La survie des individus dépend de leur capacité d’anticiper la survenue d’une récompense ou d’un danger leur permettant ainsi de s’adapter à leur environnement. De considérables efforts ont été réalisés pour identifier les mécanismes cellulaires et synaptiques ayant lieu au niveau du circuit de la récompense afin d’avoir une meilleure compréhension des processus sous tendant des états motivationnels physiologiques et pathologiques tels que l’addiction et la dépression. Pour autant, ce n’est que récemment qu’on commence à comprendre les circuits capables de contrôler les systèmes monoaminergiques mésencéphaliques et leurs contributions aux comportements motivés. Dans les dernières décennies l’habénula latérale (LHb) a émergé comme un acteur majeur capable d’encoder des stimuli de valeur motivationnelle et de contrôler les systèmes monoaminergiques. La connectivité de cette structure épithalamique joue un rôle clé dans différents aspects des comportements motivationnels, comme l’approche et la fuite. Des avancées récentes ont aussi démontré que des altérations de la fonction de la LHb entrainent des états émotionnels négatifs caractéristiques de la dépression et l’addiction. Ces observations suggèrent que la LHb pourrait s’avérer une cible importante pour le traitement de ces pathologies. Au cours de mon travail de thèse, j’ai d’abord cherché à comprendre comment moduler la transmission synaptique au niveau de la LHb pouvait contrôler son activité. Pour répondre à cette question, je me suis focalisée sur le rôle des récepteurs métabotropiques au glutamate (mGluRs). Dans une seconde étude, j’ai examiné les mécanismes par lesquels les drogues d’abus modifient la transmission synaptique des neurones de la LHb. Ces modifications se produisent spécifiquement dans les neurones LHb se projetant vers le noyau tegmental rostral (RMT) et sont nécessaires pour l’émergence des états dépressifs. Dans un premier temps, nous avons démontré qu’au niveau de la LHb les mGluRs de type I sont capables d’induire une dépression à long terme de la transmission synaptique excitatrice (eLTD) et inhibitrice (iLTD). Ces deux formes de plasticité dépendent de la signalisation PKC, mais requièrent des mécanismes d’expression différents. Tandis que eLTD réduit la probabilité de libération du glutamate via l’activation de récepteurs présynaptiques aux endocannabinoides (CB1), iLTD s’exprime par la réduction de la fonction des récepteurs GABAA postsynaptiques contenant la sous-unité β2. De plus, eLTD and iLTD exercent un contrôle bidirectionnel sur la décharge des neurones de la LHb. Dans un second temps, nous avons mis en évidence qu’une exposition chronique à la cocaïne produit une augmentation persistante de la transmission excitatrice au niveau des neurones de la LHb ciblant le RMTg. Cette forme de potentialisation synaptique nécessite l’insertion membranaire de récepteurs contenant la sous-unité GluA1, ainsi que la réduction de conductances potassiques entrainant une hyperexcitabilité neuronale in vitro et in vivo dans la LHb. Ces modifications sont nécessaires pour l’établissement d’états dépressifs émergeant lors de la période de sevrage à la cocaïne. En conclusion, ce travail a contribué à la compréhension de mécanismes de plasticité synaptique ayant lieu au niveau de la LHb et leurs répercussions pour son activité contrôlant ainsi des comportements motivationnels. / The capacity of the brain to anticipate and seek future rewards or alternatively escape aversive events allows individuals to adapt to their environment. A considerable research effort has focused on unraveling the cellular and synaptic mechanisms within the meso-cortico-limbic system underlying motivational processing both in physiological conditions and in pathologies such as addiction and depression. However, only recently we begin to understand the circuit substrates capable to control midbrain monoaminergic nuclei and their contribution to motivated behaviors. The Lateral Habenula (LHb) has emerged in the last decade, as a major player encoding stimuli with motivational value and in controlling monoaminergic systems. The wiring of this epithalamic structure subserves discrete features of motivated behaviors, including preference and avoidance. Recent advances have also demonstrated that aberrant modifications in LHb function trigger negative emotional states in disorders including depression and addiction, highlighting the LHb as an important brain target for therapeutic intervention for these pathological states. In my thesis work I first sought to investigate how modulation of synaptic transmission in the LHb controls neuronal activity, especially focusing on the role of metabotropic glutamate receptors. In a second study, I expanded my work examining how drug experience changes synaptic transmission in a precise habenular circuit that we discovered to be crucial for depressive states during cocaine withdrawal. In an initial data set, we found that, in the LHb, metabotropic glutamate receptor 1 activation drives a PKC-dependent long term depression of excitatory (eLTD) and inhibitory (iLTD) synaptic transmission. Despite the common induction, eLTD and iLTD diverged in their expression mechanism. While eLTD required endocannabinoid-dependent reduction of glutamate release, iLTD expressed postsynaptically through a decrease of β2-containing GABAA receptors function. Further, eLTD and iLTD bidirectionally controlled LHb neuronal output. In a second study, we showed that chronic cocaine exposure leads to a persistent and projection-specific increase of excitatory synaptic transmission onto LHb neurons. This form of synaptic potentiation required membrane insertion of GluA1-containing AMPA receptors and a reduction in potassium channels function ultimately leading to increased LHb neuronal excitability both in vitro and in vivo. These cocaine-driven adaptations within the LHb were instrumental for depressive-like states emerging after drug withdrawal. Altogether this work demonstrates how synaptic plasticity in the LHb affects neuronal output and thereby contributes to behaviors associated with the pathology of motivation.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le temps est une dimension universelle traitée par les systèmes sensoriels, qui est essentielle pour attribuer un sens à des stimuli comme la parole ou la musique pour l'audition. Cependant, les mécanismes requis pour le traitement temporel restent en grande part méconnus. Dans cette thèse, nous avons examiné un type de mécanisme faisant sans doute partie intégrante de tout traitement temporel : la formation de nouvelles traces mnésiques pour l’information temporelle. Nous avons étudié principalement la modalité auditive, mais aussi d'autres modalités sensorielles, comme le toucher, la vision, et la stimulation électrique directe du système auditif périphérique avec un implant cochléaire. Toutes les expériences ont utilisé un nouveau paradigme expérimental, adapté de précédentes études conçues pour étudier la mémoire auditive (Agus, Thorpe, & Pressnitzer, 2010). Au lieu d'utiliser du bruit comme stimulus, nous avons utilisé des séquences d’intervalles de temps irréguliers délimités par de brèves impulsions d'énergie, adaptées à la modalité étudiée. Dans une première série d'expériences, nous avons étudié la modalité auditive chez des auditeurs normo-entendants, en utilisant des trains de clics audio comme stimuli. Nous avons démontré, pour la première fois, un apprentissage rapide de sons contenant uniquement des informations temporelles. Dans une seconde série d'expériences, nous avons appliqué le même paradigme à trois modalités sensorielles (audition, toucher et vision), en utilisant des clics audio, des impulsions de mouvement au bout des doigts, et des flashs de lumière pour délimiter les intervalles de temps dans les différences modalités. Nous avons observé des formes qualitativement similaires d'apprentissage perceptif pour les trois modalités, avec un apprentissage rapide dans tous les cas, ainsi qu'un transfert d'apprentissage au toucher ou à la vision pour des séquences initialement apprises de façon auditive. Dans une troisième série d'expériences, nous avons testé des malentendants stimulés électriquement par leur implant cochléaire avec des séquences d'impulsions irrégulières. Nous avons trouvé des indications d’une plasticité préservée pour l'apprentissage rapide des informations temporelles chez ces auditeurs. Enfin, nous présentons des résultats préliminaires en utilisant une nouvelle technique susceptible de révéler certains des mécanismes neuronaux sous-jacents à l'apprentissage perceptuel rapide. Nous avons mesuré la dilatation pupillaire pendant que les auditeurs effectuaient la tâche de mémoire auditive et observé des changements systématiques de la taille de la pupille avec l'apprentissage. En conclusion, la thèse montre une capacité remarquable des systèmes perceptifs à apprendre des séquences temporelles complexes lorsqu'elles apparaissent plusieurs fois dans l'environnement, et suggère de nouvelles méthodes expérimentales pour étudier plus avant les mécanismes neuronaux sous-jacents. / Time is a universal feature of all information processed by sensory systems, and temporal patterning is often essential for attributing meaning to external stimuli such as speech or music in audition. However, many of the mechanisms needed for temporal processing are still unclear. In this thesis, we investigated one type of mechanism arguably integral to any kind of temporal processing: the formation of novel memories for temporal patterns. We studied mainly the auditory modality, but also other sensory modalities such touch, vision, and electric hearing with a cochlear implant. All experiments used a novel experimental paradigm, adapted from a previous study designed to explore auditory memory of random noise (Agus, Thorpe, & Pressnitzer, 2010). Instead of using noise as the complex stimulus to learn, we used irregular time patterns made of random time intervals delineated by modality-adapted brief energy pulses. In a first series of experiments, we investigated the auditory modality in normal hearing listeners, using click trains as stimuli. We demonstrated for the first time a rapid learning of stimuli containing solely temporal cues. In a second series of experiments, we applied the same paradigm to multiple sensory modalities (audition, touch, and vision), using audio clicks, motion pulses to the fingertips, and light to delineate time intervals. We found a qualitatively similar forms of perceptual learning for all three modalities, with rapid learning in all cases, as well as a transfer of learning to touch or vision for patterns learnt initially learnt in audition. In a third series of experiments, we tested hearing impaired listeners stimulated through their cochlear implant with sequences of electrical pulses. We found evidence for preserved plasticity for the rapid learning of time patterns in those listeners. Finally, we present preliminary data using a novel technique for studying the underlying neural mechanisms of rapid perceptual learning. We measured pupil dilation while listeners performed the memory task and observed systematic changes in pupil size with perceptual learning. In conclusion, the thesis shows a remarkable ability of perceptual systems to learn complex time patterns as they re-occur in the environment, and suggests new experimental methods to further study the underlying neural mechanisms.

L'élagage massif des synapses après une croissance excessive est une phase normale de la maturation du cerveau des mammifères. L'élagage commence peu avant la naissance et est complété avant l'âge de la maturité sexuelle. Les facteurs déclenchants capables d'induire l'élagage des synapses pourraient être liés à des processus dynamiques qui dépendent de la temporalité relative des potentiels d'actions. La plasticité synaptique à modulation temporelle relative STDP correspond à un changement de la force synaptique basé sur l'ordre des décharges pré- et post-synaptiques. La relation entre l'efficacité synaptique et l'élagage des synapses suggère que les synapses les plus faibles pourraient être modifiées et retirées au moyen d'une règle "d'apprentissage" faisant intervenir une compétition. Cette règle de plasticité pourrait produire le renforcement des connections parmi les neurones qui appartiennent à une assemblée de cellules caractérisée par des motifs de décharge récurrents. A l'inverse, les connections non activées de façon récurrente pourraient voir leur efficacité diminuée et être finalement éliminées. Le but principal de notre travail est de déterminer dans quelles conditions de telles assemblées pourraient émerger d'un réseau d'unités integrate-and-fire connectées aléatoirement à la surface d'une grille bidimensionnelle recevant à la fois du bruit et des entrées organisées dans les dimensions temporelle et spatiale. L'originalité de notre étude tient dans la taille relativement grande du réseau, 10'000 unités, dans la durée des simulations, 1 million d'unités de temps, et dans l'utilisation d'une règle STDP originale compatible avec une implémentation matérielle.

Le néocortex est une région du cerveau qui traite toutes les entrées sensorielles et créé des réponses comportementales. Il est subdivisé en zones fonctionnelles, chacune ayant une cytoarchitecture, un motif d’expression génique et un profil de connectivité spécifiques. L'organisation en zones est pré-modelée par des gènes organisateurs, et ensuite affinée par l’activité sensorielle. Dans cette étude, j'ai étudié d'abord si ce pré-modelage est établi dans les progéniteurs et/ou les cellules post-mitotiques, et si l'activité neuronale spontanée est nécessaire pour l’établissement de la connectivité correcte entre néocortex et thalamus, station relais principale des données sensorielles. Avec l'aide d'une série de souris transgéniques, j’ai montré que la fonction du gène organisateur COUP-TFI est suffisante et nécessaire pour organiser l'identité sensorielle dans les cellules post-mitotiques, et que COUP-TFI régule l'activité intrinsèque des neurones corticaux, influençant la bonne intégration des entrées thalamiques dans le cortex somatosensoriel. J’ai montré que COUP-TFI contrôle directement l'expression du gène Egr1, qui dépend fortement de l'activité neuronale. COUP-TFI et Egr1 agissent sur l'acquisition de la morphologie des cellules étoilées dans les neurones de la couche 4, cibles principales des axones thalamiques et trait typique des zones somatosensoriels primaires. En conclusion, ce travail montre que le pré-modelage cortical dépend primordialement d’un programme génétique établi dans les cellules post-mitotiques et que l'activité intrinsèque et les propriétés génétiques agissent ensemble pour façonner l'organisation des premiers circuits dans le néocortex. / The neocortex is a region of the brain that processes all sensory inputs creating appropriate behavioral responses. It is subdivided into functional areas, each with a specific cytoarchitecture, gene expression pattern and connectivity profile. The organization into areas is pre-patterned by the action of areal patterning genes, and subsequently refined by sensory evoked activity. In this study, I have first investigated whether early areal patterning is committed in progenitor and/or post-mitotic cells, and then assessed whether spontaneous neuronal activity is required in establishing correct connectivity between the neocortex and the thalamus, the principal relay station of peripheral sensory inputs. With the help of a series of transgenic mice, my work showed that the function of the areal patterning gene COUP-TFI is sufficient and necessary to organize sensory identity in post-mitotic cells, and that COUP-TFI regulates intrinsic activity properties of cortical neurons, and thus proper integration of thalamic inputs into the somatosensory cortex. In particular, I found that COUP-TFI directly controls the expression of the immediate early gene Egr1, which expression levels strongly depend on neuronal activity. Both COUP-TFI and Egr1 act on the acquisition of the stellate cell morphology of layer 4 neurons, the main targets of thalamic axons and a typical trait of primary somatosensory areas. In conclusion, this work demonstrates that cortical area patterning primordially depends on a genetic program established in post-mitotic cells and that intrinsic genetic and activity properties act together to shape the organization of early circuits in the neocortex.

Dans le cortex visuel des mammifères, une cellule à panier (BC) qui représente un sous-type majoritaire d’interneurones GABAergiques, innerve une centaine de neurones par une multitude de synapses localisées sur le soma et sur les dendrites proximales de chacune de ses cibles. De plus, ces cellules sont importantes pour la génération des rythmes gammas, qui régulent de nombreuses fonctions cognitives, et pour la régulation de la plasticité corticale. Bien que la fonction des BC au sein des réseaux corticaux est à l'étude, les mécanismes qui contrôlent le développement de leur arborisation complexe ainsi que de leurs nombreux contacts synaptiques n’ont pas été entièrement déterminés. En utilisant les récepteurs allatostatines couplés aux protéines G de la drosophile (AlstR), nous démontrons in vitro que la réduction de l'excitation ainsi que la réduction de la libération des neurotransmetteurs par les BCs corticales individuelles des souris, diminuent le nombre de cellules innervées sans modifier le patron d'innervation périsomatique, durant et après la phase de prolifération des synapses périsomatiques. Inversement, lors de la suppression complète de la libération des neurotransmetteurs par les BCs individuelles avec l’utilisation de la chaîne légère de la toxine tétanus, nous observons des effets contraires selon le stade de développement. Les BCs exprimant TeNT-Lc pendant la phase de prolifération sont caractérisées par des arborisations axonales plus denses et un nombre accru de petits boutons homogènes autour des somas innervés. Toutefois, les cellules transfectées avec TeNT-Lc après la phase de la prolifération forment une innervation périsomatique avec moins de branchements terminaux d’axones et un nombre réduit de boutons avec une taille irrégulière autour des somas innervés. Nos résultats révèlent le rôle spécifique des niveaux de l’activité neuronale et de la neurotransmission dans l'établissement du territoire synaptique des cellules GABAergiques corticaux. Le facteur neurotrophique dérivé du cerveau (BDNF) est un modulateur puissant de la maturation activité-dépendante des synapses GABAergiques. Grâce à l'activation et à la signalisation de son récepteur tyrosine kinase B (TrkB), la liaison de mBDNF module fortement la prolifération des synapses périsomatiques GABAergiques formés par les BCs. Par contre, le rôle du récepteur neurotrophique de faible affinité, p75NTR, dans le développement du territoire synaptique des cellules reste encore inconnu. Dans ce projet, nous démontrons que la suppression de p75NTR au niveau des BCs individuelles in vitro provenant de souris p75NTRlox induit la formation d'une innervation périsomatique exubérante. BDNF est synthétisé sous une forme précurseur, proBDNF, qui est par la suite clivée par des enzymes, y compris la plasmine activée par tPA, pour produire une forme mature de BDNF (m)BDNF. mBDNF et proBDNF se lient avec une forte affinité à TrkB et p75NTR, respectivement. Nos résultats démontrent qu’un traitement des cultures organotypiques avec la forme résistante au clivage de proBDNF (mut-proBDNF) réduit fortement le territoire synaptique des BCs. Les cultures traitées avec le peptide PPACK, qui inactive tPA, ou avec tPA altèrent et favorisent respectivement la maturation de l’innervation synaptique des BCs. Nous démontrons aussi que l’innervation exubérante formée par les BCs p75NTR-/- n’est pas affectée par un traitement avec mut-proBDNF. L’ensemble de ces résultats suggère que l'activation de p75NTR via proBDNF régule négativement le territoire synaptique des BCs corticaux. Nous avons ensuite examiné si mut-proBDNF affecte l’innervation périsomatique formée par les BCs in vivo, chez la souris adulte. Nous avons constaté que les boutons GABAergiques périsomatiques sont significativement diminués dans le cortex infusé avec mut-proBDNF par rapport à l’hémisphère non-infusé ou traité avec de la saline. En outre, la plasticité de la dominance oculaire (OD) est rétablie par ce traitement chez la souris adulte. Enfin, en utilisant des souris qui ne possèdent pas le récepteur p75NTR dans leurs BCs spécifiquement, nous avons démontré que l'activation de p75NTR via proBDNF est nécessaire pour induire la plasticité de la OD chez les souris adultes. L’ensemble de ces résultats démontre un rôle critique de l'activation de p75NTR dans la régulation et le maintien de la connectivité des circuits GABAergiques, qui commencent lors du développement postnatal précoce jusqu’à l'âge adulte. De plus, nous suggérons que l'activation contrôlée de p75NTR pourrait être un outil utile pour restaurer la plasticité dans le cortex adulte. / Cortical GABAergic basket cells (BC) innervate hundreds of postsynaptic targets with synapses clustered around the soma and proximal dendrites. They are important for gamma oscillation generation, which in turn regulate many cognitive functions, and for the regulation of developmental cortical plasticity. Although the function of BC within cortical networks is being explored, the mechanisms that control the development of their extensive arborisation and synaptic contacts have not been entirely resolved. By using the Drosophila allatostatin G-protein-coupled receptors (AlstR), we show that reducing excitation, and thus neurotransmitter release, in mouse cortical single BC in slice cultures decreases the number of innervated cells without changing the pattern of perisomatic innervation, both at the peak and after the proliferation phase of perisomatic synapse formation. Conversely, suppressing neurotransmitter release in single BCs by using the tetanus toxin light-chain can have completely opposite effects depending on the developmental stage. Basket cells expressing TeNT-Lc during the peak of the proliferation were characterized by denser axonal arbors and an increased number of smaller, homogenous boutons around the innervated somatas compared with control cells. However, after the peak of the synapse proliferation, TeNT-Lc transfected BCs formed perisomatic innervation with fewer terminal axon branches and fewer irregular-sized boutons around innervated somatas. Our results reveal a remarkably specific and age-dependent role of neural activity and neurotransmission levels in the establishment of the synaptic territory of cortical GABAergic cells. Brain derived neurotrophic factor (BDNF) has been shown to be a strong modulator of activity-dependent-maturation of GABAergic synapses. Through the activation and signaling of their receptor Tropomyosin-related kinase B (TrkB), mBDNF binding strongly modulates the proliferation of GABAergic perisomatic synapses formed by BCs. Whether the low-affinity neurotrophin-receptor p75NTR also play a role in the development of basket cell synaptic territory is unknown. Here, we show that single-cell deletion of p75NTR in BCs in cortical organotypic cultures from p75NTRlox mice induce the formation of exuberant perisomatic innervations by the mutant basket cells, in a cell-autonomous fashion. BDNF is synthesized as a precursor, proBDNF, which is cleaved by enzymes, including tPA-activated plasmin, to produce mature (m)BDNF. mBDNF and proBDNF bind with high-affinity to TrkB and p75NTR, respectively. Our results show that treating organotypic cultures with cleavage-resistant proBDNF (mut-proBDNF) strongly reduces the synaptic territory of BCs. Treating cultures with the tPA-inactivating peptide PPACK or with tPA impairs and promotes the maturation of BC synaptic innervations, respectively. We further show that the exuberant innervations formed by p75NTR-/- basket cells are not affected by mut-proBDNF treatment. All together, these results suggest that proBDNF-mediated p75NTR activation negatively regulates the synaptic territory of BCs. We next examined if mut-proBDNF affects perisomatic innervation formed by BCs in vivo, in the adult mouse. We found that perisomatic GABAergic boutons are significantly decreased in the cortex infused with mut-proBDNF as compared to non-infused or saline-treated hemispheres. Further, ocular dominance (OD) plasticity is restored by this treatment in adult mice. Finally, we found that proBDNF-mediated activation of p75NTR is necessary to induce OD plasticity in the adult mice, by using mice that lack p75NTR specifically in BCs. All together, these results demonstrate a critical role of p75NTR activation in regulating and maintaining GABAeric circuit connectivity from early postnatal development to adulthood. Further, we suggest that controlled activation of p75NTR could be a useful tool to restore plasticity in adult cortex.

La science a avancé depuis le XIX ème siècle. Des nouveaux outils sont apparus : la microscopie optique nous donne la vision des cellules, la microscopie électronique nous entraine au cœur de celles-ci. L’imagerie par résonance magnétique est apparue dans les années soixante-dix. Depuis son évolution, l’IRM nous entraine de plus en plus loin dans les profondeurs secrètes de nos cerveaux. La possibilité d’observer l’activité neuronale à l’aide de l’imagerie fonctionnelle est une grande révolution. Cette thèse montrera la possibilité que l’on a d’observer l’activité d’un neurone individuel sans modification de son réseau grâce à l’imagerie rehaussée au manganèse. L’étude sera effectuée sur des Aplysies à très haut champ (17T). Ces animaux sont des mollusques marins gastropodes qui possèdent une particularité : leurs neurones sont de tailles importantes, ils peuvent atteindre 1 mm de diamètre. Leurs neurones sont regroupés en plusieurs ganglions. Mon étude portera sur le ganglion buccal, qui est le ganglion le plus étudié dans les recherches en électrophysiologie. Avant de réaliser les acquisitions, j’ai dû concevoir plusieurs antennes de tailles microscopiques adaptées à la taille des ganglions. En réduisant la taille des antennes, le rapport signal sur bruit augmente. Dans un deuxième temps, une double antenne a été développée permettant l’acquisition de deux échantillons simultanément. Cette antenne a nécessité de créer des préamplificateurs fonctionnant à 730 MHz. La première série d’expériences a permis d’observer l’évolution de l’activité neuronale selon différents stimulus liés au comportement alimentaire des aplysies in-vivo. J’ai montré grâce à la technique mise en place que l’on peut distinguer par IRM l’activité de chaque neurone face à un stimulus. Par la suite, pour continuer ce travail, une deuxième série d’expériences a été effectuée in-vitro. J’ai étudié le comportement des neurones selon les neuro-stimulateurs perfusés : la dopamine et la sérotonine, tous les deux présents naturellement dans l’aplysie. Globalement les neurones ont été activés mais après les avoir observés individuellement, j’ai remarqué quelques différences selon les neurotransmetteurs. Cette technique peut maintenant être utilisée pour étudier d’autres conduites de l’aplysie comme le comportement compulsif. L’étude sur la mémoire peut être aussi envisagée. Les origines comportementales ont probablement des mécanismes identiques entre les différentes espèces animales et donc avec l’Homme comme l’a démontré les études d’Eric Kandel sur la mémoire. / Science has evolved since the 19th century. New tools have appeared such as optical microscopy which gives us the vision of cells and electronic microscopy which leads us into their hearts. The magnetic resonance imaging appeared in the seventies. Evolving over time, the MRI has taken us farther and farther into the secret depths of our brains. The possibility of observing the neuronal activity thanks to the functional imaging is a major evolution. This thesis will show the possibility we have to observe the activity of a single neuron without modification of its network thanks to the manganese enhanced magnetic resonance imaging technique. The study was done on the Aplysia at very high field magnet (17T). These animals are marine gastropod mollusks with a peculiarity: their neurons are of important size and can reach 1 mm in diameter. Their neurons are grouped into several ganglia. My study concerns the buccal ganglion which is the most studied ganglia in the research in electrophysiology. Before making any acquisitions, I had to conceive several microscopic coils adapted to the size of the ganglions. By reducing the size of the coils, the signal of the noise ratio increases. Then, a double coil allowing the simultaneous acquisition of two samples was built. This antenna required the construction of pre-amplifiers operating at 730 MHz. The first series of experiments helped observe the evolution of the neuronal activity according to different stimuli linked to the eating habits of the Aplysia in vivo. Thanks to the technique implemented, I shall show that, using MRI, it is possible to distinguish the activity of each neuron with respect to a stimulus. Afterwards, to continue this work, a second series of experiments was made in vitro. I studied the behavior of neurons when perfused with neural stimulators: dopamine and serotonin, both naturally present in the Aplysia. Generally, all neurons were activated but when observing them individually, I noticed some differences. Studies in electrophysiology will allow us to get a better understanding and a confirmation of the results of this study. The MEMRI technique can be used in the future to study various disorders such as compulsive behaviors, which are present in the Aplysia, and probably have the same origins as in humans, given that many fundamental processes (such as memory studied by Eric Kandel who he demonstrated that human and Aplysia memories works with the same mechanism) are similar between the two species.

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1. / In this thesis, we addressed motor control by two experimental approaches: psychophysical studies in human subjects and neurophysiological recordings in non-human primates. We identified unresolved issues concerning interference in motor learning during adaptation of subjects to two or more anti-correlated force fields. We designed paradigms in which arbitrary color stimuli provided contextual cues that allowed subjects to predict the nature of impending external force fields before encountering them physically during arm movements. This contextual knowledge helped to facilitate adaptation to the force fields by reducing this interference. According to one computational model of motor learning (MOdular Selection And Identification model for Control; MOSAIC), the color context cues made it easier for subjects to build “internal models” of each force field, to recall them and to switch between them with minimal interference. In our first experiment, four groups of human subjects performed elbow flexion/extension movements against two anti-correlated viscous force fields. We combined two different colors for the computer monitor background with two forces: resistive (Vr) and assistive (Va). The first two groups were control subjects. In those subjects, the color of the computer monitor changed at regular intervals but the force field remained constant; Vr was presented to the first group while the second group only experienced Va. As a result, the color cues were irrelevant in the two control groups. All control subjects adapted well to the single experienced force field (Vr or Va). In the two experimental groups, in contrast, the anti-correlated force fields and the monitor colors changed repeatedly between short blocks of trials. In the first experimental group (Reliable-cue subjects), there was a consistent relationship between the force and the stimulus (color of the monitor) - the red colour always signalled the resistive force while the green colour always signalled the assistive force. Adaptation to the two anti-correlated forces for the Reliable-cue group was significant during 10 days of training and almost as good as in the Irrelevant-cue groups who only experienced one of the two force fields. Furthermore, the Reliable-cue subjects quickly demonstrated predictive adaptive changes in their motor output whenever the monitor color changed, even during their first day of training, showing that they could use the reliable color context cues to recall the appropriate motor skills. In contrast, the monitor color also changed regularly between red and green in the second experimental group, but the force fields were not consistently associated with the color cue (Unreliable-cue group). These subjects took longer to adapt to the two force fields than the other three groups, and could not use the unreliable color cue change to make predictive changes to their motor output. Nevertheless, all Unreliable-cue subjects developed an ingenious strategy of making a specific “default” arm movement to probe the type of force field they would encounter in the first trial after the monitor color changed and used the proprioceptive feedback about the nature of the field to make appropriate predictive changes to their motor output for the next few trials, until the monitor color changed again, signifying the possibility of a change in force fields. This strategy was effective since the force remained constant in each short block of trials while the monitor color remained unchanged. This showed that the Unreliable-cue subjects were able to extract implicit and explicit information about the structure of the task from the color stimuli and use that knowledge to reduce interference when adapting to anti-correlated forces. The results of this first study encouraged us to advance our understanding of how subjects can recall multiple motor skills coupled to color context stimuli can be recalled, and how this phenomenon can be reflected by the neuronal activity in monkeys. Our aim was to elucidate how neurons of primary motor cortex (M1) can contribute to adaptive compensation for a wide range of different external forces during single-joint elbow flexion/extension movements. At the same time, we aimed to test the hypothesis evoked in the MOSAIC model, whereby multiple controller modules located in the cerebellum may predict each context and produce appropriate adaptive output signals for a small range of task conditions. Also, according to this hypothesis, M1 neurons may receive inputs from many specialized cerebellar controllers and show appropriate response modulations for a wide range of task conditions. We trained two monkeys to adapt their flexion/extension elbow movements against 5 different force-field conditions: null field without any external force disturbance, two anti-correlated viscous forces (assistive and resistive), which depended on movement speed and resembled that used in the human psychophysical study, a resistive elastic force which depended on elbow-joint position and finally, a visco-elastic field that was the linear sum of the elastic and viscous forces field. Each force field was reliably coupled to 5 different computer monitor background colors. The monkeys properly adapted to the 5 different force-field conditions and used the color context cues to recall the corresponding motor skill for the force field associated with each color, so that they could make predictive changes to their motor output before they physically encountered the force fields. EMG recordings eliminated the possibility that a co-contraction strategy was used by the monkeys to adapt to the force fields, since the EMG patterns were appropriate to compensate for each force-field condition. In parallel, M1 neurons showed systematic changes in their activity at the single-neuron and population level in each force-field condition that could signal the required changes in the direction, magnitude and time course of muscle force output required to compensate for the 5 force-field conditions. The patterns of response changes in each force field were consistent enough across M1 neurons to suggest that most M1 neurons contributed to the compensation for all force field conditions, in line with the predictions of the MOSAIC model. Also, these response changes do not support a strongly modular organization for M1.