Le système cholinergique joue un rôle important dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l'attention et l'apprentissage perceptuel. La stimulation pharmacologique du système cholinergique par le donépézil, un inhibiteur de l’acétylcholinestérase, est un moyen efficace pour améliorer les fonctions cognitives et le traitement cortical via les récepteurs muscariniques et nicotiniques. En effet, le donépézil permet l'accumulation d'acétylcholine dans la fente synaptique. Toutefois, l’effet de la stimulation pharmacologique du système cholinergique sur le traitement visuel complexe et l’apprentissage perceptuel n’est pas encore bien défini. L'objectif de cette thèse est d'étudier, d'une part, l'effet de la combinaison d’un entrainement visuel répétitif avec une stimulation cholinergique sur les capacités visuelles chez le rat et l’humain et, d'autre part, l’effet de la stimulation pharmacologique du système cholinergique sur la restauration des capacités visuelles dans un modèle de déficit visuel chez les rats. Nos résultats ont montré qu’un entrainement visuel/cholinergique entraînait : 1) une potentialisation à long terme de la réponse visuelle corticale chez le rat, 2) une récupération plus rapide des capacités visuelles chez la rat suite un écrasement du nerf optique 3) une amélioration de la performance dans une tâche perceptivo-cognitive de haut niveau plus rapide et conservée dans le temps chez les jeunes sujets sains. Le patron d’électroencéphalographie chez le sujet humain pratiquant une tâche d’attention visuelle n’est cependant pas modifié par l’administration d’une dose unique de donépézil. Ensembles, ces résultats soulignent le bénéfice considérable de la combinaison d’une stimulation du système cholinergique lors de l’entrainement visuel répétitif afin d'obtenir des améliorations de la perception visuelle. Cela présente une avenue très intéressante pour la réhabilitation chez les humains. / The cholinergic system plays an important role in many cognitive functions such as attention and perceptual learning. Pharmacological stimulation of the cholinergic system via donepezil, an acetylcholinesterase inhibitor, is an efficient tool for enhancing cognitive functions and cortical processing via muscarinic and nicotinic receptors. In fact, donepezil allows the build-up of acetylcholine in the synaptic cleft. However, whether pharmacological manipulation of the cholinergic system has an effect on complex visual processing and perceptual learning remains unclear. The goal of this thesis is to investigate on the one hand the effect of combining repetitive visual training with cholinergic enhancement on visual capacities in rats and humans and on the other hand the effect of the pharmacological stimulation of the cholinergic system on visual restoration in a model of visual deficit in rats. Our results showed that cholinergic potentiation induces 1) a long-term potentiation of visual cortical response following repetitive visual stimulation, 2) a faster recovery of brightness discrimination in rats with an optic nerve crush, 3) a faster progression of and a sustained performance in a highly demanding perceptual-cognitive task for healthy young humans. However, the EEG pattern for subjects performing a visual attention task is not modified by a single administration of donepezil. Together these results underline the substantial benefice of combining cholinergic enhancement with visual training in order to obtain visual perception improvements, which presents an interesting avenue for visual rehabilitation paradigm in humans.

Ce mémoire démontre que les caractéristiques de niveau inférieur telles que les fréquences spatiales (SF) et les orientations (V1) sont encodées spécifiquement avec les caractéristiques visuelles de niveau supérieur auxquelles elles ont été associées lors de l'apprentissage. Deux groupes ont appris deux ensembles de visages - composés soit de la même combinaison soit de deux combinaisons différentes de SF et d'orientations entre les ensembles. Plus tard, dans une tâche à trois alternatives, les participants ont distingué les visages appris des deux ensembles et des nouveaux ensembles de visages non cibles (filtrés avec trois filtres complémentaires de bas niveau). Il existe des preuves extrêmement solides que la similarité de bas niveau entre les deux ensembles appris augmente les interférences de la mémoire de reconnaissance (BF01 : 4,1; p<0.01) et il existe également des preuves solides que la similarité de bas niveau observée avec les nouvelles fonctionnalités de haut niveau n'a pas d'impact sur les interférences (BF01 : Inf; p=1). Nos résultats expliquent les contradictions apparentes dans la littérature, démontrent une directionnalité évidente dans le modèle d'encodage de la mémoire humaine et aident à consolider la relation entre l'esprit humain et les réseaux de neurones profonds. / This study demonstrates that lower level features like spatial-frequencies and orientations (V1) are encoded specifically with the higher level visual features they were associated with during learning. Two groups learned two sets of faces − composed either of the same or of two different combinations of SF and orientations between the sets. Later, in a task with three alternatives, the participants distinguished the learned faces from the two sets and new non-target face sets (filtered with three low-level complementary filters). There is extremely strong evidence that the low-level similarity between the two learned sets increases recognition memory interference (BF10: 4,1355; p<0.01) and there is also strong evidence that low-level similarity seen with new high-level features is not impacting interferences (BF01: Inf; p=1). Our findings explain apparent contradictions in the litterature, demonstrate an evident directionality in the human memory encoding model and help consolidate the relation between the human mind and deep neural networks.

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive. / Sensory cortex is an essential area where sensory perception occurs. Especially visual cortex processes visual information transmitted from the retina through the thalamus. By different neuronal activation the information is segregated and sent to diverse visual area for interpretation. Neurons are the basic unit that transform sensory information into electrophysiological signal, transfer to the cortex and integrate it. Connection between neurons can be modulated depending on the persistent presynaptic activity inducing either a long-term increase or decrease of the post-synaptic activity. Modification in synaptic strength can affect large area and induce reorganization of cortical map (i.e. cortical plasticity) which changes the representation of the visual stimulus and its weight in visual processing. Cortical plasticity can occur during juvenile while forming developmental connection or in adult while acquiring novel information (i.e. learning). The neurotransmitter ACh is involved in many cognitive functions, such as learning or attention and it was demonstrated that lesioning or blocking cholinergic system diminishes cortical plasticity. It was shown that nicotinic, M1 subtype and M2 subtype muscarinic receptors are the major cholinergic receptors abundant in the cortex and implicated during cortical plasticity induction. In a first part, I analyzed visual evoked potentials (VEPs) in V1 of rats during a 4-8h period after coupling visual stimulation to an intracortical injection of ACh agonist carbachol or stimulation of basal forebrain. To clarify the action of ACh on VEP activity in V1, we individually injected muscarinic, nicotinic, α7, and NMDA receptor antagonists just before carbachol infusion. Stimulation of the cholinergic system paired with visual stimulation significantly increased VEP amplitude for long-term. Pre-inhibition of muscarinic, nicotinic and NMDA receptor completely abolished this long-term enhancement, while α7 inhibition induced an instant increase of VEP amplitude. This suggests a role of ACh in facilitating visual stimuli responsiveness which involves nicotinic and muscarinic receptors with an interaction of NMDA transmission in the visual cortex. These mechanisms were similar to long-term potentiation, a neurobiological mechanism of learning. In a second step, I evaluate whether cholinergic modulation of visual neurons results in cortical activity and visual perception changes. Awake adult rats were exposed repetitively for two weeks to an orientation-specific grating with coupling visual stimulation to an electrical stimulation of the basal forebrain. The visual acuity, as measured using a visual water maze before and after coupling visual/cholinergic stimulation was increased. The increase in visual acuity was not observed when visual or basal forebrain stimulation was performed separately nor when cholinergic fibers were selectively lesioned prior to the visual stimulation. There was a long-lasting increase in cortical reactivity of the primary visual cortex shown by c-Fos immunoreactivity of both pyramidal and GABAergic interneuron. These findings demonstrate that when coupled with visual training, the cholinergic system improves visual performance for the trained orientation probably through enhancement of attentional processes and cortical plasticity in V1 related to the ratio of excitatory/inhibitory inputs. Finally, I also investigated the different pharmacological mechanisms involved in the visual enhancement. Pre- and post-pairing visual/cholinergic stimulation VEP were compared with selective administered agonist/antagonist during the pairing. Awaken adult rats were exposed during 10 minutes per day for 1 week to an orientation specific grating with an electrical stimulation of the basal forebrain. Intracortical injection of different pharmacological agents during pairing demonstrated that nicotinic and M1 muscarinic receptors are used to amplify cortical response while M2 muscarinic receptor suppresses GABAergic neurons to disinhibit excitatory neurons. Infusion of GABAergic antagonist supported that inhibitory system is crucial to induce cortical plasticity. These findings demonstrate that visual training coupled with the cholinergic stimulation enhances the cortical plasticity mediated by nicotinic, M1 and M2 muscarinic receptors, which the latter induces a disinhibition by suppressing GABAergic neuron. The cholinergic system is a potent neuromodulatory system. Boosting this system during perceptual learning robustly enhances the sensory perception. Especially, pairing a cholinergic activation with a visual stimulation increases the signal-to-noise ratio, cue detection ability in the primary visual cortex. This cholinergic enhancement increases the strength of thalamocortical afferent to facilitate the treatment of a novel stimulus while decreasing the cortico-cortical signaling to minimize recurrent or top-down modulation. This is mediated by different cholinergic receptor subtypes located in both glutamatergic and GABAergic neurons of the different cortical layers. The mechanisms of cholinergic enhancement are closely linked to attentional processes, long-term potentiation and modulation of the excitatory/inhibitory balance. The present thesis shows that electrical stimulation of the basal forebrain has similar effect with cholinergic agonist release and pairing visual/cholinergic stimulation induces cortical plasticity. Repetitive pairing of visual/cholinergic increases visual discrimination capacity and enhances perceptual ability. This enhancement is followed by an augmentation of neuronal activity demonstrated by c-Fos immunohistochemistry. Immunoreactivity also shows difference in glutamatergic and GABAergic neurons activities between layers. Pharmacological injection during visual/cholinergic pairing suggests that nicotinic and M1 muscarinic receptor can amplify excitatory response while M2 receptor controls GABAergic activation. Altogether cholinergic system activated during visual process induces cortical plasticity and can enhance perceptual ability. Further understanding of this training has the potential to accelerate visual recovery or boost cognitive function.