Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences cognitives. Neurosciences : Lyon 2 : 2007. / Bibliogr.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les résultats des recherches précédentes suggèrent qu'une privation auditive temporaire peut avoir un impact significatif sur les processus audiovisuels de la parole. Cependant, dû à la spécificité des tâches précédemment utilisées, il est trop tôt pour affirmer qu'une privation auditive temporaire a un effet sur l'ensemble des processus d'intégration multisensorielle. Le but de cette recherche est d'examiner si une privation auditive temporaire entrave les autres processus multisensoriels chez l'adulte. Une tâche illusoire audiotactile a été administrée à un groupe de personne ayant une audition normale et un groupe de participants temporairement privés d'audition. Les membres de ce dernier groupe se sont vus restaurer leurs seuils d'audition à l'aide de l'implant cochléaire. Les résultats des conditions contrôles ont confirmé que les membres des deux groupes ont des capacités unisensorielles similaires. Les résultats expérimentaux ont révélé que les participants sourds porteurs de l'implant cochléaire sont incapables d'intégrer l'information auditive et tactile. Considérant la nature de la tâche, ces différences ne peuvent pas être reliées à l'utilisation de l'implant cochléaire. Ces résultats suggèrent qu'une perte auditive temporaire entrave la capacité de fusionner l'information multisensorielle. Une expérience auditive continue semble donc être essentielle au maintien d'une intégration sensorielle normale. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Intégration multisensorielle, privation temporaire, surdité, intégration audiotactile.

Thèse (M.Ps.)--Université Laval, 2003. / Bibliogr. Publié aussi en version électronique.

Des preuves convergentes ont attribué aux interneurones de l’inhibition périsomatique (IIPs) un rôle clé dans la production des oscillations gamma (OG). J’ai sondé optogénétiquement l'effet de l'inhibition périsomatique réduite sur les OG et l'apprentissage associatif dans le cortex auditif des souris se comportant librement. Contrairement aux expectatives, je n'ai pas observé une réduction des OG pendant l'inhibition des IIPs, mais plutôt une forte augmentation de l'amplitude dans les OG. L'amplification du potentiel évoqué auditif (PEA) N15, ainsi que l'absence d'une augmentation de la synchronisation entre le cortex et le thalamus, suggèrent que la diminution de l'inhibition périsomatique désinhibe le cortex auditif et favorise la génération intracorticale des OG. Dans une autre expérience, j’ai montré que l'inhibition des IIPs a détérioré l'apprentissage et a produit une réduction liée à l'expérience dans le PEA N15. Enfin, j’ai trouvé que l'abaissement de l'inhibition optogénétique livré à IIP et le réapprentissage des souris ont renforcé les OG auditivement induites. / Convergent evidence has attributed to perisoma-inhibiting interneurons (PIIs) a key role in the generation of gamma oscillations (GO). I optogenetically probed the effect of reduced perisomatic inhibition on GO and associative learning in the auditory cortex of freely behaving mice. Contrary to expectations, I did not observe a reduction in GO during inhibition of PIIs, but rather a strong increase in the amplitude of GO. The amplification of the auditory-evoked potential (AEP) N15, together with the absence of an increase in synchrony between the cortex and the thalamus, suggest that decreased perisomatic inhibition disinhibits the auditory cortex and promotes the intracortical generation of GO. In a different experiment, I showed that inhibition of PIIs impaired learning and produced an experience-related reduction in the AEP N15. Lastly, I found that lowering the optogenetic inhibition delivered to PIIs and retraining mice enhanced auditory-induced GO.

L’implant cochléaire, la neuroprothèse la plus répandue et la plus réussie de nos jours, permet à des sujets sourds profonds de récupérer une perception auditive permettant une compréhension du langage. Bien que les technologies et les processeurs actuels aient grandement évoluées depuis ces vingt dernières années, la stratégie optimale pour coder l'intensité sonore dans l’implant n’a pas encore été trouvée. L'accès à des indices physiologiques est difficile chez le patient humain alors qu’il est relativement simple chez l’animal. Le but de cette thèse était de développer un modèle animal (cobaye) d'implantation cochléaire et d'étudier la réponse du système auditif à différentes stratégies de stimulation. Les réponses du nerf auditif et des neurones du cortex auditif primaire ont été obtenues lors de stimulations via un implant cochléaire simplifié.Nous avons observé que l’importante variabilité inter-individuelle dans l’efficacité de 2 stratégies (augmentation d’amplitude vs. de durée des pulses électriques) à augmenter les réponses du nerf auditif se répercute au niveau du cortex auditif. Les tests de nouvelles formes de pulses (pulses asymétriques ou en rampes) sur les réponses des neurones corticaux suggèrent que ce type de pulses permettrait de réduire l’étendue corticale activée par la stimulation électrique même aux charges les plus élevées. Là aussi, une importante variabilité inter-individuelle a été observée. Cela a conduit à ce que les activations corticales les plus proches de l’activation normalement observée par des sons purs, soient obtenues soit avec une forme de pulses soit une autre. Cette thèse prône donc qu’il est indispensable d’avoir accès à de nombreuses stratégies de stimulation sur chaque sujet afin de choisir celle la plus adaptée pour un patient donné. / Cochlear implant, the most successful neuroprosthesis allows deaf subjects to recover auditory perception and speech intelligibility. Over the last decades, the technology and the coding strategies in cochlear implants have been largely improved but the optimal strategy for coding loudness is still problematic. Human studies face a lot of restrictions especially regarding the collection of electrophysiological events. The primary goal of this thesis is to develop an animal model (guinea pig) of implantation and to study the auditory system's responses for different strategies for coding sound loudness (increase in amplitude vs. duration of electrical pulses). We studied the responses of the auditory nerve and primary auditory cortex obtained with electrical stimulation delivered through a simplified cochlear implant.We observed that the large inter-individual variability in the efficacy of these two classical strategies for increasing auditory nerve responses is reflected in the auditory cortex. Testing new forms of pulses (asymmetric pulses or ramped pulses) suggests that this type of pulses would reduce the evoked responses of cortical neurons even at the highest injected charges. Again, a large inter-individual variability was observed. As a consequence, for each animal, the cortical response the closest from the activation normally observed with pure tones, is obtained either with one form of pulses or another. This thesis advocates that it is essential to have access to several stimulation strategies on each subject in order to choose the most appropriate for a given patient.

Ces travaux de recherche ont eu pour objectif d’évaluer les capacités de discrimination des réponses des neurones et leur robustesse dans le bruit à chaque étage du système auditif. Nous avons ainsi quantifié la capacité de discrimination neuronale entre quatre vocalisations cibles conspécifiques masquées par un bruit stationnaire depuis le noyau cochléaire jusqu’au cortex auditif secondaire chez le cobaye anesthésié. La discrimination des vocalisations cibles par les populations neuronales a été fortement diminuée par le bruit dans toutes les structures, mais les populations du colliculus inférieur et du thalamus ont montré de meilleures performances que les populations corticales. La comparaison avec les réponses neuronales obtenues avec les vocalisations vocodées (38, 20 ou 10 bandes de fréquences) a révélé que la réduction des capacités de discrimination neuronale était principalement due à l'atténuation des modulations d'amplitude lente (< 20 Hz). En outre, nous avons quantifié la robustesse des réponses neuronales grâce à une méthode de classification automatique réalisée sur l’ensemble des données obtenues en présence du bruit stationnaire et d’un autre bruit appelé chorus. Cela a mis en évidence cinq catégories de comportements neuronaux (des plus robustes aux plus sensibles) et leurs proportions respectives sur l’ensemble du système auditif ainsi qu’au sein de chaque structure auditive. Cette analyse a montré également qu’il existait des neurones robustes à tous les étages du système auditif, bien qu’une proportion plus importante soit retrouvée au niveau du colliculus inférieur et du thalamus. Par ailleurs, la proportion de neurones robustes est plus faible dans le bruit chorus ce qui laisse suggérer que ce dernier est plus pénalisant que le bruit stationnaire. Il est important de souligner qu’une proportion non négligeable de neurones sous-corticaux et corticaux changent de comportement d’un bruit à l’autre de sorte que le comportement de ces neurones dans un bruit particulier est peu prédictible. Ces résultats démontrent donc que la discrimination neuronale en situation de dégradation acoustique est principalement déterminée par l’altération des modulations lentes d'amplitude à la fois au niveau sous-cortical et cortical et suggèrent que les structures sous-corticales contribuent de façon importante à la perception robuste d’un signal cible dans le bruit. / This research aimed at evaluating the discrimination abilities of neuronal responses and their robustness to noise at each stage of the auditory system, from the cochlear nucleus to the secondary auditory cortex. We quantified the neuronal discrimination performance between four conspecific vocalizations masked by a stationary noise in anesthetized guinea pig. Discrimination of target vocalizations by neuronal populations was significantly reduced by noise in all structures, but collicular and thalamic populations displayed better performance than cortical populations. The comparison with neuronal responses obtained with vocoded vocalizations (using 38, 20 or 10 frequency bands) revealed that the reduction in discrimination performance was mainly due to the attenuation of slow amplitude modulations (<20 Hz). In addition, we quantified the robustness of neuronal responses using an automatic classification method performed on the whole database obtained in presence of stationary noise and of another noise called “chorus” noise. This highlighted five categories of neural behavior (from robustness to sensitivity) and their respective proportions across the auditory system as well as within each auditory structure. This analysis demonstrated that robust neurons do exist at all stages of the auditory system, although a higher proportion was found in the inferior colliculus and thalamus. Moreover, the proportion of robust neurons is lower in the chorus noise, which suggests that the latter is more penalizing than the stationary noise. It is worth to point out that a significant proportion of subcortical and cortical neurons changed category from one background noise to another, so that the behavior of these neurons in a particular noise was unpredictable. These results provide clear evidence that neuronal discrimination in degraded acoustic conditions is mainly determined by alterations of slow amplitude modulations both at the subcortical and cortical level, and suggest that the subcortical structures significantly contribute to the robust perception of a target signal in noise.

Les interfaces cerveau-machine visent à établir un lien de communication entre le cerveau et un système externe à ce dernier. Les électroencéphalogrammes (EEG), dans ce contexte, ont l’avantage d’être non invasifs. Par contre, l’information sensorielle qui se retrouve dans un signal EEG est beaucoup moins ciblée que dans un signal neuronal acquis par une méthode invasive. De plus, étant donné que le cortex auditif est situé dans des repliements du tissu cortical, les neurones qui déchargent, suite à un stimulus auditif, sont parallèles à la surface corticale sur laquelle les EEG sont enregistrés. Par conséquent, l’information auditive qui se retrouve dans le canal EEG situé vis-à-vis du cortex auditif est faible. L’objectif principal de ce projet de recherche consiste donc à étudier la répartition de l’information auditive dans l’ensemble des canaux EEG. Pour ce faire, nous utilisons deux approches. Dans la première, nous tenterons d’estimer l’activité corticale sous-jacente à partir des signaux EEG en utilisant un modèle de couplage bande fréquence. En effet, certaines bandes de fréquences sont des bons prédicteurs des décharges neuronales. Cependant, cette approche n’a pas été validée pour le système auditif, nous confronterons donc l’estimation obtenue à une autre estimation en ayant recours à un modèle spécialisé pour l’encodage du signal de parole faisant appel aux processus ponctuels. Ce modèle prend en compte les dynamiques intrasèques des neurones et également des propriétés spectrotemporelles du stimulus d’entrée. Dans la seconde approche, nous étudierons la possibilité de classifier 3 voyelles (a, i et u) en fonction du nombre de canaux EEG utilisés ainsi que leur répartition sur le cuir chevelu. Nous aurons recours, pour cela, à un réservoir de neurone à décharge récurrent activé en entrée par les données EEG. Les résultats démontrent que l’information auditive se retrouve en fait dans l’ensemble des canaux EEG et qu’elle n’est pas confinée à un nombre restreint d’électrodes. Il est également montré que lorsque l’on utilise les 64 électrodes que comporte l’EEG pour classifier les 3 voyelles, on obtient une classification de l’ordre de 80%, mais aussi qu’un nombre limité de 10 électrodes suffit pour obtenir une classification satisfaisante et, qu’en plus, la position de ces électrodes sur le cuir chevelu est peu importante.

La compréhension actuelle de l'état comateux est très limitée. La technique des potentiels évoqués s'est démontrée des plus prometteuses en vue de l'élaboration du pronostic des patients en coma. La MMN, une onde cognitive auditive, est perçue comme reflétant un processus automatique de sélection dans le cortex auditif primaire, pouvant être enregistrée sans que le sujet porte attention au stimulus. Quelques études ont rapportées que la présence d'une MMN chez les patients comateux est un facteur de pronostic favorable. Ce mémoire vise à répliquer les résultats des études antérieures, avec un contrôle optimal des paramètres d'enregistrements, sur un échantillon composé de 16 enregistrements provenant de patients ayant subi un traumatisme craniocérébral (TCC) modéré à sévère à différents niveaux de conscience. Les conclusions soulèvent l'intérêt de la MMN pour la validation du niveau conscience des patients et l'évaluation du traitement cognitif dans le cortex auditif durant les différents états de conscience.

Les processus d'apprentissage et de mémoire sont contrôlés par des circuits et éléments neuronaux spécifiques. De nombreuses études ont récemment mis en évidence que les circuits corticaux jouent un rôle important dans la régulation des comportements de peur, cependant, leurs caractéristiques anatomiques et fonctionnelles restent encore largement inconnues. Au cours de ma thèse, en utilisant des enregistrements unitaires et des approches optogénétiques chez la souris libre de se comporter, nous avons pu montrer que les interneurones inhibiteurs du cortex auditif et du cortex préfrontal médian forment un microcircuit désinhibiteur permettant respectivement l'acquisition et l'expression de la mémoire de peur conditionnée. Dans les deux cas, les interneurones parvalbuminergiques constituent l'élément central du circuit et sont inhibés de façon phasique. D’un point de vue fonctionnel, nous avons démontré que cette inhibition était associée à la désinhibition des neurones pyramidaux par un mécanisme de réduction de l'inhibition continue exercée par les interneurones parvalbuminergiques. Ainsi, les interneurones parvalbuminergiques peuvent contrôler temporellement l'excitabilité des neurones pyramidaux. En particulier, nous avons montré que l'acquisition de la mémoire de peur conditionnée dépend du recrutement d'un microcircuit désinhibiteur localisé dans le cortex auditif. En effet, au cours du conditionnement de peur, la présentation du choc électrique induit l'inhibition des interneurones parvalbuminergiques, ce qui a pour conséquence de désinhiber les neurones pyramidaux du cortex auditif et de permettre l’apprentissage du conditionnement de peur. Dans leur ensemble, ces données suggèrent que la désinhibition est un mécanisme important dans l'apprentissage et le traitement de l'information dans les circuits corticaux. Dans un second temps, nous avons montré que l'expression de la peur conditionnée requière l'inhibition phasique des interneurones parvalbuminergiques du cortex préfrontal médian. En effet, leur inhibition désinhibe les cellules pyramidales préfrontales et synchronise leur activité en réinitialisant les oscillations thêta locales. Ces résultats mettent en évidence deux mécanismes neuronaux complémentaires induits par les interneurones parvalbuminergiques qui coordonnent et organisent avec précision l’activité neuronale des neurones pyramidaux du cortex préfrontal pour contrôler l'expression de la peur conditionnée. Ensemble, nos données montrent que la désinhibition joue un rôle important dans les comportements de peur en permettant l’association entre des informations comportementalement pertinentes, en sélectionnant les éléments spécifiques du circuit et en orchestrant l'activité neuronale des cellules pyramidales. / Learning and memory processes are controlled by specific neuronal circuits and elements. Numerous recent reports highlighted the important role of cortical circuits in the regulation of fear behaviour, however, the anatomical and functional characteristics of their neuronal components remain largely unknown. During my thesis, we used single unit recordings and optogenetic manipulations of specific neuronal elements in behaving mice, to show that both the auditory cortex and the medial prefrontal cortex contain a disinhibitory microcircuit required respectively for the acquisition and the expression of conditioned fear memory. In both cases, parvalbumin-expressing interneurons constitute the central element of the circuit and are phasically inhibited during the presentation of the conditioned tone. From a functional point of view, we demonstrated that this inhibition induced the disinhibition of cortical pyramidal neurons by releasing the ongoing perisomatic inhibition mediated by parvalbumin-expressing interneurons onto pyramidal neurons. Thereby, this disinhibition allows the precise temporal regulation of pyramidal neurons excitability. In particular, we showed that the acquisition of associative fear memories depend on the recruitment of a disinhibitory microcircuit in the auditory cortex. Fear-conditioning-associated disinhibition in auditory cortex is driven by foot-shock-mediated inhibition of parvalbumin-expressing interneurons. Importantly, pharmacological or optogenetic blockade of pyramidal neuron disinhibition abolishes fear learning. Together, these data suggest that disinhibition is an important mechanism underlying learning and information processing in cortical circuits. Secondly, in the medial prefrontal cortex, we demonstrated that expression of fear behaviour is causally related to the phasic inhibition of prefrontal parvalbumin-expressing interneurons. Inhibition of parvalbumin-expressing interneuron activity disinhibits prefrontal pyramidal neurons and synchronizes their firing by resetting local theta oscillations, leading to fear expression. These results identify two complementary neuronal mechanisms both mediated by prefrontal parvalbumin-expressing interneurons that precisely coordinate and enhance the neuronal efficiency of prefrontal pyramidal neurons to drive fear expression. Together these data highlighted the important role played by neuronal disinhibition in fear behaviour by binding behavioural relevant information, selecting specific circuit elements and orchestrating pyramidal neurons activity.