Utilisation de la modélisation mathématique pour comprendre l’étendue et l’impact des fluctuations de concentration ioniques dans les neurones et réseaux de neurones.

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La neuroscience computationnelle est une discipline dont l’importance a explosé au cours des dernières décennies. La modélisation mathématique est devenue essentielle pour déchiffrer les interactions entre les différentes composantes jouant un rôle dans le traitement de l’information par le système nerveux central. En travaillant de manière intégrée au sein d’équipes multidisciplinaires incluant des chercheurs expérimentaux, je compte maximiser les retombées concrètes de l’étude mathématique des structures neuronales. Dans un premier volet, dans le cadre d’une collaboration avec Simon Hardy, Paul De Koninck et André Fortin, nous comptons utiliser la méthode des éléments finis et le code MEF++ développé par le GIREF afin de décrire l’évolution des concentrations ioniques et du champ électrique dans des sous structures neuronales telles que les épines dendritique et l’espace extracellulaire périsynaptique. Cette technique permettra de  prédire les résultats expérimentaux avec une précision spatiale sans précédent  sans avoir recours à des hypothèses simplificatrices sur la distribution des charges électriques ainsi que de comprendre l’impact de la morphologie des épines sur la signalisation chimique et électrique et étudierons son rôle dans le confinement électrique et chimique des synapses.  Dans un deuxième volet, je collaborerai avec le chercheur expérimental Pierre Marquet afin de mieux comprendre le rôle des cotransporteurs cation-chlorure (CCCs) dans la réponse volumique des neurones. En m’appuyant sur le travail de Marie-Annie Saucier, nous construirons d’abord des extensions du modèle d’Hodgkin-Huxley tenant compte des propriétés biomécaniques des membranes et du transport d’eau par les CCCs. Par la suite, nous construirons des modèles en éléments finis décrivant les déformations des neurones au-delà du changement de volume. Ce travail permettra d’appliquer de nouveaux outils à la modélisation des déformations des neurones et facilitera l’utilisation de la microscopie holographique pour la mesure non invasive des courants synaptiques. Dans un troisième volet, j'étudierai la structure du réseau de neurones responsable du traitement de l’influx sensoriel dans la corne dorsale, travail commencé avec Emmanuelle Renauld lors d’un stage d’été en recherche. En collaboration avec Simon Hardy et Patrick Desrosiers, nous déterminerons la topologie du réseau de neurone compatible avec les résultats expérimentaux de Guillaume Lavertu (30). Dans un premier temps, nous parcourrons systématiquement toutes les topologies possibles et, à l’aide de fonctions de transfert,  étudierons lesquelles sont compatibles avec les résultats expérimentaux. Nous modéliserons ensuite chaque neurone avec un modèle Hodgkin-Huxley étendu, ce qui permettra, entre autres grâce à l'analyse des bifurcations, de mieux comprendre les impacts d'une baisse du niveau d'extrusion du Cl- .