Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη μεθόδoυ υπολογισμού της συνδεσιμότητας περιοχών του εγκεφάλου κατά την διάρκεια μιας πραγματικής και μιας φανταστικής κίνησης του δακτύλου. Η μελέτη βασίζεται σε μετρήσεις (καταγραφές) ηλεκτροεγκεφαλογραφημάτων (ΗΕΓ). Η συνδεσιμότητα εκφράζεται ποσοτικά με το μέγεθος της συνάφειας (coherence) και μπορεί να δώσει απάντηση στο κατά πόσο τα σήματα του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος που παίρνουμε από τα δυο κανάλια σχετίζονται μεταξύ τους. Για να το πετύχουμε αυτό υλοποιήσαμε μια μη γραμμική υπολογιστική μέθοδο συγχρονισμού. Η μη γραμμική μέθοδος ανάλυσης και υπολογισμού της συνδεσιμότητας των εγκεφαλικών περιοχών που υλοποιήθηκε έγινε στο μαθηματικό χώρο της φάσης. Σε αυτό το χώρο το σήμα μου είναι ένα δυναμικό σύστημα. Η πληροφορία που περιέχεται σε αυτό ποσοτικοποιείται με μια μέθοδο που βασίζεται στην ανάλυση του συγχρονισμού φάσης (Phase Dynamics Modelling, PDM). Η ιδέα του συγχρονισμού φάσεων προσφέρει μία νέα προοπτική στην κατανόηση και ποσοτικοποίηση των δυναμικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ συστημάτων συζευγμένων ταλαντωτών. Λαμβάνοντας υπόψη μας την μη γραμμική φύση των νευρικών βιοσημάτων, παρουσιάζουμε μια νέα προσέγγιση στην αναγνώριση της εγκεφαλικής δραστηριότητας και συσχέτισης κατά την διάρκεια πραγματικής και φανταστικής κίνησης του δείκτη των δακτύλων του χεριού. Χρησιμοποιούμε την τεχνική Empirical Mode Decomposition. Η τεχνική αυτή, η οποία είναι το βασικό αντικείμενο μελέτης της εργασίας ονομάζεται εμπειρικός τρόπος αποδόμησης του σήματος (empirical-mode-decomposition EMD) και χρησιμοποιείται για να κάνουμε αποσύνθεση των δεδομένων του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος (EEG) σε έναν αριθμό στοιχειωδών 3 ορθογώνιων συναρτήσεων (elementary – orthogonal modes) με καλά καθορισμένη χρονομεταβλητη συμπεριφορά.(IMFs). Πιθανό πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι οτι με τις παραδοσιακές η μη γραμμικότητα του συστήματος ίσως οδηγήσει σε απώλεια της ενέργειας σε υψηλή συχνότητα με αποτέλεσμα να έχουμε ψεύτικο συγχρονισμό. Είναι μια νέα τεχνική μέθοδος ανάλυσης σημάτων η οποία βασίζεται στον μετασχηματισμό Hilbert – Huang. Στην παρούσα εργασία δίνεται έμφαση στις ομοιότητες δομικής και λειτουργικής οργάνωσης των εγκεφαλικών διασυνδέσεων που πραγματοποιούνται κατά την διάρκεια πραγματικής και φανταστικής κίνησης Στο πείραμα που μελετάμε η ανάλυση συσχέτισης φάσης πραγματοποιείται στο κομμάτι (imf) που αντιστοιχεί στον βητα ρυθμό ( 4th component). H αναπαραγωγή των αποτελεσμάτων με την μέθοδο EMD στον βητα ρυθμό και στην συνέχεια η ανάλυση συγχρονισμόυ φάσης προάγει αυτή την μέθοδο ως: προσαρμοστική (adaptive)-εναλλακτική (alternative) μέθοδο αναγνώρισης πραγματικών συναρτήσεων που προέρχονται από ολόκληρο το σήμα , παρέχοντας έναν νέο τρόπο καθορισμού συγκεκριμένου εύρους ζώνης συχνοτήτων μέσα στην οποία έχουμε φαινομενα συσχέτισης[13]. Η συνέπεια των αποτελεσμάτων τα οποία προέρχονται από ποικίλες καταγραφές αποτελούν σαφή ένδειξη ότι η ανάλυση του συγχρονισμού φάσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ένα επιπλέον κριτήριο για ένα σύστημα (E-HY) προκειμένου να κωδικοποιήσει την πρόθεση της κίνησης. / -

This thesis investigates the involvement of primary auditory cortex (A1) in sound localisation. Experiments were carried out both to assess the effect of A1 inactivation on sound localisation, and to measure the sensitivity of single A1 neurons to sound source location. Ferrets were trained to localise bursts of broadband noise, of varying intensity and duration, from an array of loudspeakers that spanned 360 degrees in azimuth. Bilateral A1 inactivation caused an impairment on this task, but only for short-duration stimuli. Unilateral A1 inactivation also resulted in an impairment for short-duration stimuli, but this was limited to the side of space contralateral to the inactivation, and was only seen in animals which had been highly trained prior to surgery. A feature of the impairment in all animals was the increased number of "front-back confusions", where the animal's response was on the correct side of the midline but the wrong side of the interaural axis. Recordings from ferret A1 showed that the firing rate of individual neurons varied little as sound source location was changed. Further, the neurons' location sensitivity was affected by changes in stimulus intensity and duration. However, mathematical techniques were used to measure the information these neurons provided about sound source location, and it was found that this information was not sensitive to intensity or duration changes. The analysis also showed that the amount of information provided by response latency was greater than that carried by firing rate. Similar mathematical treatment tentatively suggested that the information from different neurons was only slightly redundant, so it may be possible to account for whole-animal localisation performance by assuming that the output of large numbers of neurons is considered. It is concluded that A1 is involved in processing the location of sound sources, but it seems unlikely that sound localisation is A1's primary or only role within the auditory system.

Οι περισσότερες πληροφορίες που αφορούν μοριακούς μηχανισμούς πλαστικότητας στο κεντρικό νευρικό σύστημα, πηγάζουν από μελέτες συγκεκριμένων τύπων μακρόχρονης ενδυνάμωσης (LTP) και μακρόχρονης αναστολής (LTD), οι οποίοι εξαρτώνται από την ενεργότητα των υποδοχέων N-methyl-D-aspartate (NMDA) του γλουταμινικού οξέος. Αλλαγές στην φωσφορυλίωση των υποδοχέων NMDA από διάφορες κινάσες και φωσφατάσες διαμεσολαβούν ή και ρυθμίζουν την έκφραση του LTP και του LTD. Η οπτική αποστέρηση, όπως η εκτροφή πειραματόζωων στο σκοτάδι, επιμηκύνει την κρίσιμη περίοδο πλαστικότητας του οπτικού φλοιού. Οι υποδοχείς NMDA του γλουταμινικού οξέος, έχει αποδειχθεί ότι εμπλέκονται σημαντικά στην πλαστικότητα του οπτικού φλοιού. Η φωσφορυλίωση τους εμπλέκεται στη συναπτική πλαστικότητα μέσω της ρύθμισης της διακίνησης τους στην σύναψη και της έκφρασης τους στη επιφάνεια του κυττάρου, καθώς και μέσω της επίδρασης στη λειτουργία του ιοντικού διαύλου του υποδοχέα. Η σερίνη 1303 της υπομονάδας NR2B των υποδοχέων NMDA αποτελεί την κύρια περιοχή φωσφορυλίωσης από την CaM κινάση II και την PKC. Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η συσχέτιση των μεταβολών του υποδοχέα NMDA, ο οποίος συμμετέχει σε φαινόμενα πλαστικότητας του εγκεφάλου, με την ευαίσθητη περίοδο καθορισμού της αρχιτεκτονικής του οπτικού φλοιού. Για το σκοπό αυτό εξετάσαμε τις μεταβολές της φωσφορυλίωσης της υπομονάδας NR2B των υποδοχέων NMDA σε επίμυες μετά από οπτική αποστέρηση για την περίοδο Ρ0-Ρ21 και Ρ0-Ρ30 (Ρ: postnatal day). Τα αποτελέσματα της παρούσας διπλωματικής εργασίας δείχνουν ότι στον οπτικό φλοιό τα επίπεδα της φωσφορυλίωσης του καταλοίπου σερίνης 1303 της NR2B υπομονάδας των υποδοχέων NMDA αυξήθηκαν στις μεταγεννητικές ημέρες 21 και 30 (κατά 27% και 47% αντίστοιχα) στα πειραματόζωα που υπέστησαν οπτική αποστέρηση συγκριτικά με πειραματόζωα ίδιας ηλικίας των οποίων η εκτροφή πραγματοποιήθηκε σε ημερήσιο κύκλο 12 ώρες φως/ 12 ώρες σκοτάδι. Τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν μια εξαρτώμενη από την εμπειρία ρύθμιση της φωσφορυλίωσης του καταλοίπου σερίνης 1303 της NR2B υπομονάδας των υποδοχέων NMDA . Υπάρχουν ενδείξεις ότι η φωσφωρυλίωση του καταλοίπου ser1303 της υπομονάδας NR2B του υποδοχέα NMDA μέσω της PKC ενισχύει τα NMDA-επαγώμενα ρεύματα (Liao et al., 2001). Επιπλέον μελέτες κατά την ανάπτυξη του οπτικού φλοιού επίμυων και μυών που έχουν υποστεί οπτική αποστέρηση (Carmignoto and Vicini, 1992; Yashiro et al. 2005) έχουν δείξει λειτουργικές μεταβολές του υποδοχέα NMDA και συγκεκριμένα ενίσχυση της διάρκειας του NMDA-επαγώμενου ρεύματος Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης προτείνουν ότι η φωσφορυλίωση της υπομονάδας NR2B του υποδοχέα NMDA μπορεί να είναι ένας από τους μοριακούς μηχανισμούς οι οποίοι ενέχονται στην λειτουργική μεταβολή του υποδοχέα NMDA, η οποία παρατηρείται κατά την ανάπτυξη του οπτικού φλοιού που έχουν υποστεί οπτική αποστέρηση. Τέλος, τα αποτελέσματα αυτά συμφωνούν και συμπληρώνουν την υπάρχουσα βιβλιογραφία που υποστηρίζει ότι η φωσφορυλίωση αποτελεί έναν από τους παράγοντες που συμβάλλουν στην πλαστικότητα. / Phosphorylation of ligand-gated ion channels is recognized as a potentially important mechanism for short and long-term modulation of ion-channel function. Ionotropic glutamate receptors mediate most excitatory neuronal transmission in the brain and play essential roles in the regulation of synaptic activity. Depending on their specific response to different pharmacological agents, ionotropic glutamate receptors are subdivided into N-methyl-D-aspartate (NMDA), α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid (AMPA) and kainate receptors. NMDA receptors are heteromultimers mainly consisting of the obligatory NR1 subunit in combination with NR2A-NR2D and NR3A-B subunits. Many serine/threonine phosphorylation sites have been identified in NMDA receptor subunits, which are substrates for several kinases. Phosphorylation of NMDA receptors mediate synaptic plasticity through regulation of synaptic trafficking and surface expression of these receptors, in addition to the effects on channel function. Phosphorylation on NR2B-Ser1303 is mediated by CaM kinase II and PKC. Visual deprivation has been a powerful tool for investigating the anatomical and physiological correlates of experience-dependent plasticity. Rearing in the dark during a developmentally sensitive period blocks the development of retinal circuitry. In visual cortex, dark-rearing prolongs the critical period for ocular dominance plasticity, reduces LTD and increases LTP, attenuates the maturation of NMDA receptors and attenuates the developmental increase in inhibition relative to excitation. To test the role of neurotransmitter receptor phosphorylation on visual system plasticity, we examined the effects of dark rearing on phosphorylation of NMDA receptor subunit NR2B in rat visual cortex. In visual cortex, we found that dark rearing rats from birth leads to an increase of the percentage of NR2B subunits of the NMDA receptor that are phosphorylated on Serine 1303. Increases in NR2B subunit phosphorylation in dark-reared rats were observed at both P21 (27%) and P30 (47%) which implies that modulation of NMDA subunit phosphorylation appears at the onset and continues during the critical period for ocular dominance plasticity in rats. Our results suggest that NR2B phosphorylation at Ser1303 is regulated by activity in rat visual cortex. There is evidence for PKC-mediated enhancement of NMDA receptor currents by direct phosphorylation of NR2B at Ser1303. Several studies have shown that visual deprivation increases the current duration of synaptic NMDA receptors. A putative molecular basis for this current enhancement could be the increased phosphorylation of NR2B subunit at ser1303.

Μελέτη της υπόθεσης ότι τα βασικά γάγγλια, μία κεντρική δομή του εγκεφάλου, συμμετέχει ενεργά στην επιλογή της κατάλληλης δράσης. Προσπάθεια μοντελοποίησης της λειτουργίας των βασικών γαγγλίων κια προσομοίωση παθολογικών καταστάσεων του ανθρώπινου εγκεφάλου. / Stydy of the hypothesis that the basal ganglia, a major structure in the mamalian brain, plays a crusial role in the selection of the appropriate action. In this direction we try to simulate the functionality of the basal ganglia as well the pathophysiological conditions (Parkinson, Huntington disease) related to them.

L’imagerie de source corticale joue un rôle important pour la compréhension fonctionnelle ou pathologique du cerveau. Elle permet d'estimer l'activation de certaines zones corticales en réponse à un stimulus cognitif donné et elle est également utile pour identifier la localisation des activités pathologiques, qui sont les premières étapes de l'étude des activations de réseaux neuronaux sous-jacents. Diverses méthodes d'investigation clinique peuvent être utilisées, des modalités d'imagerie (TEP, IRM) et magnéto-électroencéphalographie (EEG, SEEG, MEG). Nous souhaitions résoudre le problème à partir de données non invasives : les mesures de l'EEG de scalp, elle procure une résolution temporelle à la hauteur des processus étudiés Cependant, la localisation des sources activées à partir d'enregistrements EEG reste une tâche extrêmement difficile en raison de la faible résolution spatiale. Pour ces raisons, nous avons restreint les objectifs de cette thèse à la reconstruction de cartes d’activation des sources corticales de surface. Différentes approches ont été explorées. Les méthodes les plus simples d'imagerie corticales sont basées uniquement sur les caractéristiques géométriques de la tête. La charge de calcul est considérablement réduite et les modèles utilisés sont faciles à mettre en œuvre. Toutefois, ces approches ne fournissent pas d'informations précises sur les générateurs neuronaux et sur leurs propriétés spatiotemporelles. Pour surmonter ces limitations, des techniques plus sophistiquées peuvent être utilisées pour construire un modèle de propagation réaliste, et donc d'atteindre une meilleure reconstruction de sources. Cependant, le problème inverse est sévèrement mal posé, et les contraintes doivent être imposées pour réduire l'espace des solutions. En l'absence de modèle bioanatomique, les méthodes développées sont fondées sur des considérations géométriques de la tête ainsi que la propagation physiologique des sources. Les opérateurs matriciels de rang plein sont appliqués sur les données, de manière similaire à celle effectuée par les méthodes de surface laplacien, et sont basés sur l'hypothèse que les données de surface peuvent être expliquées par un mélange de fonctions de bases radiales linéaires produites par les sources sous-jacentes. Dans la deuxième partie de ces travaux, nous détendons la contrainte-de rang plein en adoptant un modèle de dipôles distribués sur la surface corticale. L'inversion est alors contrainte par une hypothèse de parcimonie, basée sur l'hypothèse physiologique que seuls quelques sources corticales sont simultanément actives ce qui est particulièrement valable dans le contexte des sources d'épilepsie ou dans le cas de tâches cognitives. Pour appliquer cette régularisation, nous considérons simultanément les deux domaines spatiaux et temporels. Nous proposons deux dictionnaires combinés d’atomes spatio-temporels, le premier basé sur une analyse en composantes principales des données, la seconde à l'aide d'une décomposition en ondelettes, plus robuste vis-à-vis du bruit et bien adaptée à la nature non-stationnaire de ces données électrophysiologiques. Toutes les méthodes proposées ont été testées sur des données simulées et comparées aux approches classiques de la littérature. Les performances obtenues sont satisfaisantes et montrent une bonne robustesse vis-à-vis du bruit. Nous avons également validé notre approche sur des données réelles telles que des pointes intercritiques de patients épileptiques expertisées par les neurologues de l'hôpital universitaire de Nancy affiliées au projet. Les localisations estimées sont validées par l'identification de la zone épileptogène obtenue par l'exploration intracérébrale à partir de mesures stéréo EEG. / Cortical Source Imaging plays an important role for understanding the functional and pathological brain mechanisms. It links the activation of certain cortical areas in response to a given cognitive stimulus, and allows one to study the co-activation of the underlying functional networks. Among the available acquisition modality, electroencephalographic measurements (EEG) have the great advantage of providing a time resolution of the order of the millisecond, at the scale of the dynamic of the studied process, while being a non-invasive technique often used in clinical routine. However the identification of the activated sources from EEG recordings remains an extremely difficult task because of the low spatial resolution this modality provides, of the strong filtering effect of the cranial bones and errors inherent to the used propagation model. In this work different approaches for the estimation of cortical activity from surface EEG have been explored. The simplest cortical imaging methods are based only on the geometrical characteristics of the head. The computational load is greatly reduced and the used models are easy to implement. However, such approaches do not provide accurate information about the neural generators and on their spatiotemporal properties. To overcome such limitations, more sophisticated techniques can be used to build a realistic propagation model, and thus to reach better source reconstruction by its inversion. However, such inversion problem is severely ill-posed, and constraints have to be imposed to reduce the solution space. We began by reconsidering the cortical source imaging problem by relying mostly on the observations provided by the EEG measurements, when no anatomical modeling is available. The developed methods are based on simple but universal considerations about the head geometry as well as the physiological propagation of the sources. Full-rank matrix operators are applied on the data, similarly as done by Surface Laplacian methods, and are based on the assumption that the surface can be explained by a mixture of linear radial basis functions produced by the underlying sources. In the second part of the thesis, we relax the full-rank constraint by adopting a distributed dipole model constellating the cortical surface. The inversion is constrained by an hypothesis of sparsity, based on the physiological assumption that only a few cortical sources are active simultaneously Such hypothesis is particularly valid in the context of epileptic sources or in the case of cognitive tasks. To apply this regularization, we consider simultaneously both spatial and temporal domains. We propose two combined dictionaries of spatio-temporal atoms, the first based on a principal components analysis of the data, the second using a wavelet decomposition, more robust to noise and well suited to the non-stationary nature of these electrophysiological data. All of the proposed methods have been tested on simulated data and compared to conventional approaches of the literature. The obtained performances are satisfactory and show good robustness to the addition of noise. We have also validated our approach on real epileptic data provided by neurologists of the University Hospital of Nancy affiliated to the project. The estimated locations are consistent with the epileptogenic zone identification obtained by intracerebral exploration based on Stereo-EEG measurements.

Οι ιπποκάμπιες συνάψεις επιδεικνύουν σημαντική ικανότητα για μακρόχρονη πλαστικότητα, η οποία θεωρείται ότι είναι η βάση της μνήμης και της μάθησης. Υπάρχουν ολοένα και αυξανόμενες αποδείξεις ότι αυτή η ικανότητα διαφέρει κατά μήκος του ιπποκάμπου, με τις συνάψεις της CA1 περιοχής του κοιλιακού ιπποκάμπου να επιδεικνύουν σημαντικά μικρότερη ικανότητα για μακρόχρονη ενίσχυση (LTP) σε σύγκριση με τις αντίστοιχες συνάψεις του ραχιαίου ιπποκάμπου, όταν ενεργοποιούνται με υψηλόσυχνο ερεθισμό. Στην παρούσα εργασία, δείχνουμε ότι μία μικρή συχνότητα ερεθισμού, των 10 Hz, επάγει μακρόχρονη ενίσχυση πιο αξιόπιστα στην περιοχή CA1 του ραχιαίου απ' ό,τι του κοιλιακού ιπποκάμπου. Προτείνουμε ότι η δραστηριότητα που επάγεται από του υποδοχείς α5GABAA παίζει έναν σημαντικό ρόλο στην ρύθμιση του κατωφλίου επαγωγής του LTP ειδικά στις συνάψεις της περιοχής CA1 του κοιλιακού ιπποκάμπου. Αυτό το γεγονός μπορεί να έχει σημαντικές συνέπειες για την λειτουργική εξειδίκευση κατά μήκος του ιπποκάμπου. / The hippocampal synapses display conspicuous ability for long-term plasticity which is thought to underlie learning and memory. Growing evidence shows that this ability differs along the long axis of the hippocampus, with the ventral CA1 hippocampal synapses displaying remarkably lower ability for long-term potentiation(LTP) compared with their dorsal counterpart when activated with high-frequency stimulation. Here, we show that low frequency, 10Hz stimulation induced LTP more reliably in DH than in VH CA1 field. Blockade of alpha5 subunit-containing GABAA receptors eliminated the difference between DH and VH. We propose that α5GABAA receptor-mediated activity plays a crucial role in regulating the threshold for induction of LTP especially at the ventral CA1 hippocampal synapses. This might have important implications for the functional specialization along the hippocampus.

Οι in vivo θ και γ ρυθμοί στον ιππόκαμπο συνυπάρχουν και θεωρείται ότι συμμετέχουν στην διαδικασία δημιουργίας και ανάκλησης των μνημονικών αναπαραστάσεων. Σε τομές ιπποκάμπου in vitro, βρήκαμε όμως ότι διαφοροποιείται η ικανότητα επαγωγής αυτών των ρυθμών στο κοιλιακό σε σχέση με το ραχιαίο άκρο του. Συγκεκριμένα, η καρβαχόλη σε συγκεντρώσεις 5-50μΜ προκάλεσε την εμφάνιση κυρίως γ ρυθμού στις κοιλιακές τομές (35/38 τομές), ενώ οι ραχιαίες τομές είτε έμειναν ρυθμικά σιωπηλές (26/48 τομές) είτε εμφάνισαν θ ρυθμική δραστηριότητα (17/48 τομές) ενώ γ δραστηριότητα εμφάνισαν σπάνια (9/48 τομές) και μόνο σε συγκεντρώσεις > 20 μΜ καρβαχόλης. Τα δεδομένα αυτά δείχνουν ότι οι τομές από κοιλιακό ιππόκαμπο συγκριτικά με αυτές από τον ραχιαίο παράγουν γ ρυθμό, πολύ πιο εύκολα, (με μικρότερη συγκέντρωση αγωνιστή) και με μεγαλύτερη συνέπεια. Αντίθετα οι ραχιαίες τομές οργανώνονται σε ρυθμική δραστηριότητα δυσκολότερα από τις κοιλιακές κι όταν το κάνουν, προτιμούν ρυθμική δραστηριότητα μικρότερης συχνότητας θ ή δ. Επίσης, δείχνουν ότι ο θ-ρυθμός δεν είναι γενικά η προτιμώμενη δραστηριότητα του ιπποκάμπου in vitro αλλά ότι η προτίμηση σε μια ρυθμική δραστηριότητα εξαρτάται από το μέρος του επιμήκη άξονα του ιπποκάμπου στο οποίο αναφερόμαστε. Η ισχύς των ρυθμικών ταλαντώσεων που οργανώθηκαν μετά τη χορήγηση καρβαχόλης στις κοιλιακές τομές, συσχετίζονταν με το βαθμό ανάπτυξης της αυθόρμητης δραστηριότητας από οξέα κύματα (SPWs) στις τομές αυτές και ήταν ανάλογη. Επιπλέον, τα δεδομένα μας δείχνουν ότι οι κοιλιακές τομές είναι ρυθμογενητικά ικανότερες συγκριτικά με τις ραχιαίες αφού η πλειοψηφία τους εμφάνισε τουλάχιστον μία ρυθμική δραστηριότητα (γ, 34/38 τομές) ενώ 17/34 τομές οργάνωσαν ταυτόχρονα διαφορετικές ρυθμικές ταλαντώσεις σε συχνότητες δ, θ ή/και β. Οι ταλαντώσεις αυτές ήταν παροδικές, ακολουθούσαν ένα ορισμένο χρονικό πρότυπο εμφάνισης και η εμφάνισή τους ήταν συσχετισμένη: η μία αποτελούσε μεταβατικό στάδιο στην εμφάνιση της επόμενης. Επειδή όλες οι ρυθμικές δραστηριότητες που οργανώθηκαν στις κοιλιακές τομές εκτός της γ, δεν συνυπήρχαν μεταξύ τους και η εμφάνισή τους ήταν εξαρτημένη, ενώ αντίθετα η γ δραστηριότητα μπορούσε να συνυπάρχει ταυτόχρονα με κάποια από αυτές, θεωρούμε ότι στις κοιλιακές τομές υπάρχουν τουλάχιστον δύο ανεξάρτητοι ταλαντωτές: ένας που παράγει ρυθμική δραστηριότητα γ και ακόμα ένας τουλάχιστον που παράγει τις άλλες δραστηριότητες. / Theta and gamma rhythms coexist and are believed they participate in the formation and recall of mnemonic representations. In hippocampal slices in vitro we found different ability of carbachol to induce rhythmic activity in slices from the ventral compared to the dorsal part. Carbachol in concentrations from 5 to 50μM induced mainly gamma oscillations in ventral slices (35/38) and no oscillations (26/48) or theta oscillations in dorsal slices (17/48). Gamma oscillations in dorsal slices where induced only in concentrations grater than 20μM Carbachol and in only 9/48 slices. These data show that ventral slices organize robust gamma oscillations much easier (at a smaller agonist concentration) and with a greater incidence. In contrast dorsal slices organize more rarely oscillatory activity and when they manage to they prefer activity of a lower frequency (at theta or delta band). Our data show that theta activity is not the preferred activity of hippocampus but its preference in a certain rhythmic activity depends on the part of its longitudinal axis that we refer to. The power of oscillations in ventral hippocampus was reciprocally correlated to the degree of spontaneously organized sharp wave activity under control conditions. Ventral slices are capable of organizing a variety of oscillatory activities: they mainly organize gamma oscillations (34/38 slices), but 17/34 slices produced oscillations in delta, theta and/or beta bands. These later oscillations were transient and correlated and followed a specific temporal pattern of appearance. Because all rhythmic activities encountered in ventral slices except for gamma oscillations, were dependent but not coinciding and gamma oscillations were independent from the later but could also coincide with them, we propose that in ventral slices there exist at least two independent oscillators: one capable of producing gamma activity and at least one more capable of producing the remaining ones.

Durant les dernières décennies, le système moteur a été largement étudié. Pourtant, bien des zones d'incertitudes persistent concernant d'une part la nature des circuits neuronaux de haut niveau impliqués dans l'émergence des sentiments d'intention ou de conscience motrice et d'autre part l'organisation des structures cérébrales de bas-niveau impliquées dans l'expression de ces sentiments. Il a été suggéré que le cortex pariétal et l'aire motrice supplémentaire pourraient jouer un rôle dans la génération des intentions motrices, alors que le cortex prémoteur pourrait plutôt sous-tendre la conscience du geste. Cela étant, les processus exacts implémentés dans chacune de ces régions, la façon dont elles interagissent fonctionnellement et la nature des signaux qu'elles échangent avec les structures sensorimotrices considérées de bas-niveau demeurent méconnus. Il est établi que ces structures bas-niveau, dont le cortex moteur primaire et le cervelet, contiennent des cartes sensorimotrices organisées de manière topographique. Cependant, l'organisation fine de cette topographie et la nature des interactions entre les différentes cartes restent à définir. Dans ce travail de thèse, j'ai utilisé la stimulation électrique directe chez des patients opérés de tumeurs et malformations cérébrales pour explorer la manière dont les multiples représentations motrices sont organisées et pour identifier les régions responsables de l'émergence des sentiments d'intention et de conscience motrice. J'ai alors pu montrer, en particulier, l'existence de cartes motrices multiples au sein des cortex moteur primaire et cérébelleux. Par ailleurs, j'ai pu identifier le rôle critique du cortex pariétal pour l'émergence du sentiment d'intention motrice et -sur la base de processus prédictifs- de la conscience d'agir. Par rapport à ce point, j'ai aussi pu mettre en évidence que le cortex prémoteur était impliqué, à travers un contrôle continu des prédictions pariétales, dans l'émergence d'une conscience d'agir non plus inférée mais véritable / During the last five decades, the motor system has been widely studied. Yet, little is known about the neural substrate of high-level aspects of movement such as intention and awareness and how these functions are related to low-level movement execution processes. It has been suggested that the parietal cortex and supplementary motor area are involved in generating motor intentions, while premotor cortex may play a role in the emergence of motor awareness. However, the precise mechanisms implemented within each of these areas, the way they interact functionally and the nature of the signals conveyed to primary sensory and motor regions is far from being understood. Furthermore, intention and awareness of movement are also influenced by peripheral information coming from the skin, muscles and joints, and this information must be integrated to produce smooth, accurate and coordinated motor actions. Cortical and subcortical structures such as the primary motor cortex and the cerebellum are known to contain motor maps thought to contribute to motor control, learning and plasticity, but the intrinsic organization of these maps and the nature of their reciprocal relations are still unknown. In this thesis I used Direct Electrical Stimulation in patients undergoing brain surgeries to investigate how multiple motor representations are organized and identify the regions responsible for the emergence of conscious motor intention and awareness. I showed, in particular, the existence of multiple efferent maps within the cerebellum and the precentral gyrus. Furthermore, I identified the critical role of the parietal cortex for the emergence of conscious intention and -based on predictive processes- motor awareness. I also provided evidence that the premotor cortex is involved in "checking" parietal estimations, thus leading to a sense of "veridical awareness"

Η ΒΥΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. / Ο ιππόκαμπος στον αρουραίο είναι μια δομή σε C-σχήμα που εκτείνεται από τον διαφραγματικό πυρήνα προσθιοραχιαία έως τον κροταφικό λοβό οπισθιοκοιλιακά. Παρόλο που από παλιά θεωρείτο ως ομοιογενής δομή, έχουν παρατηρηθεί πολλές διαφορές σε όλα τα επίπεδα οργάνωσης μεταξύ του διαφραγματικού και του κροταφικού ιππόκαμπου. Οι βενζοδιαζεπίνες δρουν στις θέσεις δέσμευσης των βενζοδιαζεπινών, οι οποίες είναι αλλοστερικά συνδεδεμένες με το σύμπλοκο του GABAA, όπου ενισχύουν την δράση του GABA στους GABAA υποδοχείς, αυξάνοντας τη συχνότητα ανοίγματος του διαύλου των ιόντων χλωρίου (Cl-) και έχοντας μικρή μόνο επίδραση στο χρόνο ανοίγματος ή στην αγωγιμότητα του διαύλου. Προηγούμενη μελέτη υποδεικνύει ότι η έκφραση των α1-, β2- και γ2-υπομονάδων ήταν μικρότερη, ενώ αντίθετα η έκφραση των α2-, α5- και β1-υπομονάδων ήταν μεγαλύτερη στον κροταφικό ιπποκάμπο σε σύγκριση με τον διαφραγματικό ιππόκαμπο. Σύμφωνα με προηγούμενες μελέτες που αφορούν την συνέκφραση των υπομονάδων στο σύμπλοκο του GABAA υποδοχέα τα αποτελέσματα μας υποδηλώνουν ότι ο α1β2-υποτύπος του GABAA υποδοχέα επικρατεί στον διαφραγματικό ιππόκαμπο (ΔΙ), ενώ ο α2β1-υπότυπος κυριαρχεί στον κροταφικό ιππόκαμπο (ΚΙ). Επιπλέον, φαρμακολογικές μελέτες έχουν δείξει ότι η καταπραϋντική δράση της diazepam πραγματοποιείται μέσω των GABAA υποδοχέων, που περιέχουν την α1-υπομονάδα, ενώ η αγχολυτική δράση της πραγματοποιείται μέσω των υποδοχέων που φέρουν την α2-υπομονάδα. Επομένως, η μελέτη των φαρμακολογικών ιδιοτήτων των υποτύπων του GABAΑ υποδοχέα δίνει την δυνατότητα στο να σχεδιαστούν ειδικά φάρμακα τα οποία θα βελτιώνουν το κλινικό προφίλ ασθενειών, όπως το άγχος, η αϋπνία ή η επιληψία, δρώντας σε εξειδικευμένους υποτύπους του GABAΑ υποδοχέα. Ο στόχος της συγκεκριμένης εργασίας ήταν να μελετηθούν οι φαρμακολογικές ιδιότητες των υποτύπων του συμπλόκου του GABAA υποδοχέα/βενζοδιαζεπινών στον διαφραγματικό σε σύγκριση με τον κροταφικό ιππόκαμπο επίμυος. Έτσι, για τη μελέτη των θέσεων δέσμευσης των βενζοδιαζεπινών μεταξύ του διαφραγματικού και κροταφικού ιπποκάμπου χρησιμοποιήθηκε ο ευρέως φάσματος αγωνιστής των θέσεων δέσμευσης των βενζοδιαζεπινών, [3H]-flunitrazepam, σε μια αυτοραδιογραφική μελέτη. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκαν εξειδικευμένα φάρμακα, που δεσμεύονται σε συγκεριμένους υποτύπους του GABAA υποδοχέα, όπως το zolpidem (ειδικός αγωνιστής των GABAA υποδοχέων, που περιέχουν την α1-υπομονάδα), το etomidate (ειδικός θετικός αλλοστερικός ρυθμιστής των GABAA υποδοχέων, που περιέχουν τη β2-υπομονάδα) και το L-655,708 (ειδικός αντίστροφος αγωνιστής των GABAA υποδοχέων, που περιεχούν την α5-υπομονάδα) σε μια αυτοραδιγραφική κινητική μελέτη. Τα αποτελέσματα μας έδειξαν ότι οι τομές που προέρχονταν από τον ΚΙ συγκρινόμενες με αυτές από τον ΔΙ είχαν: Α) μειωμένη δέσμευση της [3H]-flunitrazepam στις CA1, CA3 και DG περιοχές, Β) μικρότερη χημική συγγένεια της δέσμευση της [3H]-flunitrazepam στη CA1 περιοχή, Γ) καμία διαφορά στον αριθμό των θέσεων δέσμευσης, Δ) μεγαλύτερες τιμές IC50 και EC50 για το zolpidem και το etomidate, αντίστοιχα και Ε) μικρότερες τιμές IC50 για το L-655,708. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν διαφορετικές φαραμκολογικές ιδιότητες των υποτύπων του GABAΑ/ΒΖ υποδοχέα μεταξύ του ΔΙ και ΚΙ, ενώ επιβεβαιώνεται και ενισχύεται προηγούμενη μελέτη που υποδηλώνει ότι ο α1β2-υποτύπος του GABAA υποδοχέα επικρατεί στον διαφραγματικό ιππόκαμπο (ΔΙ), ενώ ο α2β1-υπότυπος κυριαρχεί στον κροταφικό ιππόκαμπο (ΚΙ). Η μελέτη αυτή είναι πιθανό να τυγχάνει ιδιαίτερης κλινικής αξίας, στην κατεύθυνση της ακριβέστερης ρύθμισης των αποτελεσματικών δόσεων των διάφορων μορίων που δρουν στις θέσεις δέσμευσης των βενζοδιαζεπινών των α1- και α2-υποτύπων του GABAA υποδοχέα. / The hippocampus in the rat appears grossly as an elongated structure with its long axis bending in a C-shaped manner from the septal nuclei rostrodorsally to the incipient temporal lobe caudoventrally. The long axis of the hippocampal formation is referred as the dorsoventral axis. Although hippocampus has been traditionally thought as a homogeneous structure, several studies have been demonstrated differences at several organization levels (from the behavioural to the cellular) between its dorsal (DH) and ventral (VH) pole. Pharmacological studies have shown that the α1-GABAA receptor subtype is associated with the sedative and anticonvulsant effects of benzodiazepines (BZs), whereas the α2-subtype is associated with the anxiolytic effects of BZs. Recent data have demonstrated a differential distribution of the GABAA receptor subunits between DH and VH, with the α1/β2 GABAA receptor subtype dominating in the DH and the α2/β1 subtype prevailing in the VH. We therefore study possible differences in the pharmacological properties and receptor binding parameters of the GABAA/BZ receptor subtypes between DH and VH, by examining: 1a) the specific binding of [3H]-flunitrazepam (BZ sites agonist), by using quantitative autoradiography, b) the kinetic parameters of [3H]-flunitrazepam specific binding, by using the “wipe off” technique and 2) the competitive displacement of [3H]-flunitrazepam binding by using zolpidem (a specific agonist of α1-subtype) and L-655,708 (a specific inverse agonist of α5-subtype) and the enhancement of [3H]-flunitrazepam binding by using etomidate (a selective positive modulator of β2- subunit), in an autoradiographical saturation kinetic study. Our results showed in VH compared to the DH: A) lower level of [3H]-flunitrazepam binding in CA1, CA3 and DG regions, B) higher KD value for [3H]-flunitrazepam specific binding in CA1 region and no differences in the Bmax value, C) higher IC50 and EC50 values for zolpidem and etomidate, respectively and D) lower IC50 values for L-655,708. In conclusion, the lower affinity of GABAA receptors for [3H]-flunitrazepam binding, the higher IC50 and EC50 values for zolpidem and etomidate, respectively, as well as the lower IC50 values for L-655,708 observed in VH compared to DH, support the evidence that the α1/β2-GABAA receptor subtype dominates in DH and the α2/β1-subtype prevails in VH and suggest differential pharmacological effects of the benzodiazepines in DH compared to VH, which could be of clinical relevence for the more accuate adjustment of the effective dose of α1- and α2-subtype specific BZ binding sites’ ligands.

Συναπτική διέγερση και αναστολή βρίσκονται σε συνεχή δυναμική ισορροπία, απαραίτητη για την καλή λειτουργία του ΚΝΣ. Ένα από τα βασικά ανασταλτικά κυκλώματα του εγκεφάλου είναι αυτό της παλίνδρομης αναστολής. Το πιο χαρακτηριστικό, ίσως, παράδειγμα του κυκλώματος αυτού βρίσκεται στη CA1 περιοχή του ιππόκαμπου, η οποία προσφέρεται για ηλεκτροφυσιολογικές μελέτες in vitro, λόγω της στρωματοειδούς οργάνωσης των κυκλωμάτων ιππόκαμπου. Πρόσφατες έρευνες έχουν δείξει διαφορές στη δομή και λειτουργία των δύο πόλων του ιππόκαμπου, καθιστώντας αναγκαία τη συγκριτική τους μελέτη. Στην εργασία αυτή χρησιμοποιήθηκαν εξωκυττάριες καταγραφές από την πυραμιδική στοιβάδα σε συνδυασμό με το πρωτόκολλο διπλού ορθόδρομου ερεθισμού (περιορισμένα) και το πρωτόκολλο αντίδρομου-ορθόδρομου ερεθισμού (εκτενέστερα) για τη μελέτη του πλάτους και της διάρκειας της παλίνδρομης αναστολής σε τομές ραχιαίου και κοιλιακού ιππόκαμπου από αρσενικούς επίμυες, καθώς και της επίδρασης επί αυτής μιας σειράς καταπραϋντικών φαρμάκων που δρουν ως αλλοστερικοί ενισχυτές του GABAA υποδοχέα. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν: Επαλήθευση της στρωματοειδούς οργάνωσης των κυκλωμάτων του ιππόκαμπου, με μεγαλύτερη κατευθυντικότητα των ανασταλτικών κυκλωμάτων στο ραχιαίο σε σχέση με τον κοιλιακό πόλο. Μεγαλύτερο πλάτος και διάρκεια και πιο αργή μείωση της παλίνδρομης αναστολής γενικά, και της GABAA συνιστώσας της ειδικότερα, στο ραχιαίο σε σχέση με τον κοιλιακό ιππόκαμπο. Ενίσχυση της παλίνδρομης αναστολής και στους δύο πόλους του ιππόκαμπου από διαζεπάμη, μιδαζολάμη, ζολπιδέμη, φαινοβαρβιτάλη, θειοπεντάλη, πεντοβαρβιτάλη, αλφαξαλόνη και προποφόλη. Συσχέτιση της αύξησης του πλάτους της αναστολής και της διάρκειας της ενίσχυσής της με την κλινική δράση της κάθε συγκέντρωσης φαρμάκου. Ενίσχυση της αποκλειστικά GABAA εξαρτώμενης αναστολής από υψηλές συγκεντρώσεις θειοπεντάλης και αλφαξαλόνης που δοκιμάστηκαν ενδεικτικά πολύ πέρα από τα φυσιολογικά χρονικά όριά της. Μεγαλύτερη διάρκεια ενίσχυσης της συναπτικής αναστολής από τις σχετικά υψηλότερες δόσεις φαρμάκων στο ραχιαίο σε σχέση με τον κοιλιακό πόλο. Έλλειψη δράσης του νευροστεροειδούς αλλοπρεγνανολόνη και των συνθετικών παραγώγων του στη συναπτική αναστολή. Περιορισμένος αριθμός in vivo πειραμάτων εκτίμησης της επίδρασης της αλλο-πρεγνανολόνης και των παραγώγων της στην αναστολή με το μοντέλο ελέγχου επιληπτικών κρίσεων που προκαλούνται από PTZ έδειξε πως, ενώ τα συνθετικά παράγωγα δεν είχαν καμία δράση, η αλλοπρεγνανολόνη είχε σημαντική θετική δράση / Synaptic excitation and inhibition are maintained in dynamic equilibrium, necessary for the proper function of the CNS. One of the basic inhibitory circuits of the brain is that of recurrent inhibition. The most distinctive example of recurrent inhibition occurs in the CA1 region of the hippocampus, a region particularly suited to in vitro electrophysiological investigations because of the unique lamellar organization of hippocampal circuits. Recent research has uncovered considerable differences in the structure and function of the two poles of the hippocampus necessitating a comparative study. In this study we used extracellular recordings from the pyramidal cell layer of dorsal and ventral rat hippocampal slices, in conjunction with limited use of the double orthodromic and more extensive use of the paired antidromic-orthodromic stimulation protocol in order to study the CA1 recurrent inhibition and the effects of a series of sedative drugs, with GABAA allosteric modulator properties, on it. The results of these experiments showed: A verification of the lamellar organization of hippocampal circuits. Dorsal pole inhibitory circuits showed a greater orientation specificity than ventral pole ones. A greater size and duration and a slower decay of recurrent inhibition in general, and of its GABAA-mediated component in particular, in dorsal compared to ventral hippocampus. An enhancement of recurrent inhibition in both hippocampal poles produced by diazepam, midazolam, zolpidem, phenobarbital, thiopental, pentobarbital, alfaxalone and propofol. A correlation between the enhancement of the size of recurrent inhibition or the duration of its enhancement and the clinical actions of every drug concentration tested. An enhancement of the exclusively GABAA-mediated recurrent inhibition by representative high concentrations of thiopental and alfaxalone well beyond its normal duration. A greater duration of recurrent inhibition enhancement by the relatively higher drug concentrations in dorsal compared to ventral hippocampus. A lack of action on synaptic inhibition by the neurosteroid allopregnanolone and its synthetic derivatives. A limited number of in vivo experiments assessing the effect of allopregnanolone and its derivatives on synaptic inhibition, measured as their ability to control epileptic seizures induced by acute injections of PTZ, showed that the synthetic derivatives had no effect whereas allopregnanolone had a significant positive effect.