Une des caractéristiques les plus singulières de l’activité corticale est son degré élevé de variabilité. Ma thèse dedoctorat s’est focalisée sur l’étude de (i) l’irrégularité des intervalles entre potentiels d’action (PAs)successivement émis par un neurone, et (ii) la variabilité dans l’évolution temporelle de l’activité d’un ensemblede neurones. Premièrement, j’ai étudié l’irrégularité des neurones enregistrés dans le cortex moteur de singesmacaques performant une tâche d’estimation du temps et de préparation à l’action. J’ai montré que l’irrégularitén’est pas un paramètre libre de l’activité neuronale, contrairement au taux de PAs, mais est déterminée par lescontraintes structurelles des réseaux neuronaux. Deuxièmement, j’ai utilisé le modèle de Markov caché (MMC)pour analyser l’activité d’ensembles de neurones enregistrés dans plusieurs aires corticales, sensorielles etmotrices, de singes exécutant une tâche de discrimination tactile. J’ai montré que les processus sensoriels etdécisionnels sont distribués dans plusieurs aires corticales. Les résultats suggèrent que l’action et la décision surlaquelle elle est basée sont reliées par une cascade d’évènements non stationnaires et stochastiques. Finalement,j’ai utilisé le MMC pour caractériser l’activité spontanée d’un ensemble de neurones du cortex préfrontal d’unrat. Les résultats montrèrent que l’alternance entre les états UP et DOWN est un processus stochastique etdynamique. La variabilité apparaît donc aussi bien pendant l’activité spontanée que pendant le comportementactif et semble être contrainte par des facteurs structurels qui, à leur tour, contraignent le mode d’opération desréseaux neuronaux. / A hallmark of cortical activity is its high degree of variability. The present work focused on (i) the variability ofintervals between spikes that single neurons emit, called spike time irregularity (STI), and (ii) the variability inthe temporal evolution of the collective neuronal activity. First, I studied the STI of macaque motor corticalneurons during time estimation and movement preparation. I found that although the firing rate of the neuronstransmitted information about these processes, the STI of a neuron is not flexible and is determined by thebalance of excitatory and inhibitory inputs. These results were obtained by means of an irregularity measure thatI compared to other existing measures. Second, I analyzed the neuronal ensemble activity of severalsomatosensory and motor cortical areas of macaques during tactile discrimination. I showed that ensembleactivity can be effectively described by the Hidden Markov Model (HMM). Both sensory and decision-makingprocesses were distributed across many areas. Moreover, I showed that decision-related changes in neuronalactivity rely on a noise-driven mechanism and that the maintenance of the decision relies on transient dynamics,subtending the conversion of a decision into an action. Third, I characterized the statistics of spontaneous UP andDOWN states in the prefrontal cortex of a rat, using the HMM. I showed that state alternation is stochastic andthe activity during UP states is dynamic. Hence, variability is prominent both during active behavior andspontaneous activity and is determined by structural factors, thus rending it inherent to cortical organization andshaping the function of neural networks.

La transmission cholinergique, et notamment muscarinique, joue un rôle déterminant dans le système nerveux central au niveau de la modulation de la plasticité neuronale. La libération d'ACh dans le cortex visuel est concomitante à la présentation de stimuli visuels. Par son action sur la transmission neuronale corticale, l'ACh module à long terme les réponses à de nouveaux stimuli sensoriels. Dans la présente étude, l'implication du système cholinergique au niveau du développement cortical et de la plasticité inductible chez l'adulte a été étudiée par les techniques d'imagerie optique des signaux intrinsèques et d'immunohistochimie chez le rongeur. Ces deux techniques de cartographie de l'activité corticale nous ont permis d'évaluer, d'une part, l'impact modulatoire de l'acétylcholine (ACh) et de ses récepteurs muscariniques (mAChRs, M1 à M5) sur l'organisation fonctionnelle du cortex visuel chez des souris déficitaires pour les mAChRs et, d'autre part, l'impact de la libération d'ACh lors d'un entraînement visuel, sur le nombre, la nature neurochimique et la localisation au niveau des couches corticales des neurones corticaux activés. L'implication du système cholinergique sur la cartographie du cortex visuel primaire a été étudiée sur les souris génétiquement modifiées délétères (knock out : KO) pour différentes combinaisons de sous-types de mAChRs. L'imagerie des signaux intrinsèques, basée sur les changements de réflectance corticale de la lumière survenant lors de la consommation d'oxygène par les neurones activés, a permis de déterminer, lors de stimulations visuelles, les différentes composantes des propriétés des neurones du cortex visuel. La taille des champs récepteurs des neurones est diminuée lors de l'absence du récepteur M1 ou de la combinaison M1/M3. Le champ visuel apparent est augmenté chez les souris M2/M4-KO mais diminué chez les M1-KO. La finesse des connectivités neuronales (évaluée par la mesure du scatter du signal) est réduite lors de l'absence des récepteurs M2/M4. Finalement, chez les animaux M1/M3-KO, une diminution de l'acuité visuelle est observée. L'effet à long-terme d'un entraînement visuel couplé à une stimulation des neurones cholinergiques sur la distribution et la nature des neurones immunoréactifs au c-Fos, c'est-à-dire les neurones activés, a été évalué. Puisque cette stimulation combinée est en mesure de produire des modifications comportementales, notamment au niveau de l'acuité visuelle, il devenait intéressant de s'attarder aux modifications neuroanatomiques et de déterminer quels éléments de l'équilibre excitateur/inhibiteur sont compromis chez ces animaux. Les résultats obtenus démontrent que les animaux ayant reçu une combinaison de l'entraînement cholinergique et visuel présentent une augmentation du marquage c-Fos comparativement aux animaux n'ayant reçu que la stimulation cholinergique. D'autre part, chez ces animaux, il est possible d'observer des modifications de l'équilibre excitateur/inhibiteur qui correspond au potentiel plastique de la région. En conclusion, ces études démontrent un rôle important du système cholinergique dans le développement, la maturation et la plasticité du système visuel cérébral. / The cholinergic transmission, including the muscarinic receptors, plays a role in the central nervous system modulating neuronal plasticity. ACh is released in the visual cortex during the presentation of visual stimuli. By its action on cortical neuronal transmission, ACh modulates long-term responses to new sensory stimuli. In the present study, the involvement of the cholinergic system in cortical development and inductible plasticity in adults was investigated by optical imaging of intrinsic signals and immunohistochemistry in rodents. These two mapping techniques of cortical activity allowed us to evaluate 1) the modulatory effect of acetylcholine (ACh) and its muscarinic receptors (mAChRs, M1 to M5) on the functional organization of the visual cortex in mice deficient of mAChRs and 2) the impact of ACh release during a visual training on the number, neurochemical nature and location of activated neurons in the cortical layers. The involvement of the cholinergic system on the mapping of the primary visual cortex was studied in mice knockout (KO) for different combinations of mAChRs subtypes. Intrinsic signals imaging, based on fluctuations in cortical light reflectance during oxygen consumption by activated neurons, was used to assess the various properties of neurons in the visual cortex during visual stimulation. The size of the neuronal receptive fields is reduced in the absence of M1 receptor or the combination M1/M3. The apparent visual field is increased in M2/M4-KO mice but decreased in M1-KO. The sharpness of neuronal connectivity (assessed by the measure of the scatter) is reduced in the absence of M2/M4 receptors. Finally, in M1/M3-KO animals, a decrease in visual acuity was observed. The effect of long-term visual training coupled with the stimulation of cholinergic neurons on the distribution and nature of immunoreactive neurons in c-Fos, the activated neurons, was evaluated. Since this combined stimulation is able to produce behavioral changes, especially in terms of visual acuity, it was interesting to focus on neuroanatomical modifications and determine which elements of the excitatory / inhibitory balance were compromised in these animals. The results showed that animals which received a combination of visual and cholinergic training presented an increase in c-Fos labeling compared to animals that received only the cholinergic stimulation. Moreover, in these animals, it is possible to observe changes in the excitatory / inhibitory balance which corresponds to the potential of plasticity in the region. In conclusion, these studies demonstrate an important role of the cholinergic system in the development, maturation and plasticity of the cerebral visual system.

Le système cholinergique est impliqué dans les phénomènes d’attention, de mémoire et d’apprentissage et les récepteurs cholinergiques régulent de multiples fonctions du système nerveux central. Néanmoins, leur rôle au niveau de la modulation des propriétés du cortex visuel reste à être établi. L’un des objectifs de cette thèse était d’étudier le rôle des récepteurs muscariniques impliqués dans le fonctionnement normal du cortex visuel. Nous avons pu déterminer que les récepteurs muscariniques sont impliqués dans l’établissement de nombreuses propriétés visuelles telles la taille des champs récepteurs, la sensibilité au contraste, la sélectivité à la fréquence spatiale et la finesse de la connectivité corticale. L’autre objectif était d’identifier les récepteurs cholinergiques impliqués dans la potentiation des capacités visuelles. Nous avons amélioré le traitement cognitif de l’information visuelle par stimulation électrique du télencéphale basal (noyau où sont localisés les corps cellulaires cholinergiques) et par la stimulation cholinergique par le donépézil, un inhibiteur de l’acétylcholinestérase. La combinaison répétée d’une stimulation visuelle et cholinergique (qu’elle soit électrique ou pharmacologique) améliore similairement l’activité corticale visuelle. Toutefois, les récepteurs impliqués ne sont pas les mêmes. Suite à la stimulation pharmacologique, ce sont principalement les récepteurs muscariniques qui influencent l’acuité visuelle de manière tardive et cette modulation est plus précoce lors de la stimulation électrique. Ces résultats démontrent que le couplage répétitif d’une stimulation cholinergique et d’une stimulation visuelle est en mesure d’améliorer l’activité corticale visuelle. Le fait de connaître les récepteurs cholinergiques impliqués permettra dans un futur proche de les cibler directement pour améliorer la fonction corticale. / The cholinergic system is involved in attention, learning and memory and cholinergic receptors regulate multiple functions of the central nervous system. Nevertheless, their role in modulating the properties of the visual cortex remains to be established. One of the objectives of this thesis was to study the role of muscarinic receptors involved in the normal function of the visual cortex. We have been able to determine that the muscarinic receptors are involved in the establishment of many visual properties such as the size of the receptor fields, contrast sensitivity, spatial frequency selectivity and accuracy of the cortical connectivity. The other objective was to identify the cholinergic receptors involved in the potentiation of visual abilities. We improved the cognitive processing of visual information by electrical stimulation of the basal forebrain (the nucleus where the cholinergic cell bodies are located) and by cholinergic stimulation using donepezil, an acetylcholinesterase inhibitor. The repeated combination of visual and cholinergic stimulations (whether electrical or pharmacological) similarly enhances visual cortical activity. However, the receptors involved are not the same. Following the pharmacological stimulation, it is mainly the muscarinic receptors that influence visual acuity with a delay in the receptors expression and this modulation is earlier for the electrical stimulation. These results demonstrate that repetitive coupling of cholinergic stimulation and visual stimulation can enhance visual cortical activity. Knowing the cholinergic receptors involved will allow in a near future to target them directly to improve cortical function.