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.

Le cortex préfrontal (cpf) est à la base des processus cognitifs supérieurs qui sont modulés majoritairement par des entrées cholinergiques via les récepteurs nicotiniques de l'acétylcholine (nachrs). cette région du cerveau présente " par défaut " une activité spontanée, qui est modifiée dans le cas de troubles psychiatriques, tels que la schizophrénie, et de maladies neurodégénératives comme la maladie d'alzheimer. des études de génétique humaine ont mis en évidence la nature polymorphique de gènes spécifiques codant pour les nachr qui augmentent les risques de tabagisme et de schizophrénie. de nombreux laboratoires, dont le notre, ont montré que les souris ayant une altération de la fonction du gène nachr présentent des déficits comportementaux cpf-dépendants. cependant, la manière dont les polymorphismes humains correspondants altèrent les mécanismes cellulaires et circuits sous-jacents aux comportements reste inconnue. de ce fait, nous avons donc développé et étudié des modèles de souris liés à la schizophrénie, à la dépendance à la nicotine et à la maladie d'alzheimer. l'utilisation in vivo de l'imagerie bi-photon au niveau du cpf de souris éveillées et de souris anesthésiées a montré que différentes sous-unités nachr sont impliquées dans le contrôle de l'activité spontanée du cortex préfrontal, via un circuit d'inhibition hiérarchique. de plus, l'effet de l'administration chronique de nicotine sur l'activité cérébrale a été étudié, en fournissant des concentrations analogues à celles observées chez des fumeurs. ce travail met en lumière le rôle de la neurotransmission cholinergique dans l'orchestration des fonctions cognitives. / The prefrontal cortex (pfc) underlies higher cognitive processes that are modulated by cholinergic inputs largely via nicotinic acetylcholine receptors (nachrs). this brain region exhibits spontaneous “default” activity, which is altered in neuropsychiatric disorders, such as schizophrenia (scz), and neurodegenerative diseases such as alzheimer’s disease (ad). both of these disorders have a strong impact and burden on society. human genetic studies have highlighted the polymorphic nature of specific nachrs genes that increase risk for smoking and scz. several laboratories, including our own, have shown that mice with altered nachr gene function exhibit pfc-dependent behavioral deficits, but how the corresponding human polymorphisms alter the cellular and circuit mechanisms underlying the behaviors is unknown. here, mouse models related to scz, nicotine dependence and ad were developed and studied. using in vivo two-photon imaging in the pfc of both awake and anesthetized mice, different nachr subunits were shown to control spontaneous pfc activity through a hierarchical inhibitory circuit. furthermore, the effect of chronic nicotine administration on brain activity, by delivering concentrations analogous to that observed in smokers, was studied. the impact of nicotine on pfc layer ii/iii microcircuits altered in pathology can be extended to therapeutic strategies with strong candidates being positive allosteric modulators (pams) for defined nachr subunits. we hope that this work sheds light on the role of cholinergic neurotransmission in the orchestration of cognitive functions and will inspire further research in this direction.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les travaux entrepris au cours de cette thèse ont eu pour but d'étudier la modulation de la transmission synaptique inhibitrice au niveau des réseaux moteurs spinaux, à la fois au cours du développement et après lésion de la moelle épinière. Le nouveau-né présente des activités motrices spontanées qui jouent un rôle important dans la maturation des muscles et des réseaux de neurones de la moelle épinière. Dans une première étude, nous avons identifié l'un des mécanismes impliqués dans la genèse de ces activités chez le rat nouveau-né in vitro. Nous avons démontré que l'activation des récepteurs GABAᴀ au niveau des terminales d'afférences primaires joue un rôle majeur dans le déclenchement et la propagation de ces activités spontanées. Dans une deuxième étude, nous avons testé la robustesse des dépolarisations de nature GABAergique enregistrées in vitro, c'est-à-dire leur dépendance vis-à-vis des paramètres du milieu de perfusion. Nous avons démontré que l'action dépolarisante des neurotransmetteurs GABA/glycine au niveau des motoneurones et celle du GABA au niveau des terminales d'afférences primaires ne sont pas dues à une fourniture énergétique insuffisante. La dernière étude a été consacrée à la modulation de la transmission synaptique inhibitrice après lésion de la moelle épinière. Nous avons montré que l'activation des récepteurs 5-HT2 (R5-HT2), particulièrement celle de l'isoforme 5-HT2ᴀ, renforce le poids synaptique inhibiteur via une hyperpolarisation du potentiel d'équilibre des ions chlorure (ECl) et une augmentation d'expression de KCC2 au niveau de la membrane des motoneurones. / The aim of this thesis was to explore the modulation of the inhibitory synaptic transmission within the spinal motor networks, both during development and after SCI. Spontaneous movements are an ubiquitous feature of fetal and infant behavior. They provide signals that are important for the development of muscles and the assembly of neuronal networks in the spinal cord. In a first study, we characterized one of the mechanisms underlying spontaneous motor behaviors in the in vitro spinal cord preparation isolated from neonatal rats. We demonstrated that the GABA is playing a key role in promoting spontaneous activity through primary afferent depolarizations which reach firing threshold. In the second part of my thesis, we tested the robustness of the in vitro GABAergic depolarizations and their dependence on the aCSF parameters. We demonstrated that during development the depolarizing actions of GABA/glycine on motoneurons and GABA on primary afferent terminals are not due to inadequate energy supply. In the last part of my thesis, we focused on the modulation of the inhibitory synaptic transmission following SCI. We demonstrated that activation of the 5-HT2 receptors, particularly the 5-HT2ᴀ subtype, strengthens inhibitory synaptic transmission to spinal motoneurons by hyperpolarizing the reversal potential of Cl- ions (ECl) and by increasing the cell-membrane expression of KCC2. This phenomenon reduces spasticity after SCI in rats. Upregulation of KCC2 function by targeting 5-HT2ᴀ receptors therefore opens new therapeutic strategies for the treatment of spasticity following SCI.

Mes travaux portent sur l'analyse de la dynamique cérébrale à partir de données de neuro-imagerie fonctionnelle issues d'examens d'Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf). Ils concernent aussi bien l'étude de la dynamique évoquée par un paradigme d'activation cérébrale et celle issue de l'activité spontanée ou de « fond » lorsque le sujet est au repos (resting state). Les algorithmes que j'ai développés s'appuient pour une large partie sur une connaissance explicite du paradigme expérimental mis au point par l'expérimentateur mais aussi prennent place dans une moindre part au sein des méthodes exploratoires, qui n'exploitant pas ces informations issues du paradigme.<br /><br />Ce thème de recherche embrasse à la fois des problèmes bas niveau relatifs à la reconstruction d'images en IRM mais aussi des aspects plus haut niveau qui concernent l'estimation et la sélection de modèles hémodynamiques régionaux non-paramétriques, capables de prendre en compte la variabilité inter-individuelle de la réponse impulsionnelle du système neuro-vasculaire. Les problèmes de reconstruction sont traités à l'aide de méthodes classiques de régularisation dans l'espace image ou des méthodes plus évoluées opérant dans l'espace transformé des coefficients d'ondelette. Les aspects inférentiels haut niveau sont majoritairement abordés dans le cadre des statistiques bayésiennes.

Dans le néocortex murin, la division des cellules précurseurs a lieu dès le stade E11 et donne naissance aux premiers neurones pionniers dont les cellules de Cajal-Retzius. L'activité électrique spontanée, portée par les canaux ioniques, joue un rôle prépondérant dans le développement du système nerveux central. Comprendre la place des canaux ioniques et de la signalisation calcique dans les phases précoces de le neurogenèse était l'objectif principal de mon projet. Nous avons montré l'apparition précoce de canaux sodiques dépendants du voltage dans 55% des cellules neuronales à E13, dont les cellules de Cajal-Retzius. En parallèle, nous avons observé des activités calciques spontanées dans les cellules proliférantes et neuronales au même stade. La conception d'un logiciel d'imagerie nous a permis d'analyser statistiquement ces activités et d'identifier les canaux ioniques impliqués. Alors que les synapses ne sont pas encore formées, nous avons observé la mise en place d'activités synchrones au sein du néocortex et démontré l'existence de communications paracrines entre les cellules. De plus, nous avons identifié l'existence d'une cascade de signalisation où la dépolarisation des récepteurs glycinergiques active les canaux sodiques présents sur les neurones pionniers. Dans ces neurones, l'influx sodique entraîne une augmentation de calcium cytoplasmique via un échangeur Na+/Ca2+ puis une exocytose glutamatergique dont le libération paracrine induit l'activation d'autres cellules néocorticales. L'utilisation de la culture organotypique de cerveau nous a laissé entrevoir une implication physiologique majeure de cette cascade de signalisation dans la corticogenèse.

Tous les réseaux de neurones immatures génèrent une activité dite « spontanée »qui persiste même en l’absence de toute afférence et est impliquée dans de nombreux processus développementaux. Cette activité apparaît in vitro sous formes de vagues calciques ou électriques pouvant se propager sur de grandes distances et embraser toute la préparation. Toutefois, sa dynamique a été assez peu étudiée jusqu’à présent. En vue de combler quelque peu cette lacune, nous avons utilisé des matrices de microélectrodes (MEA) pour caractériser l’activité rythmique spontanée dans la moelle épinière embryonnaire de souris, sur des préparations aigues et en culture incluant également le tronc cérébral.Les enregistrements MEA produisent des volumes de données très importants qui nécessitent des outils d’analyse performants et adaptés à l’information que l’on souhaite extraire. Nous avons donc développé des méthodes pour la détection, la classification et la cartographie des patrons spatiotemporels d’activité dans les données multicanaux. Notre approche cartographique utilise l’interpolation par splines et est orientée vers la production de cartes multimodales combinant l’activité électrique et des données anatomiques ou biochimiques (marquages). Ces méthodes d’analyse nous ont permis de décrire très précisément l’évolution de l’activité spontanée aux stades précoces (E12.5–E15.5). Nous avons également montré que, à E14.5, l’activité est initiée dans le bulbe, plus précisément dans une région riche en neurones 5-HT, suggérant un nouveau rôle des voies sérotoninergiques descendantes dans la maturation des réseaux spinaux.Enfin, nous avons analysé les mouvements embryonnaires à E14.5 et avons découvert des caractéristiques analogues à la dynamiques spatiotemporelle des activités intraspinales. / Immature neural networks generate a peculiar type of activity that persists even in the absence of electrical inputs and was termed for this reason “endogenous”or “spontaneous”. This activity is ubiquitous and was found involved in a wide range of developmental events. In vitro, it can be observed as calcium or electrical waves propagating over great distances, often invading the whole preparation,but its dynamics remain poorly described. In order to somewhat fill this gap,we used multielectrode arrays (MEAs) to characterise the spontaneous rhythmic activity in the mouse developing spinal cord, in both acute and cultured isolated hindbrain-spinal cord preparations.To extract relevant information from the massive amounts of data yielded by MEA recordings, adapted analysis tools are needed. Thus, we have developedmethods for the detection, classification and mapping of spatiotemporal patternsof activity in multichannel data. Our mapping approach is based on the thin plates pline interpolation and includes the possibility to combine maps of activity with anatomical or stained data for multimodal imaging.These methods allowed us to analyse in great detail the evolution of spontaneousactivity at early stages (E12.5–E15.5). In addition, we have localised theinitiation site of E14.5 activity in the medulla and shown that it matches a densemidline population of serotoninergic neurons, suggesting a new role for 5-HTpathways in the maturation of spinal networks. Finally, we have recorded andtracked spontaneous limb movements of E14.5 embryos and found that features of motility were consistent with patterns of spinal activity.

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