yet, how specific circuit motifs shape stable encoding versus flexible updating is poorly understood. Recent work from Dr. Fricker's group showed that interactions between Martinotti-type somatostatin (SOM) interneurons and excitatory HD cells sustain persistent activity [12], while parvalbumin (PV) interneurons sharpen HD responses during rapid head turns [12], and vasoactive intestinal peptide (VIP) interneurons facilitate updating by transient disinhibition [13]. I will explore how excitation-inhibition balance modulates attractor stability [14].
The primary aims of this PhD project are threefold: first, to provide a comprehensive characterization of how visual, vestibular, and ideomotor information is integrated across different areas of the HD system, ATN, PrS, and Retrosplenial Cortex (RSC); second, to examine how presubicular layer 4 bursting neurons contribute to this integration, determining whether their activity reflects combined sensory inputs and provides feedback to upstream regions for visual landmark anchoring; and third, to determine the role of HD circuit dynamics in guiding navigation by testing the impact of sensory and circuit perturbations on neural coding and behavior.
This project will combine large-scale in vivo electrophysiology, targeted circuit manipulations, and computational analysis. The candidate will record neuronal activity from key nodes of the HD system; PrS, ATN, and RSC, using high-density Neuropixels probes. Mice will be placed in an innovative head-fixed setup combining controlled 360° vestibular rotations with high-frame-rate visual projections on a surrounding dome, allowing precise visuo-vestibular matching or mismatch. This paradigm will be used to systematically characterize and disambiguate the visual, vestibular, and motor-predictive components of the HD signal. We will quantify the degree of differentiation and cross-talk between ATN, RSC, and PrS using simultaneous multi-site recordings, comparing neuronal activity across conditions of passive rotation, visual scene rotation, or matched/mismatched combinations. To probe ideomotor integration, we will adapt this 1D head-fixed setup into a 'driving' paradigm where mice actively control rotation using a steering wheel. This will allow a direct comparison of active versus passive HD coding, testing our hypothesis that volitional movement enhances predictive HD tuning [8]. If time allows, to extrapolate these findings to more naturalistic behavior, we will also monitor HD activity using chronically implanted Neuropixels 2.0 probes [15] while mice perform 2D foraging and homing tasks [16-18]. Visual landmark perturbations (rotations or omissions) in these tasks will probe how sensory mismatches alter HD representations and behavioral accuracy.
To dissect the underlying circuit mechanisms, we will employ Cre-driver mouse lines (VIP-Cre, Pvalb-Cre, Sst-IRES-Cre) to selectively target major interneuron subtypes. We will use chemogenetic silencing (DREADDs) in the PrS to assess the contribution of specific inhibitory circuits. We will focus on VIP+ interneurons, which we hypothesize mediate disinhibition to transiently weaken attractor stability and facilitate HD updating [13]. We will test this by recording HD activity during sensory conflict and active movement paradigms while silencing VIP-Cre cells, predicting a reduction in HD adaptability.
I will quantify HD tuning at both single-cell and population levels. I will use linear and cross-temporal decoders [19] to estimate the contributions of vestibular, visual, and predictive signals. Topological data analysis [11, 20] will be used to reveal the geometry of the HD manifold, and in collaboration with Dr. Heike Stein (ISIR, Paris), neural subspace models [21] will capture functional connectivity across the recorded regions. These analyses will directly test our hypotheses on multisensory integration and dynamic attractor stability. Specifically, decoder generalization across sensory conditions (e.g., trained on vestibular-only, tested on visual simulation) will test the invariance of HD representations. Temporal lag analyses will identify the sources of predictive coding (motor planning vs. efference copy), allowing us to expect systematic regional differences in decoding dynamics.

Une formation en neurosciences des systèmes et en ingénierie serait idéale. Des bases de programmation et d'utilisation de logiciels statistiques sont nécessaires pour les analyses des données électrophysiologiques.