Project

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Using deep brain stimulation to dig out the subcortical correlates of consciousness

English title Using deep brain stimulation to dig out the subcortical correlates of consciousness
Applicant Pereira Michael
Number 187974
Funding scheme Early Postdoc.Mobility
Research institution CNRS - UMR 5105 Laboratoire de Psychologie et Neurocognition
Institution of higher education Institution abroad - IACH
Main discipline Neurophysiology and Brain Research
Start/End 01.11.2019 - 30.04.2021
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All Disciplines (2)

Discipline
Neurophysiology and Brain Research
Neurology, Psychiatry

Keywords (5)

consciousness; perception; neuron; DBS; intra-operative

Lay Summary (French)

Lead
Comment l'activité de neurones dans notre cerveau peut elle générer une expérience consciente du monde qui nous entoure? Une des approche scientifique à cette question consiste à comparer l'activité cérébrale corrélée à la perception consciente d'un stimulus (visuel, auditif, tactile... ) avec l'activité observée lorsque le même stimulus n'est pas perçu. Cette approche a permis d'isoler des régions du cerveau qui sont plus active quand un stimulus est perçu consciemment. Cependant ces études se sont principalement concentrée sur le cortex cérébral, la couche superficielle de matière grise du cerveau. Dans ce projet de recherche, nous étudierons la contribution des structures cérébrales sous-corticales à la conscience perceptuelle humaine, premièrement en enregistrant des neurones uniques lors de chirurgies de stimulation cérébrale profonde et deuxièmement, en stimulant électriquement lesdites structures tout en observant de possibles changements de la perception.
Lay summary

Contenu et objectifs du travail de recherche
Ce projet se compose de deux études de détection tactile au seuil de la perception. Pour cela, nous appliquons de faibles vibration sur la paume de la main à l'aide d'un stimulateur vibrotactile. L'intensité est maintenue au seuil de la perception par une procédure adaptative qui converge vers un nombre égal de stimuli perçus et non-perçus.

Dans la première étude, nous procédons à cette manipulation expérimentale pendant la procédure chirurgicale d'implentation d'électrodes de stimulation cérébrale profonde. Cette procédure a pour but de stimuler des régions sous-corticales pour améliorer les syndromes de la maladie de Parkison, des tremblements essentiels ou encore des troubles obsessionnels compulsifs. Pour cela, la position de l'électrode durant la chirurgie est vérifiée par un spécialiste qui reconnait la région cérébrale traversée par l'électrode en écoutant le bruit des neurones (i.e. par sonication de leur signal électrophysiologique). Puisque le patient doit être éveillé, cela nous permet de conduire de courtes expériences scientifiques additionnelles tout en allongeant seulement de peu la procédure clinique nécessaire. Ainsi, nous avons l'opportunité rare de contraster l'activité de neurones uniques de régions sous-corticales du cerveau humain lors des essais perçus et non-perçus. 

Ces données cependant sont corrélationnelles, c'est-à-dire que nous ne pouvons distinguer l'activité de neurone nécessaire à la perception consciente de l'activité engendrée par la perception. Pour distinguer le rôle des régions sous-corticale dans la perception consciente, nous prévoyons donc dans une deuxième étude, de comparer la perception de patient implantés dans ces régions lorsque les électrodes sont actives (et donc la région est rendue moins active) et lorsque les électrodes sont désactivées (et donc la région est plus active). 

Contexte scientifique et social du projet de recherche 
Ce projet relève principalement de la recherche fondamentale en permettant une meilleure compréhension des mécanismes cérébraux liés à la conscience. Cependant, comme la stimulation cérébrale profonde est utilisée cliniquement pour traiter des maladies (telles que la maladie de Parkinson, les tremblements essentiels, ou encore les troubles obsessionnels compulsifs), l'approche quantitative de ce projet permettra également une meilleure compréhension des effets secondaires de la stimulation cérébrale profonde.

Direct link to Lay Summary Last update: 11.09.2019

Responsible applicant and co-applicants

Publications

Publication
Evidence accumulation relates to perceptual consciousness and monitoring
Pereira Michael, Megevand Pierre, Tan Mi Xue, Chang Wenwen, Wang Shuo, Rezai Ali, Seeck Margitta, Corniola Marco, Momjian Shahan, Bernasconi Fosco, Blanke Olaf, Faivre Nathan (2021), Evidence accumulation relates to perceptual consciousness and monitoring, in Nature Communications, 12(1), 3261-3261.

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Association for the Scientific Study of Consciousness (24th edition) Talk given at a conference Subcortical neuronal correlates of perceptual consciousness 14.06.2021 Online, Israel Pereira Michael;
Neuromatch 3.0 Talk given at a conference Evidence accumulation determines conscious access 28.10.2020 Online, United States of America Pereira Michael;
40th European Winter Conference on Brain Research Talk given at a conference Subthalamic nucleus reflects first- and second-order conscious reports 07.03.2020 Villars sur Ollon, Switzerland Pereira Michael;
Alpine Brain Imaging Meeting 2020 Talk given at a conference Subthalamic nucleus activity reflects first and second-order conscious reports 12.01.2020 Champéry, Switzerland Pereira Michael;


Awards

Title Year
Best oral presentation award at the association for the scientific study of consciousness meeting 24 2021

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
199251 Unravelling the mechanisms underlying perceptual consciousness 01.05.2021 Postdoc.Mobility

Abstract

One of the most fascinating neuroscientific question is to explain how neuronal activity relates to thoughts and thus to consciousness. The scientific approach to this question is to compare conscious and unconscious brain activity in order to find the so-called neural correlates of consciousness (NCC). During the last 30 years however, only very few researchers have looked into subcortical structures despite their putative role in consciousness. In the following research project, I propose to study for the first time the contribution of subcortical brain structures to human consciousness at the single neuron level (work package 1), and assess their causal influence on behaviour and scalp electrophysiology (work package 2). In work-package 1 (WP1), I will rely on the unique opportunity to do microelectrode recordings (MER) subcortical single neuron activity (SUA) and local field potentials (LFP) in awake humans during deep brain stimulation (DBS) surgery for Parkinson’s disease and essential tremor. I expect that neural activity in the subthalamic nucleus (STN) and in the ventralis caudalis (Vc) nucleus in the thalamus will reflect subjective experience associated with the detection of a weak vibrotactile stimulation and that these differences will occur both at the population level (indexed by local field potentials) and at the single neuron level. This hypothesis is supported by two pilot recordings. In work-package 2 (WP2), I will compare electroencephalography (EEG) and subjective reports of perception while DBS is ON vs. OFF (further referred to as EEG-DBS) in order to assess the causal influence of subcortical structures on conscious perception, as well as the importance of subcortico-cortical loops for consciousness. In both work-packages, I will use a computational model to disentangle whether neural activity reflects the processing of perceptual evidence or rather the encoding of a decision threshold. The project is multicentric; WP1 will be carried out with the Rockefeller Neuroscience Institute at the West Virginia University Hospital in Morgantown, US and WP2 will be carried out at the Centre Hospitalier Universitaire (CHU) hospital in Grenoble, France. Collectively, WP1 (MER-DBS) and WP2 (EEG-DBS) will shed new lights on the subcortical origins of human consciousness, and inform several influential theoretical frameworks (Tononi et al., 2016; Dehaene & Changeux, 2011).
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