La mémoire spatiale est composée d'une phase d''encodage pendant l'éveil, suivi par une phase de consolidation pendant le sommeil, au cours de laquelle les séquences d'activation des cellules de lieu sont rejouées. Ces réactivations ont lieu pendant des oscillations à hautes fréquences du sommeil à ondes lentes, appelées les sharp-wave ripples (SPW-Rs) dont l'occurrence est coordonnées avec celle des autres rythmes corticaux (ondes delta 2-4Hz et spindles 10-15Hz). Ce modèle bien que largement accepté ne repose que sur des études corrélatives. De plus, les SWP-Rs et les ondes delta sont impliquées à la fois dans l'homéostasie du sommeil et dans la consolidation de la mémoire. Or l'interaction entre les deux phénomènes n'a jamais été caractérisée. Au moyen d'une interface cerveau machine, nous avons associé les réactivations spontanées d'une cellule de lieu pendant le sommeil à une stimulation électrique de récompense. Au réveil les souris allaient dans le champ de lieu du neurone démontrant la possibilité de créer des souvenirs artificiels pendant le sommeil. Ceci démontrait également le rôle causal des cellules de lieu dans la navigation spatiale ainsi que l'existence de réactivations d'informations spatiales pendant le sommeil. Dans un second temps, nous avons développé une deuxième interface cerveau-machine permettant de manipuler les ondes delta. Nous avons également montré que l'occurrence des SPW-Rs et des ondes delta diminuent avec le temps de sommeil en maintenant leur coordination. Enfin nous avons identifié une sous-population de neurones corticaux potentiellement impliquée dans la génération des ondes delta et leur régulation par la pression homéostatique de sommeil. / Spatial memory is composed of an encoding phase during wakefulness, followed by a consolidation phase during sleep, corresponding to the replay of sequences of activation of hippocampal place cells observed during wake. Those reactivations occur during slow wave sleep, mostly during hippocampal high frequency oscillations, called sharp-wave ripples (SPW-Rs). Moreover, SPW-Rs occurrence is coordinated with others cortical rhythms (delta waves 2-4Hz and spindles 10-15Hz). Although this theoretical framework is widely accepted, it is only based on correlative studies. Moreover, in addition to memory consolidation, SPW-Rs and delta waves are also involved in sleep homeostasis. Finally, a fine description of the interactions between the two phenomena is still lacking. By using a newly designed brain machine interface, we associated spontaneous reactivations of a single place cell during sleep to intracranial rewarding stimulations. At awakening, mice went and stayed within the place field of the related neuron, demonstrating the possibility to create artificial memories during sleep. It also demonstrated the causal role of place cells on spatial navigation, and that they still convey spatial information during sleep supporting the existence of sleep reactivation. We also developed a second brain machine interface in order to manipulate delta waves during sleep. We showed that the occurrence of both SPW-Rs and delta waves decrease during sleep, even though their coordination was maintained. Finally, we identify a sub-population of cortical neurons potentially involved both in the generation of delta waves and their modulation by the homeostatic pressure of sleep.

Le sommeil est essentiel pour la consolidation de notre mémoire. Chez l'homme comme chez le rongeur, il est composé de sommeil paradoxal (REM), et de non-REM caractérisé par des oscillations delta (1-4Hz), spindles (8-14Hz) et ripples (150-200Hz), impliquées dans cette consolidation. Les mécanismes fins sous-tendant l'effet bénéfique du sommeil sur la mémoire ont été le plus clairement établis pour la mémoire spatiale chez le rongeur, qui dépend de l'hippocampe. Cette structure contient des cellules de lieu: des neurones dont l'activité est directement corrélée à la position de l'animal. Durant le sommeil, l'activité des cellules de lieu est rejouée au moment des ripples, comme si la trace mnésique se répétait pour consolider l'apprentissage. Par une interface cerveau-machine, nous avons associé les réactivations spontanées d'une cellule de lieu à une stimulation de récompense. Au réveil, la souris se rendait directement dans le lieu associé, prouvant que les cellules de lieu détiennent la même information spatiale durant la navigation et le sommeil. De plus, ce résultat montre le rôle causal des cellules de lieu dans la navigation, et valide la possibilité de créer une mémoire complexe durant le sommeil.Enfin, pour favoriser la transposition à l'homme des résultats sur la consolidation mnésique chez le rongeur, nous avons développé une méthode de différenciation des sous-stades de non-REM chez la souris dont les propriétés sont semblables à l'homme. Cette méthode a permis la description fine des processus de régulation du sommeil et des oscillations cérébrales associées ; le rôle du rythme respiratoire et du bulbe olfactif dans cette régulation étant également discuté. / Sleep is crucial for memory consolidation. In humans as in rodents, sleep is composed of a paradoxical phase (REM), and a non-REM phase, which is characterized by delta oscillations (1-4Hz), spindles (8-14Hz) and ripples (150-200Hz), all implicated in the consolidation process. The fine mechanisms underlying the beneficial effect of sleep in memory consolidation have been further detailed thanks to the model of rodent spatial memory, which depends on the hippocampus. This cerebral structure contains place cells, neurons whose activity is tightly correlated to the animal position. During sleep, place cells activity is replayed during ripples, as if the memory trace was repeated to consolidate spatial learning. Using a brain-machine interface, we triggered rewarding brain stimulation on the spontaneous reactivation of a given place cell during sleep. Upon awakening, the mouse went directly to the associated place field, showing that place cells still convey the same spatial information during sleep than during navigation. Moreover, this result shows the causal role of place cells in navigation, and confirms the feasibility of creating a complex new memory during sleep. At last, in order to facilitate translational research on sleep, we developed a scoring method which distinguishes different non-REM sleep phases as those observed in human sleep. Those substages revealed very similar characteristics to humans’ and this new method allowed the fine description of sleep regulation and associated brain rhythms; the role of respiratory rhythm and olfactory bulb in this regulation is also discussed.

A la fin des années 50, les premières descriptions d'amnésie antérograde chez le patient H.M. ont mis en évidence le rôle crucial de l'hippocampe dans la mémoire. Ces travaux fondateurs ont été étendus grâce à l'enregistrement de l'activité cérébrale chez le rat libre de ses mouvements, avec l'étonnante découverte que les neurones hippocampiques codent la position de l'animal dans l'environnement (« cellules de lieu »). Lorsqu'un rat parcourt une trajectoire, il traverse successivement différents « champs de lieu », et les cellules de lieu correspondantes déchargent les unes après les autres en séquences. De façon surprenante, lorsque la décharge d'une cellule de lieu est observée par rapport au rythme thêta (~8 Hz) présent dans l'hippocampe lorsque le rat explore son environnement, l'ordre dans lequel les cellules déchargent est maintenu à une échelle de temps très rapide (~150 ms), au sein de chaque cycle de l'oscillation thêta. Ces « séquences thêta » reflètent ainsi les positions passée, présente et future de l'animal, ancrant les lieux visités par l'animal dans leur contexte temporel. Pendant le sommeil, les séquences d'activité des cellules hippocampiques sont spontanément réactivées, reproduisant virtuellement la trajectoire du rat lors de son exploration. Ces réactivations ont lieu lors de patterns d'activité transitoires appelés sharp wave-ripples (SPW-Rs). La réintégration répétitive de l'activité séquentielle liée à l'expérience pourrait renforcer les connexions synaptiques entre les cellules. De plus, il a été montré que les SWR-Rs et leurs réactivations associées jouent un rôle causal dans la consolidation de la mémoire. Comment ces réactivations peuvent-elles avoir lieu ? De façon intéressante, pendant l'exploration, les séquences thêta permettent la compression des trajectoires de l'animal à une échelle de temps compatible avec des processus de plasticité. Par conséquent, ces séquences thêta pourraient soutenir l'apprentissage séquentiel pendant l'exploration, et pourraient sous-tendre le codage initial des traces mnésiques. Toutefois, des preuves directes en faveur de ce scénario n'ont pas été fournies... / In the late 50's, the first descriptions of anterograde amnesia in patient H.M. have highlighted the crucial role of the hippocampus in memory. These seminal works have been extended with brain electrophysiological recordings in freely moving rats, with the striking discovery that hippocampal neurons code for the location of the animal in the environment (‘place cells'). When a rat runs through a trajectory, it successively crosses multiple ‘place fields', and the corresponding place cells fire one after the other in sequence, in an order corresponding to the trajectory of the rat. Strikingly, when the place cell firing is observed relative to the ongoing theta rhythm (~8 Hz) recorded in the hippocampus when the rats is exploring its environment, the order in which the cells fire is maintained at a much shorter time scale (~150 ms), in each cycle of the theta oscillations. These ‘theta sequences' thus reflects the past, present and future locations of the animal, anchoring locations in their temporal context. During subsequent sleep, the sequences of hippocampal cell activity are spontaneously reactivated, virtually reproducing the trajectory of the rat during its previous exploration. This replay occurs during transient hippocampal activity patterns called sharp wave-ripples (SPW-Rs). Repetitive reinstatement of experience-related sequential activity may strengthen synaptic connections between cells. Moreover, SPW-Rs and their associated replay have been causally linked to memory consolidation. How does such replay occur during sleep? Interestingly, during exploration, theta sequences allowed the temporal compression of the animal’s trajectory at a time-scale compatible with synaptic plasticity processes. Therefore, these theta sequences have been hypothetized to support sequential structure learning during exploration, and might underlie the initial encoding of memory traces. However, direct evidence supporting this scenario remains elusive...

Les cellules de lieu de l’hippocampe sont des neurones aux propriétés intrigantes, commele fait que leur activité soit corrélée à la position spatiale de l’animal. Il est généralementconsidéré que ces propriétés peuvent être expliquées en grande partie par les comporte-ments collectifs de modèles schématiques de neurones en interaction. La physique statis-tique fournit des outils permettant l’étude analytique et numérique de ces comportementscollectifs.Nous abordons ici le problème de l’utilisation de ces outils dans le cadre du paradigmedu “réseau attracteur”, une hypothèse théorique sur la nature de la mémoire. La questionest de savoir comment ces méthodes et ce cadre théorique peuvent aider à comprendrel’activité des cellules de lieu. Dans un premier temps, nous proposons un modèle de cellulesde lieu dans lequel la localisation spatiale de l’activité neuronale est le résultat d’unedynamique d’attracteur. Plusieurs aspects des propriétés collectives de ce modèle sontétudiés. La simplicité du modèle permet de les comprendre en profondeur. Le diagrammede phase du modèle est calculé et discuté en comparaison avec des travaux précedents.Du point de vue dynamique, l’évolution du système présente des motifs particulièrementriches. La seconde partie de cette thèse est à propos du décodage de l’activité des cellulesde lieu. Nous nous demandons quelle est l’implication de l’hypothèse des attracteurs surce problème. Nous comparons plusieurs méthodes de décodage et leurs résultats sur letraitement de données expérimentales. / Place cells in the hippocampus are neurons with interesting properties such as the corre-lation between their activity and the animal’s position in space. It is believed that theseproperties can be for the most part understood by collective behaviours of models of inter-acting simplified neurons. Statistical mechanics provides tools permitting to study thesecollective behaviours, both analytically and numerically.Here, we address how these tools can be used to understand place-cell activity withinthe attractor neural network paradigm, a theory for memory. We first propose a modelfor place cells in which the formation of a localized bump of activity is accounted for byattractor dynamics. Several aspects of the collective properties of this model are studied.Thanks to the simplicity of the model, they can be understood in great detail. The phasediagram of the model is computed and discussed in relation with previous works on at-tractor neural networks. The dynamical evolution of the system displays particularly richpatterns. The second part of this thesis deals with decoding place-cell activity, and theimplications of the attractor hypothesis on this problem. We compare several decodingmethods and their results on the processing of experimental recordings of place cells in afreely behaving rat.

L’hippocampe joue un rôle majeur dans la cognition spatiale. Des neurones hippocampiques (les cellules de lieu) sont actifs quand l’animal occupe un lieu particulier de l’environnement. D’autres neurones sont ‘silencieux’. Récemment, une étude a montré que les cellules de lieu présentaient une activité secondaire quand les rats attendaient une récompense dans une zone-but. L’activité principale correspondrait à l’élaboration d’une représentation de l’espace. En revanche, la nature de l’activité secondaire au but est encore méconnue. Afin de tester si l’activité au but reflète une représentation spatiale du but ou un signal lié à la récompense, nous avons mis au point une tâche de navigation dans laquelle les rats peuvent choisir entre deux zones-buts pour obtenir une récompense. La quantité de récompense associée à chaque zone était modulée, ce qui modifiait leur valeur. Nous avons enregistré l’activité unitaire des neurones de CA1 et CA3 chez des rats réalisant cette tâche. Les rats localisent les deux emplacements et adaptent leurs choix en fonction de la valeur des buts. Une majorité de cellules de lieu et de cellules ‘silencieuses’, dans CA1 et CA3, présentent une activité liée au but. Cette activité est indépendante de la valeur des buts et des choix des rats. Enfin, la plupart des neurones ne présentent cette activité que pour l’un des deux buts, ce qui indique un codage spatial.Nos résultats suggèrent que l’hippocampe code les informations pertinentes concernant l’aspect spatial du but. Une telle représentation du but pourrait être utilisée en coopération avec des structures impliquées dans la prise de décision pour optimiser la navigation dirigée vers un but. / The hippocampus plays an important role in spatial cognition, as supported by the location-specific firing of hippocampal place cells. In random foraging tasks, each place cell fires at a specific position (‘place field’) while other hippocampal pyramidal neurons remain silent. A recent study evidenced a reliable extra-field activity in most CA1 place cells of rats waiting for reward delivery in an uncued goal zone. While the location-specific activity of place cells is thought to underlie a flexible representation of space, the nature of this goal-related signal remains unclear.To test whether hippocampal goal-related activity reflects a representation of goal location or a reward-related signal, we designed a two-goal navigation task in which rats were free to choose between two uncued spatial goals to receive a reward. The magnitude of reward associated to each goal zone was modulated, therefore changing the goal value. We recorded CA1 and CA3 unit activity from rats performing this task. Behaviourally, rats were able to remember each goal location and flexibly adapt their choices to goal values. Electrophysiological data showed that a large majority of CA1-CA3 place and silent cells expressed goal-related activity. This activity was independent from goal value and rats’ behavioural choices. Importantly, a large proportion of cells expressed a goal-related activity at one goal zone only.Altogether, our findings suggest that the hippocampus processes and stores relevant information about the spatial characteristics of the goal. This goal representation could be used in cooperation with structures involved in decision-making to optimise goal-directed navigation.

N/A

Pour pouvoir s'orienter et se déplacer efficacement dans leur environnement, les animaux utilisent toutes sortes de stratégies. Les plus simples consistent à reproduire une séquence motrice stéréotypée, par exemple tourner à droite en sortant du nid et courir tout droit jusqu'à une source de nourriture précédemment identifiée. Des stratégies plus complexes nécessitent de se guider à l'aide de points de repère, d'autres enfin requièrent une connaissance précise de l'environnement. <br />Bien avant la découverte de l'existence dans le cerveau du rat de neurones impliqués dans le traitement de représentations spatiales, des études en psychologie animale avaient suggéré que les rongeurs étaient capables de se repérer en élaborant une sorte de carte mentale de leur environnement, une carte cognitive (Tolman, 1948). Cette proposition faisait l'objet de débats passionnés, opposant ses défenseurs à leurs homologues comportementalistes, selon qui le comportement spatial des animaux devait s'expliquer en termes de chaînes d'associations stimulus-réponse. Une vingtaine d'années plus tard, O'Keefe et Dostrovsky (1971) mettaient en évidence que les cellules pyramidales de l'hippocampe sont impliquées dans le codage de la position du rat dans l'environnement. En raison de cette corrélation fonctionnelle frappante, ces neurones furent appelés cel lules de lieu. Plus récemment, Ranck (1984) découvrait les cellules de direction de la tête (DT), des neurones du postsubiculum (une structure de la formation hippocampique) qui déchargent sélectivement lorsque la tête du rat est orientée dans une direction particulière de l'environnement.<br />Comment de tels neurones sont-ils activés « au bon moment » ? Lorsqu'un animal explore son environnement, divers signaux sensoriels et moteurs au sein du système nerveux central sont susceptibles de véhiculer des informations spatiales : par exemple, les signaux d'origine visuelle peuvent servir à s'orienter par rapport à des points de repère saillants ; ou bien encore, les signaux d'origine vestibulaire, qui codent les accélérations angulaires et linéaires de la tête, permettent de déterminer le mouvement de la tête dans l'espace.<br />Notre travail a pour but de mieux comprendre comment ces différents signaux sensoriels et moteurs contribuent à la genèse et à la mise à jour des réponses des cellules DT chez le rat. <br />Nous commencerons donc par placer notre travail dans un contexte théorique précis, en définissant tout d'abord la notion de référentiel, qui permet de caractériser les relations spatiales entre le sujet et l'environnement - ou entre les éléments de l'environnement. Puis, nous passerons en revue les signaux sensoriels et moteurs potentiellement impliqués dans l'élaboration des représentations spatiales, et leurs possibles intéractions. Nous nous attacherons à distinguer les informations spatiales fournies par les éléments de l'environnement, de celles qui sont fournies par les signaux neuraux générés par les mouvements propres du sujet. Ces considérations théoriques seront l'ob jet de la première Partie. <br />Dans la deuxième Partie, nous présenterons un ensemble de travaux de psychologie animale qui ont permis de mieux caractériser les influences des repères environnementaux et des signaux de mouvement propre sur les comportements spatiaux des rongeurs. Une revue exhaustive de ces études dépassant le cadre de notre travail, nous ne nous intéresserons ici qu'à un certain nombre de résultats choisis ayant un rapport direct avec les questions théoriques qui ont guidé nos propres travaux expérimentaux. <br />Nous présenterons ensuite quelques structures neurales impliquées dans le traitement des représentations spatiales, dont le fonctionnement pourrait constituer la base neurophysiologique d'un certain nombre de comportements spatiaux. Nous insisterons tout particulièrement sur les cellules DT (troisième Partie) et les cellules de lieu (quatrième Partie). <br />Nous verrons que les réponses de ces deux populations de neurones sont influencées à la fois par les repères environnementaux, et par les signaux produits par les mouvements propres de l'animal. Pour d'autres revues des résultats expérimentaux concernant les influences des signaux sensoriels et moteurs sur les réponses des cellules DT et des cellules de lieu, le lecteur est invité à se référer à Wiener et Zugaro (2001) et à Wiener, Rondi-Reig, et Zugaro (2001), ainsi qu'à Zugaro et coll. (2000). <br />Nous présenterons ensuite un certain nombre d'autres structures cérébrales dont les réponses sont corrélées au comportement spatial de l'animal (cinquième Partie). Il s'agira cette fois d'une présentation succincte, notre intention étant surtout de montrer comment les signaux générés par ces structures pourraient influencer les cellules DT et les cellules de lieu. <br />Nous serons alors à même de présenter nos propres travaux expérimentaux (sixième Partie). Ces travaux ont fait l'objet d'articles publiés (ou récemment acceptés) par des revues internationales à comité de lecture (Zugaro, Tabuchi, et Wiener, 2000 ; Zugaro, Berthoz, et Wiener, 2001a ; Zugaro et coll., 2001 ; Zugaro, Berthoz, et Wiener, 2001b). Un manuscrit est également en cours de rédaction en collaboration avec Robert Muller, Jeffrey Taube, Joshua Bassett, Gary Muir et Edward Golob. Ces articles sont proposés ici dans leur intégralité, précédés de résumés en français incluant dans chaque cas une présentation de la problématique, des expériences et des résultats, ainsi que d'une discussion. <br />Nous conclurons par une discussion générale.

L'objectif de ce travail a été d'étudier deux aspects de la flexibilité du système des cellules de lieu de l'hippocampe : la réponse adaptative des cellules de lieu à des changements environnementaux, et les aspects moléculaires impliqués dans cette flexibilité. Dans une première étude, nous avons évalué la capacité de ces cellules à maintenir une représentation spatiale stable malgré des changements des repères de l'environnement. Nous avons pour cela produit un conflit en tournant deux types d'indices dans des directions opposées : des indices proches et des indices distants. La majorité des cellules montre une réorganisation de la représentation (remapping), ce qui suggère qu'elles sont contrôlées par la configuration d'ensemble des indices. Moins souvent, les cellules sont contrôlées par les indices proches, et encore moins souvent par les indices distants. En retirant un des ensemble d'indices, nous observons la compétition entre les processus de pattern completion et pattern separation. Dans un deuxième ensemble d'études, nous avons cherché à comprendre l'implication du gène zif268 dans la mémoire spatiale à court terme et à long terme. Ce gène, membre de la famille des facteurs de transcription Egr, jouerait le rôle de « commutateur moléculaire » permettant le remodelage durable des réseaux neuronaux à la base de la formation de traces mnésiques stables, qui a lieu lors des processus de potentialisation à long terme (PLT). Nous avons testé une souche de souris mutantes chez laquelle le gène zif268 (Krox24) est invalidé dans l'ensemble du cerveau. D'abord, nous avons voulu identifier comment ce gène contrôle la stabilité des champs d'activité des cellules de lieu de CA1 hippocampiques. Nos résultats montrent que les souris mutantes zif268 ont des cellules de lieu fonctionnelles, avec des paramètres de décharges comparables aux souris contrôles. Nous avons trouvé que la délétion de ce gène n'interfère pas avec la formation, ni avec le maintien à court terme (1h) d'une nouvelle représentation, mais affecte seulement son maintien à long terme (24h). Zif268 est donc nécessaire pour le maintien à long terme de la représentation spatiale. Ensuite, dans une tâche d'exploration d'objets, nous avons montré que les souris mutantes zif268 présentaient des déficits dans la détection d'un changement spatial, après la réactivation du contexte initial, ce qui suggère un rôle de zif268 dans la re-consolidation. Ensemble, ces résultats indiquent que zif268 est un élément clef de la voie de signalisation moléculaire responsable de la formation de souvenirs à long terme.

Le travail de recherche réalisé au cours de cette thèse s'intéresse à la nature des représentations spatiales formées par le cortex entorhinal médian (CEM). Tout d'abord, nous montrons que le CEM code spécifiquement une information de distance, l'une des composantes nécessaires pour que l'animal puisse réaliser un type de navigation reposant sur les informations idiothétiques, appelé intégration des trajets. Puis, nous observons que le système vestibulaire, une source importante d'informations idiothétiques, influence l'activité thêta du CEM et permet la modulation de ce rythme thêta par la vitesse de déplacement des animaux. Ensuite, nous montrons que l'activité du CEM est nécessaire à la stabilité de l'activité des cellules de lieu. Parallèlement, nous observons que l'activité des cellules grilles du CEM est modifiée par les informations contenues dans l'environnement (allothétiques).Dans leur ensemble, nos résultats montrent que le CEM traite et intègre des informations idiothétiques mais aussi des informations allothétiques. Ces données suggèrent que la carte spatiale du CEM ne fournit pas une métrique universelle reposant sur les informations idiothétiques, mais possède un certain degré de flexibilité en réponse aux changements environnementaux. De plus, cette carte spatiale entorhinale n'est pas requise pour la formation de l'activité spatiale des cellules de lieu, contrairement à ce que suggère l'hypothèse dominante. / The work conducted during my PhD thesis was aimed at understanding the nature of the spatial representation formed by the the medial entorhinal cortex (MEC). First, we show that the MEC codes specifically distance information which is necessary for a type of navigation based on idiothetic cues, called path integration. Then, we observe that the vestibular system, an important source of idiothetic information in the brain, influences the MEC theta rhythm and its modulation by the animal velocity. In addition, we show that MEC activity is necessary for the stability of place cells activity. Finally, we observe that entorhinal grid cells activity is modified by the information available in the environment (allothetic information).Together, our results show that the MEC processes and integrates idiothetic information as well as allothetic information. These data suggest that the entorhinal map is not a universal metric based on idiothetic information, but is flexible and dependant on the information present in the environment. In addition, the entorhinal map is not required for the generation of place cells activity, contrary to the dominant hypothesis.