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.

La catégorisation est un ensemble d’opérations mentales qui permettent de classer les objets et les évènements. C’est un processus crucial pour de nombreuses situations, telles que la survie dans le monde animal, l’apprentissage chez l’enfant, ou encore le raisonnement abstrait et la résolution de problèmes. Les patients ayant des lésions du cortex préfrontal présentent des difficultés pour les tâches de catégorisation, et l’existence de ces difficultés est corrélée au handicap fonctionnel de ces patients. Dans une première partie, nous avons mis au point une tâche de catégorisation adaptée pour l’utilisation chez le patient, intitulée SimiCat. A l’aide de cette tâche, nous avons précisé les difficultés de catégorisation des patients et montré que les erreurs de type différenciations sont spécifiques des patients frontaux. La tâche SimiCat présente une très bonne valeur diagnostique pour distinguer les patients ayant une démence fronto-temporale de ceux ayant une maladie d’Alzheimer. Dans une deuxième partie, nous avons utilisé l’IRM fonctionnelle pour préciser les bases cérébrales de deux processus clés pour la catégorisation : l’abstraction et la détection de similitudes. Nous avons montré que l’abstraction repose sur le cortex préfrontal dorsolatéral gauche, alors que la détection de similitudes repose sur le cortex préfrontal ventrolatéral bilatéral. A l’aide de la morphométrie basée sur le voxel, nous avons montré que la variabilité des performances de catégorisation des sujets sains était corrélée au volume de la portion antérieure du gyrus temporal moyen et inférieur droit, avec un gradient postéro-antérieur selon le niveau d’abstraction de la catégorisation. Dans une troisième partie, nous avons mis au point une tâche de double amorçage sémantique que nous utiliserons pour étudier les processus de catégorisation automatique chez les patients ayant des lésions frontales et temporales. A partir de ces résultats, nous proposons un modèle d’organisation cérébrale pour la catégorisation, reposant sur les régions temporales antérieures, le cortex préfrontal ventrolatéral bilatéral et dorsolatéral gauche. Nos résultats permettent également de mieux comprendre les déficits de catégorisation des patients, ce qui permettra d’adapter leur prise en charge diagnostique et thérapeutique. / Categorization is a set of mental processes that allow classifying objects and events. It is crucial in various contexts such as survival in animals, concept learning in children, abstract reasoning and problem solving. Patients with brain lesions involving the prefrontal cortex are impaired in categorization tasks. Categorization impairment correlates with functional autonomy in dementia. In the first part, we have developed a task, named SimiCat that we designed in order to assess categorization abilities in patients. With the help of this task, we showed that differentiation errors are specific of frontal patients. The SimiCat task has a good diagnostic value to distinguish behavior variant Frontotemporal dementia from Alzheimer disease.In the second part, we assessed the brain correlates of categorization. With functional MRI, we showed that abstraction involves the left dorsolateral prefrontal cortex, while similarity detection involves bilateral ventrolateral prefrontal cortex. With voxel-based morphometry we showed that variability in categorization performances correlates with the volume of the right anterior temporal lobe, with a caudo-rostral gradient according to abstraction. In the third part, we developed a double priming task that we will use to assess automatic categorization processes in patients with temporal and frontal lesions. Based on these results, we propose a model of brain organization for categorization. This model involves both anterior temporal lobes, as well as bilateral ventrolateral and left dorsolateral prefrontal cortices. Our results also contribute to a better understanding and management of patients suffering from categorization deficits.

Les enfants qui ont subi une asphyxie périnatale modérée (MPA) risquent de développer des déficits cognitifs et comportementaux subtils et durables, notamment des troubles d'apprentissage et des problèmes émotionnels. Comprendre les mécanismes sous-jacents est une étape essentielle pour concevoir une thérapie ciblée. Déterminer comment le développement du cerveau est corrélé entre les humains et les rongeurs n'est pas simple, mais il existe également un alignement inter-espèces considérable en termes d'étapes clés du développement. Sur la base des changements biochimiques et neuroanatomiques au cours du développement précoce, le consensus général est qu'un cerveau de rongeur P8-10 correspond à peu près au cerveau d'un enfant à terme ; par conséquent, nous avons utilisé cette fenêtre temporelle comme référence pour développer un modèle préclinique de MPA chez la souris. Nous avons d'abord établi un protocole qui nous permet d'observer de manière fiable les crises induites par l'hypoxie chez les souris postnatales. Nous avons constaté que l'exposition de chiots P8-9 directement à 4 % d'O2 pendant 8 minutes induit de manière fiable des crises avec une latence d'environ 5 minutes chez 3 souches de souris (FVB, C57Bl/6, 129S6). Cet aspect est cliniquement pertinent car les convulsions sont la caractéristique néonatale la plus importante de l'encéphalopathie de stade 2 (modérée) telle que définie par l'échelle de Sarnat. Les souris MPA adultes présentent des séquelles à long terme sur des performances cognitives spécifiques, notamment des déficits de la mémoire de reconnaissance et de la flexibilité cognitive, mais aucune altération du comportement moteur et émotionnel. Le cortex préfrontal (PFC) régule la flexibilité cognitive et le comportement émotionnel. Les neurones qui libèrent la sérotonine (5-HT) projettent vers le PFC, et les composés modulant l'activité 5-HT influencent l'émotion et la cognition. On ne sait pas si les dérégulations de la 5-HT contribuent aux problèmes cognitifs induits par le MPA. Dans une première étude, nous avons trouvé que les niveaux d'expression de 5-HT, quantifiés par immunohistochimie, et de libération de 5-HT, quantifiés par microdialyse in vivo chez des souris éveillées, sont réduits dans le PFC de souris MPA adultes. Les souris MPA présentent également une régulation de la température corporelle altérée après l'injection de l'agoniste des récepteurs 5-HT1A, 8-OH-DPAT, suggérant la présence de déficits dans la fonction des auto-récepteurs 5-HT sur les neurones du raphé. Enfin, le traitement chronique de souris MPA adultes avec de la fluoxétine, un inhibiteur du transporteur de recapture de la 5-HT, ou l'agoniste des récepteurs 5-HT1A, la tandospirone, sauve la flexibilité cognitive et les troubles de la mémoire. Ensemble, ces données démontrent que le développement de la fonction du système 5-HT est vulnérable à une asphyxie périnatale modérée. L'hypofonctionnement de la 5-HT pourrait à son tour contribuer à une déficience cognitive à long terme à l'âge adulte, indiquant une cible potentielle pour les thérapies pharmacologiques. Les circuits GABAergiques comprennent une variété étonnante de différents types de cellules, qui sont probablement recrutées par différents événements comportementaux. Un sous-type important de cellules GABAergiques, les cellules positives à la parvalbumine (PV), génèrent des potentiels d'action à haute fréquence et synchronisent l'activité des neurones pyramidaux excitateurs. Les cellules PV sont particulièrement importantes pour la génération d'oscillations gamma, qui à leur tour régulent de nombreuses fonctions cognitives, notamment le traitement attentionnel axé sur les objectifs et la mémoire de travail. Des découvertes récentes indiquent que les cellules PV utilisent beaucoup plus d'énergie que les autres neurones corticaux, ce qui peut les rendre très vulnérables aux conditions de stress métabolique et oxydatif causées par le MPA. Nos données ont montré que l'expression de PV est altérée chez les souris MPA adultes. Nous avons en outre constaté que le niveau d'expression du récepteur de la neurotrophine p75NTR, qui limite la maturation des cellules PV au cours de la première semaine postnatale, est augmenté chez les souris MPA. La suppression génétique de p75NTR dans les neurones GABAergiques exprimant le facteur de transcription Nkx2.1, qui comprend les cellules PV, protège les souris de la perte de niveaux de PV et des effets cognitifs à long terme du MPA. Enfin, un traitement d'une semaine avec un inhibiteur de p75NTR commençant après le MPA sauve complètement les déficits d'activité cognitive et corticale chez les souris adultes. L'ensemble de ces données révèle une cible moléculaire potentielle pour le traitement des altérations cognitives causées par le MPA. / Children who experienced moderate perinatal asphyxia (MPA) are at risk of developing long lasting subtle cognitive and behavioral deficits, including learning disabilities and emotional problems. Understanding the underlying mechanisms is an essential step for designing targeted therapy. Determining how brain development correlates between humans and rodents is not straightforward, however there is also considerable cross-species alignment in terms of key developmental milestones. Based on biochemical and neuroanatomical changes during early development, the general consensus is that a P8-10 rodent brain corresponds roughly to the brain of a term infant; therefore, we used this time window as reference to develop a preclinical model of MPA in mouse. We first established a protocol that allows us to reliably observe hypoxia-induced seizures in postnatal mice. We found that exposing P8-9 pups directly to 4% O2 for 8 minutes reliably induces seizures with a latency of about 5’ in 3 mouse strains (FVB, C57Bl/6, 129S6). This aspect is clinically relevant as seizures are the most prominent neonatal hallmark of Stage 2 (Moderate) encephalopathy as defined by the Sarnat Scale. Adult MPA mice show long-term sequelae on specific cognitive performance, including deficits in recognition memory and cognitive flexibility, but no impairment in motor and emotional behavior. The prefrontal cortex (PFC) regulates cognitive flexibility and emotional behavior. Neurons that release serotonin (5-HT) project to the PFC, and compounds modulating 5-HT activity influence emotion and cognition. Whether 5-HT dysregulations contribute to MPA-induced cognitive problems is unknown. In a first study, we found that 5-HT expression levels, quantified by immunohistochemistry, and 5-HT release, quantified by in vivo microdialysis in awake mice, are reduced in PFC of adult MPA mice. MPA mice also show impaired body temperature regulation following injection of the 5-HT1A receptor agonist 8-OH-DPAT, suggesting the presence of deficits in 5-HT auto-receptor function on raphe neurons. Finally, chronic treatment of adult MPA mice with fluoxetine, an inhibitor of 5-HT reuptake transporter, or the 5-HT1A receptor agonist tandospirone rescues cognitive flexibility and memory impairments. All together, these data demonstrate that the development of 5-HT system function is vulnerable to moderate perinatal asphyxia. 5-HT hypofunction might in turn contribute to long-term cognitive impairment in adulthood, indicating a potential target for pharmacological therapies. GABAergic circuits comprise an astonishing variety of different cell types, which are likely recruited by different behavioral events. An important subtype of GABAergic cells, the fast-spiking, parvalbumin-positive (PV) cells, generate action potentials at high frequency and synchronize the activity of excitatory pyramidal neurons. PV cells are particularly important for the generation of gamma oscillations, which in turn regulate many cognitive functions including goal-directed attentional processing and working memory. Recent findings indicate that PV cells utilize much more energy than other cortical neurons, which may render them highly vulnerable to conditions of metabolic and oxidative stress caused by MPA. Our data showed that PV expression is impaired in adult MPA mice. We further found that the expression level of the neurotrophin receptor p75NTR, which limits PV cell maturation during the first postnatal week, is increased in MPA mice. Genetic deletion of p75NTR in GABAergic neurons expressing the transcription factor Nkx2.1, which include PV cells, protects mice from PV levels loss and the long-term cognitive effects of MPA. Finally, one week treatment with a p75NTR inhibitor starting after MPA completely rescues the cognitive and cortical activity deficits in adult mice. All together this data reveals a potential molecular target for the treatment of the cognitive alterations caused by MPA.

Le contrôle exécutif de l'action fait référence a la capacité de l'homme a contrôler et adapter son comportement de manière flexible, en lien avec ses états mentaux internes. Il repose sur l’évaluation des conséquences des actions pour ajuster les choix futurs. Les actions peuvent être renforcées ou dévalues en fonction de la valeur affective des conséquences, impliquant notamment les ganglions de la base et le cortex préfrontal médian. En outre, les conséquences des actions portent une information, qui permet d'ajuster le comportement en relation avec des croyances internes, impliquant le cortex préfrontal. Ainsi, les conséquences des actions portent deux types de signaux : (1) Une valeur affective, qui représente l’évaluation de la conséquence de l'action selon les préférences subjectives, issue de l'apprentissage par renforcement ; (2) Une valeur de croyance, mesurant comment les actions correspondent aux contingences externes, en lien avec l’inférence bayésienne. Cependant, la contribution de ces deux signaux a la prise de décision reste méconnue. Dans cette these, nous avons étudie la pertinence de cette dissociation aux niveaux comportemental et cérébral. Nous présentons plusieurs expériences comportementales permettant de dissocier ces deux signaux de valeur, sous la forme de taches d'apprentissage probabiliste avec des structures de récompense stochastiques et changeantes. Nous avons construit un modelé établissant les fondations fonctionnelles et computationnelles de la dissociation. Il combine deux systèmes en parallèle : un système d'apprentissage par renforcement modulant les valeurs affectives, et un système d’inférence bayésienne modulant les croyances. Le modèle explique mieux le comportement que de nombreux modèles alternatifs. Nous avons ensuite étudie, en IRM fonctionnelle, si les représentations dépendantes et indépendantes du choix des croyances et des valeurs affectives avaient des bases neurales distinctes. L’activité du cortex préfrontal ventromédian (VMPFC) et du cortex mid-cingulaire (MCC) corrélé avec les deux variables dépendantes du choix. Cependant, une double-dissociation a été identifiée concernant les représentations indépendantes du choix, le VMPFC étant spécifique des croyances alors que le MCC est spécifique des valeurs affectives. En outre, l’activité du cortex préfrontal latéral augmente lorsque les deux valeurs de décision sont proches et que le choix devient difficile. Ces résultats suggèrent qu'avant la décision, le cortex préfrontal ventromédian (VMPFC) et le cortex mid-cingulaire (MCC) encodent séparément les croyances et les valeurs affectives respectivement. Le cortex préfrontal latéral (LPFC) combine les deux signaux pour prendre une décision, puis renvoie l'information du choix aux régions médianes, probablement pour actualiser les deux signaux de valeur en fonction des conséquences du choix. Ces résultats contribuent a élucider les mécanismes cérébraux de la prise de décision dans le cortex préfrontal. / Executive control relates to the human ability to monitor and flexibly adapt behavior in relation to internal mental states. Specifically, executive control relies on evaluating action outcomes for adjusting subsequent action. Actions can be reinforced or devaluated given affective value of outcomes, notably in basal ganglia and medial prefrontal cortex. Additionally, outcomes convey information to adapt behavior in relation to internal beliefs, involving prefrontal cortex. Accordingly, action outcomes convey two major types of value signals: (1) Affective values, representing the valuation of action outcomes given subjective preferences and stemming from reinforcement learning; (2) Belief values about how actions map onto outcome contingencies and relating to Bayesian inference. However, how these two signals contribute to decision remains unclear, and previous experimental paradigms confounded them. In this PhD thesis, we investigated whether their dissociation is behaviorally and neurally relevant. We present several behavioral experiments dissociating these two signals, in the form of probabilistic reversal-learning tasks involving stochastic and changing reward structures. We built a model establishing the functional and computational foundations of such dissociation. It combined two parallel systems: reinforcement learning, modulating affective values, and Bayesian inference, monitoring beliefs. The model accounted for behavior better than many other alternative models. We then investigated whether beliefs and affective values have distinct neural bases using fMRI. BOLD signal was regressed against choice-dependent and choice-independent beliefs and affective values. Ventromedial prefrontal cortex (VMPFC) and midcingulate cortex (MCC) activity correlated with both choice-dependent variables. However, we found a double-dissociation regarding choice-independent variables, with VMPFC encoding choice-independent beliefs, whereas MCC encoded choice-independent affective values. Additionally, activity in lateral prefrontal cortex (LPFC) increased when decision values (i.e. mixture of beliefs and affective values) got closer to each other and action selection became more difficult. These results suggest that before decision, VMPFC and MCC separately encode beliefs and affective values respectively. LPFC combines both signals to decide, then feeds back choice information to these medial regions, presumably for updating these value signals according to action outcomes. These results provide new insight into the neural mechanisms of decision-making in prefrontal cortex.

La prise de décision est un processus indispensable et vital pour les mammifères. Elle permet à l’individu de s’adapter aux changements qui s’opèrent dans son environnement et résulte de l’intégration d’informations sensorielles, émotionnelles, motivationnelles et exécutives (qui peuvent être internes ou externes à l’individu). Des études, à la fois chez le sujet humain (sujet sain, patients cérébrolésés ou atteints de pathologies psychiatriques), et sur les modèles animaux singe, rats ou souris, ont permis d’identifier le cortex préfrontal comme acteur crucial dans ces processus exécutifs complexes. La mise en place au sein de notre laboratoire d’un test d’interaction sociale permettant de générer des prises de décision rapides et adaptées en présence d’un congénère nouveau, nous a permis d’étudier les bases neurobiologiques et comportementales sous-jacentes à la prise de décision et à la flexibilité comportementale. Il est connu que les rongeurs émettent des USVs dont le rôle et les mécanismes motivationnels et/ou émotionnels restent largement inconnus à ce jour. Mon travail de thèse repose principalement sur l’identification des acteurs cérébraux de cette interaction sociale, et sur le rôle putatif des USVs. D’autre part, je me suis employé à comprendre comment les motivations naturelles (telles que la nourriture, l’exploration d’objet ou de l’environnement, et l’interaction avec un congénère) sont intégrées au canevas de prise de décision et comment elles l’influencent.Dans un premier temps, en utilisant des procédures d’imagerie cellulaire basée sur l’expression de gènes précoces (c-fos), et ce, à la fois chez des animaux contrôles et chez des animaux présentant des troubles des comportements sociaux (β2KO), nous avons pu mettre en évidence l’implication différentielle de sous-parties du cortex préfrontal chez la souris. Par la suite, la mise en place d’un logiciel spécifique d’analyse, ainsi que la modulation de l’état de motivation de l’animal lors de la tâche d’interaction sociale, nous a permis de mieux comprendre l’établissement de comportements adaptés lors de l’interaction sociale. Pour finir, en variant les contextes comportementaux, nous avons montré qu’il existe une relation étroite entre état émotionnel et motivationnel de l’animal et émission d’USVs. Notamment, les USVs semblent porter une information spécifique lors de l’interaction sociale qui reste encore largement à déterminer. / Decision-making is one of the most essential process for mammals. It allows the individual to adapt to environmental changes by the integration of sensory, emotional, motivational and executive information. Numerous studies, in human subject (healthy or not), and on animal models like monkey, rats or mice, have allowed the identification of a major actor in these complex processes: the prefrontal cortex. In our laboratory, we set up a new test, called the social interaction task -SIT-, to generate quick and adapted decision-making in presence of a new congener. This task was used to dissect neural and behavioral bases underlying decision-making and behavioral flexibility during social interaction. It is well known now that rodents emit ultrasonic vocalizations -USVs-, of which roles and mechanisms (motivational or emotional) remain largely unknown. My work was devoted to the identification of brain structures that allow flexible social interactions, and to the unraveling of the putative role(s) of USVs during SIT. I also tried to understand how natural motivations (like social interaction, exploration, and food consumption) take part in the decision-making process.First, by using cellular imaging procedure based on the expression of immediate early genes (c-fos): we were able to highlight the differential involvement of sub-areas of the prefrontal cortex in mice. Subsequently, the development of a new specific software, and the ability to modulate the motivational state of the animal, enabled us to understand better the establishment of adapted behaviors during the SIT. Finally, by varying behavioral contexts, we found a tight relationship between emotional/motivational states and USVs emissions. Notably, USVs appear to carry specific information in social interaction, and this point largely remains to be determined.

Les mécanismes de décision impliqués dans le switching entre tâches à la base d'un indice a été étudié intensément, p.ex. la suspension de l'exécution d'une tâche pendant la réalisation d'une autre, avec une récompense fixe. Dans ce cas, le cortex frontopolaire (CFP) est impliqué quand les sujets doivent garder en tête un but principal pendant l'exécution de buts parallèles, et le cortex cingulaire antérieur (CCA) associerait les actions à leurs résultats. Pendant ma thèse, j'ai étudié le switching à différents niveaux d'abstraction de l'action dans la prise de décision fondée sur la valeur espérée: choisir librement d'un côté entre deux actions simples, de l'autre côté entre deux structures abstraites, i.e. des tâches. Les signaux BOLD ont été enregistrés en IRMf sur des sujets sains pendant une expérience d'apprentissage inversé probabiliste, avec des probabilités de récompenses stochastiques anti-corrélées. J'ai comparé des modèles d'apprentissage par renforcement et d'inférence bayésienne afin d'en déduire pour chaque sujet les valeurs des options, qui ont été régressées contre la réponse BOLD. Les résultats montrent une implication du cortex préfrontal ventromédian et du striatum au niveau des actions, et en contraste le CFP, le CCA et le cortex préfrontal dorsolatéral au niveau des tâches. Le CFP surveille les preuves en faveur de la tâche alternative, et le CCA témoigne d'un effet tâche, prédisant le switching entre tâches, mais pas entre actions. En outre, j'ai montré un engagement spécifique du réseau préfrontal dans la prise de décision fondée sur la valeur espérée de structures abstraites à travers des analyses de connectivité.

Les modèles du contrôle exécutif et du cortex préfrontal accordent une place grandissante au signal de récompense dans la prise de décision. La dopamine pourrait jouer un rôle clé en signalant l'écart entre la récompense reçue et celle qui était prédite (erreur de prédiction de la récompense).<br />Nous avons combiné les méthodes de psychophysique, d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), et de tomographie par émission de positons (TEP) avec un antagoniste des récepteurs dopaminergiques D2/D3 (11C-raclopride) afin d'étudier chez l'homme les mécanismes de l'apprentissage d'une séquence motrice guidé par la récompense. L'IRMf nous a permis d'analyser en détail la dynamique de cet effort mental, impliquant un réseau préfrontal, pariétal et striatal distribué qui s'activait rapidement durant les périodes de recherche de séquences par essais et erreurs et s'effondrait durant les périodes suivantes de répétition routinière. Cet effondrement pouvait être conduit par un processus de déduction élémentaire préalable à la réception de la récompense (autoévaluation).<br />De plus, certaines sous-régions de ce réseau étaient particulièrement engagées dans le traitement de paramètres statistiques de la récompense (l'erreur de prédiction et la quantité d'information).<br />Parallèlement, nous avons développé une méthode récente d'évaluation dynamique de la libération de dopamine in vivo en TEP, et avons montré que la libération de dopamine augmentait bilatéralement au sein du striatum ventral et du noyau caudé durant la tâche de recherche. Afin de valider ces observations et d'évaluer la sensibilité de cette méthode, nous avons mis en oeuvre un paradigme TEP standard (mesure du « binding potential » du raclopride). Celui-ci nous a en outre permis de mesurer une corrélation entre la libération de dopamine dans le striatum ventral droit et les valeurs comportementales des sujets. Ces résultats sont en accord avec l'hypothèse d'un rôle de la dopamine striatale dans l'apprentissage guidé par la récompense chez l'homme.<br />Pour la première fois à notre connaissance, l'emploi combiné de l'IRMf et du marquage des récepteurs dopaminergiques en TEP nous a ainsi permis de considérer à la fois la dynamique de l'activation cérébrale et la « neurochimie cognitive » dans une situation d'effort mental et d'apprentissage guidés par la récompense.

La stimulation magnétique transcranienne (SMT) est une technique non invasive qui permet de stimuler le cerveau. Les SMT répétitives (SMTr), c'est-à-dire l'application de nombreuses impulsions magnétiques, sont capable d'induire des modifications de longue durée de l'excitabilité neuronale. La SMT s'est développée dans un but thérapeutique et scientifique. Les effets après la SMTr sur le cortex moteur sont bien documentés chez les individus sains, mais on en sait moins sur la stimulation du cortex préfrontal dorso-latéral (DLPFC).L'objectif de cette thèse était de comparer différents protocoles SMTr sur des sujets sains et de trouver des marqueurs électroencéphalograpiques (EEG) de la réponse ou pas à la thérapie SMTr dans la dépression majeure et bipolaire. La principale originalité de la méthode présentée est la comparaison intra-sujet d'effets entre-protocoles et le développement de techniques de localisation de sources.Nous avons étudié chez 20 sujets sains comment les oscillations corticales sont modulées suite à quatre protocoles SMTr actifs différents, et à un protocole sham utilisé comme contrôle, du DLPFC gauche et en comparant la puissance spectrale d'EEG avant et après SMTr de durée de 15 minutes. Le spectre EEG a été estimé grâce à la transformée de Fourier rapide (FFT) et partitionné en bandes de fréquence selon la classification commune.Nous avons trouvé pour chaque protocole actif une diminution significative de puissance delta et theta sur les électrodes préfrontales gauches, principalement localisées dans le DLPFC gauche. Dans des bandes de fréquences plus hautes, la diminution de puissance dans le DLPFC a été de plus observée dans le DLFPC controlatéral et dépend du protocole de stimulation. Parce que les activités delta et theta sont généralement associées à l'inhibition corticale, ces résultats suggérent que la SMTr du DLPFC diminue transitoirement l'inhibition corticale locale. Aussi, les oscillations d'EEG rapides sont associées à l'excitabilité corticale et on peut conclure que des diminutions observées non spécifiques dans l'activité rapide localisée dans le DLPFC suggérent également une réduction de l'excitabilité corticale.Dans la deuxième expérience, nous avons travaillé sur groupe de patients, souffrant de trouble dépressif majeur (MDD) et de trouble bipolaire (BP). Dans cette étude ouverte, nous avons cherché à déterminer s'il existe des différences d'EEG de repos dans l'activité cérébrale entre patients BP et MDD, et entre les répondeurs et non-répondeurs à la SMTr à 10 Hz en étudiant des biomarqueurs d'EEG. Le protocole SMTr à 10 Hz étaient le même entre patients MDD et BP. Les propriétés EEG dans les deux troubles dépressifs ont été étudiées, en comparant la puissance spectrale des enregistrements pré- et post-SMTr EEG au cours des sessions thérapeutiques chez les patients répondeurs et non-répondeurs.La conclusion est qu'il est possible de distinguer les répondeurs des non-répondeurs au traitement SMTr. Les répondeurs avaient une puissance en basse fréquence plus importante. Une augmentation de puissance alpha a aussi été observée au niveau du cortex cingulaire ventral dans les deux groupes. La comparaison des MDD et BP a révélé une activité significativement plus élevée dans la puissance des bandes thêta et bêta chez les patients BP, principalement localisée dans le cortex préfrontal.

Le but de cette thèse est d'investiguer l'organisation fonctionnelle du contrôle cognitif au sein du cortex préfrontal latéral dans la schizophrénie. Chez le sujet sain, Koechlin et coll. (Science, 2003) ont montré que le cortex préfrontal latéral était structuré en une cascade de processus de contrôle allant des régions antérieures aux régions postérieures, intégrant respectivement les informations épisodiques (événements antérieurs) et contextuelles (le contexte immédiat de l'action) au choix de l'action en réponse à un stimulus externe. En utilisant le paradigme expérimental de Koechlin et coll. en IRM fonctionnelle, nous avons investigué l'architecture fonctionnelle du contrôle cognitif au sein du cortex latéral préfrontal chez 15 patients schizophrènes et 14 sujets contrôles appariés. Dans une première étude, nous avons trouvé que les patients schizophrènes présentaient un déficit sélectif du contrôle contextuel associé à une hypoactivation des régions postérieures préfrontales, expliquant la désorganisation du discours et du comportement observés chez ces patients. Par ailleurs, les patients schizophrènes hyperactivaient leurs régions rostrales du cortex préfrontal latéral pendant le contrôle des informations de nature épisodique, ce que nous avons interprété comme une tentative de compensation infructueuse des dysfonctions du contrôle contextuel. Dans une seconde étude, nous avons montré que les patients schizophrènes présentaient également une perturbation du traitement top-down des informations de nature épisodique, liée à une dysconnectivité des régions rostrales vers les régions caudales du cortex préfrontal latéral.

Notre étude à pour but de déterminer l’implication de la corticostérone centrale sur l’activité du réseau hippocampe-cortex préfrontal (HPC-CPF) ainsi que son rôle dans l’émergence et le maintien d’altération de la mémoire de travail (MDT) durant l’alcoolisation chronique (12% durant 6 mois), ou bien après un sevrage aigu (1semaine) ou prolongé (6 semaines). Les effets du sevrage ont également été comparés à ceux résultant d’un stress chronique léger imprédictible (SCLI) modélisant la dépression. Nos données montrent que le sevrage et le SCLI, mais non l’alcoolisation, induisent des troubles de MDT, un déficit d’activation de pCREB (CPF et HPC) ainsi qu’une augmentation excessive des taux de corticostérone spécifiquement dans le CPF après un sevrage. Sur le plan pharmacologique, l’inhibition de la synthèse de la corticostérone restaure la MDT et l’activité de pCREB dans le CPF, chez les souris sevrées et SCLI. Nos résultats montrent également que l’augmentation de pCREB ou le blocage des récepteurs aux minéralocorticoïdes, dans le CPF, mais non dans l’HPC, restaure la MDT des souris sevrées. Ces résultats démontrent que la perturbation de taux de corticostérone dans le CPF joue un rôle clé dans l’émergence des troubles cognitifs et neuronaux après un sevrage. Nous avons également montré qu’un traitement chronique au Diazépam atténue ces altérations transitoirement. Notre étude suggère que des composés agissant sur l'activité de l’axe corticotrope peuvent constituer des stratégies alternatives pour prévenir l'émergence et le maintien des troubles cognitifs induits par le sevrage. / Our study was aimed to determine the involvement of central corticosterone on the activity of hippocampalprefrontal cortex (HPC-PFC) network and its role in the emergence of working memory (WM) alterations during chronic alcohol consumption (12% for 6 months), or after a short (1 week) or a prolonged (6 weeks) withdrawal periods. The alcohol-withdrawal effects were compared to those resulting from an unpredictable mild chronic stress (UCMS), modeling depression. Our data showed that withdrawal and UCMS, but not alcohol, induced WM disorders and deficits of CREB activation in both the PFC and HPC, and an excessive corticosterone increase specifically in the PFC of withdrawn animals. Pharmacological experiments showed that the inhibition of corticosterone synthesis restored pCREB activity in the PFC of both withdrawn and UCMS mice and improved WM. Furthermore, in withdrawn mice, the increase of pCREB or the blockade of the mineralo-corticoid receptor in the PFC, but not in the HPC, restored WM performance. These results demonstrated that corticosterone dysfunction into the PFC plays a key role in the long-lasting cognitive and neural activity disorders of alcohol-withdrawn mice. We also showed that chronic administration of diazepam reduced such alterations only transitorily. Thus, overall, our study suggests that compounds acting on the GCs activity may constitute alternative strategies to prevent the emergence and maintenance of cognitive disorders induced by alcohol withdrawal.