De nombreux arguments, issus notamment de la neurophysiologie visuelle, suggèrent que la perception visuelle d'une scène débute par une extraction des différentes fréquences spatiales en suivant une stratégie d'analyse « coarse-to-fine ». L'analyse rapide de l'information grossière en basses fréquences spatiales (BFS) fournirait un aperçu global de la de la scène qui serait, ensuite, affinée par l'analyse plus tardive de l'information fine en hautes fréquences spatiales (HFS). L'objectif de cette thèse est de spécifier les mécanismes neuro-fonctionnels et cognitifs du traitement des fréquences spatiales et des scènes naturelles et leur évolution au cours du vieillissement normal et pathologique. Dans une première étude en IRMf (Expérience 1), nous avons montré la coexistence, au niveau du cortex occipital, d'un traitement rétinotopique et hémisphérique des fréquences spatiales. Par ailleurs, nous avons montré que des régions sélectives aux scènes, au sein du gyrus parahippocampique et du cortex retrosplenial, étaient également impliquées dans le traitement des fréquences spatiales. Dans les études IRMf suivantes (Expériences 2, 3 et 4), nous nous sommes particulièrement intéressés au traitement des fréquences spatiales et à la stratégie d'analyse « coarseto- fine » dans ces régions sélectives. Dans la seconde partie de ces travaux, nous avons montré que la stratégie de catégorisation « coarse-to-fine » observée chez le jeune adulte sain, devenait flexible avec l'âge (Expérience 5). Afin de préciser les interactions rétino-corticales, nous avons étudié les performances de catégorisation de patients atteints de dégénérescence maculaire liée à l'âge, pathologie caractérisée par des lésions de la rétine centrale supposée à l'origine de la voie de traitement des HFS. Nous avons démontré un déficit comportemental (Expériences 6 et 7) du traitement des HFS, associé à une hypoactivité du cortex occipital chez ces patients (Expérience 8). Ces travaux permettent de préciser les mécanismes impliqués dans la perception de scènes. / As suggested by evidence from visual neurophysiology, scene perception could begin by the extraction of different spatial frequencies following a “coarse-to-fine” analysis. The rapid analysis of coarse information in low spatial frequencies (LSF) would provide a global overview of the scene which would then be refined by later analysis of fine information in high spatial frequencies (HSF). The aim of this thesis is to specify the neuro-functional and cognitive mechanisms of spatial frequency and natural scene processing as well as their evolution during normal and pathological aging. In a first fMRI study (Experiment 1), we showed the coexistence of retinotopic and hemispheric processing for spatial frequencies in occipital cortex. In addition, we showed that scene selective regions in the parahippocampal gyrus and retrosplenial cortex were also involved in the processing of spatial frequencies. Therefore, in the following fMRI studies (Experiments 2, 3 and 4), we were particularly interested in spatial frequency processing and "coarse-to-fine" analysis in these selective regions. In the second part of this work, we showed that the “coarse-to-fine” strategy observed in healthy young adults becomes flexible with increasing age (Experiment 5). To clarify the retina-cortex interactions, we studied the categorization performance of patients with age-related macular degeneration. This pathology is characterized by lesions of the central retina, which is thought to be the origin of the visual pathway conveying HSF. We have demonstrated a behavioral deficit (Experiments 6 and 7) of HSF processing linked to hypoactivity of occipital cortex in these patients (Experiment 8). These works clarify the mechanisms involved in scene perception.

La perception sensorielle dépend d'une interaction constante entre plusieurs zones corticales. Typiquement, pour chaque sens il y a une zone primaire qui reçoit directement des informations sensorielles du thalamus et une zone secondaire qui associe cette information avec des centres cognitifs plus élaborés (information descendante). Pourtant, les propriétés synaptiques et les microcircuits impliqués dans ces différents processus ne sont toujours pas élucidés. Nous savons que le récepteur cannabinoïde de type 1 (CB1) est exprimé à un plus grand niveau dans les cortex sensoriels secondaires. Ce récepteur est principalement exprimé par des cellules paniers inhibitrices qui expriment aussi le peptide cholecystokinin (CCK). En utilisant des enregistrements entre des paires d'IN CCK/CB1 et NP dans la couche 2/3 (C2/3) des centres visuels primaires (V1) et secondaires (V2) de souris adultes, nous avons demontré que dans le V1 les IN CCK projettent quasiment exclusivement dans leur propre couche, tandis que dans le V2 ils projettent aussi dans la couche 4 (C4). Malgré cette difference morphologique, ces IN avaient les mêmes signatures électrophysiologiques, suggérant qu'il s'agisse bien d'un type cellulaire homogène. En revanche, les connections synaptiques avec les NP étaient nettement plus petites et non fiable dans la C2/3 de V2. Cette différence disparut avec l'application d'un antagoniste de CB1, suggérant que ce récepteur médie une inhibition tonique qui est spécifique à une zone et couche corticale. Cette étude montre ainsi qu'il existe des microcircuits inhibiteurs particuliers dans les aires primaires et secondaires visuelles. / During sensory processing, the correct subjective representation and interpretation of the external world is accomplished by a constant bi-directional communication between primary and secondary sensory cortices. Yet, the specific microcircuit players involved in these distinct cortical areas are still poorly characterized. After finding that the cannabinoid receptor (CB1) is more widely expressed in secondary than in primary sensory areas, we asked whether the neurons expressing CB1 had different properties in the two areas. CB1 is mainly expressed in large inhibitory basket cells that target the soma of other neurons. Using whole-cell patch clamping in acute brain slices from adult mice, we found that in layer 2/3 of the primary visual area of mice (V1), CB1+ interneurons exerted strong and reliable inhibition onto pyramidal cells, in contrast with the small and unreliable inhibition in secondary visual area (V2). Interestingly, pharmacological blocking of CB1Rs in V2 led to a potentiation of inhibition, while in V1 this effect was not observed, suggesting that CB1 interneurons in V2 are ‘doped’ by tonically or constitutively activated receptors. Differences in CB1 mediated plasticity also support this hypothesis. In V2, CB1+ interneurons projected their axons both within their cortical layer and to deeper layers, while in V1 these projections were principally intralaminar. Strikingly, infra laminar connections in V2 shared synaptic characteristics with those of L2/3 in V1. This study therefore suggests that different visual areas exhibit differential CB1-mediated modulation of perisomatic inhibition onto layer 2/3 and 4 principal neurons.

Le claustrum est une structure télencéphalique sous-corticale présente chez tous les mammifères. Il est réciproquement interconnecté avec tout le cortex cérébral. Le claustrum serait impliqué dans la synchronisation d’oscillations corticales et le maintien de l’attention. Les projections corticales sensorielles au claustrum de la souris forment des bandes longitudinales dédiées à chaque modalité sensorielle, qui peuvent également se chevaucher. Actuellement, il n'y a aucune étude de la morphologie des axones des projections corticales au claustrum. Les paramètres quantitatifs morphométriques des axones uniques permettent de comprendre comment l’information est distribuée à l’intérieur d’une structure. Pour visualiser les axones de la projection visuelle au claustrum, des injections iontophorétiques du traceur neuronal antérograde, la leucoagglutinine Phaseolus vulgaris (PHA-L) ont été réalisées dans le cortex visuel de souris adultes C57BL/6J. La révélation immunohistochimique du PHA-L a été réalisée pour reconstruire les axones individuels des projections des cortex visuels au claustrum en utilisant Neurolucida 360 (MBF Biosciences). Ces projections ont été montrées dans la région centrale le long de l’axe dorso-ventral du claustrum ipsi- et controlatéral. Il y a trois types de morphologie des axones : certains parcourent toute la longueur du claustrum sans ramification, d’autres sont longs et branchés, et d’autres sont courts. Les arborisations locales pourraient suggérer des modules plus petits au sein de l'organisation longitudinale du claustrum. Certaines collatérales de l'axone sortent du domaine visuel central pour se ramifier dans des domaines des autres modalités sensorielles. La projection du cortex visuel au claustrum est ainsi constituée d’axones dont la morphologie est peu diversifiée. Des axones individuels acheminent l’information sur toute l’étendue rostro-caudale du claustrum. La bifurcation des axones suggère que l’information visuelle peut être acheminée vers des territoires de d’autres modalités sensorielles dans le claustrum. La distribution des varicosités suggère que les contacts synaptiques s’établissent aléatoirement tout au long du trajet des axones. / The claustrum is a subcortical telencephalic structure present in all mammals. It is widely and reciprocally interconnected with the entire cerebral cortex. It has been suggested to be involved in the synchronization of cortical oscillations and in attention. The claustrum in mice exhibits a clear dorsoventral organization of longitudinal bands dedicated to different sensory cortical projections, that can also overlap. Presently, there are no studies of the cortical projections to the claustrum at the single axon level. Single axon quantitative morphometric parameters help understanding how information is distributed within a structure and how it interacts with the entire brain. To reveal axons of the visual cortex projection to the claustrum, iontophoretic injections of the anterograde neuronal tracer Phaseolus vulgaris leucoagglutinin (PHA-L) were performed in the visual cortex of adult C57BL/6J mice. Individual axons of the projections from the visual cortices to the claustrum were reconstructed using Neurolucida 360 (MBF Biosciences). These projections were shown in central region of the dorsoventral axis in the ipsi- and contralateral claustra. There were three morphological types of axon: some traveled all the length of the claustrum without significant branching, some were long and branched, and others were short. Local arborizations might suggest smaller modules within the longitudinal organization of the claustrum. Some collaterals of the main axon exit the central visual domain to branch into other sensory modalities. The visual projection to the claustrum is formed by poorly diversified axon regarding to their morphology. Individual axons route the information through all the rostro-caudal length of the claustrum. Axonal bifurcations suggest that visual information can be directed to other territories associated to other sensory modalities. The varicosity distribution suggest that synapses are established randomly.

No description available.

La transmission cholinergique, et notamment muscarinique, joue un rôle déterminant dans le système nerveux central au niveau de la modulation de la plasticité neuronale. La libération d'ACh dans le cortex visuel est concomitante à la présentation de stimuli visuels. Par son action sur la transmission neuronale corticale, l'ACh module à long terme les réponses à de nouveaux stimuli sensoriels. Dans la présente étude, l'implication du système cholinergique au niveau du développement cortical et de la plasticité inductible chez l'adulte a été étudiée par les techniques d'imagerie optique des signaux intrinsèques et d'immunohistochimie chez le rongeur. Ces deux techniques de cartographie de l'activité corticale nous ont permis d'évaluer, d'une part, l'impact modulatoire de l'acétylcholine (ACh) et de ses récepteurs muscariniques (mAChRs, M1 à M5) sur l'organisation fonctionnelle du cortex visuel chez des souris déficitaires pour les mAChRs et, d'autre part, l'impact de la libération d'ACh lors d'un entraînement visuel, sur le nombre, la nature neurochimique et la localisation au niveau des couches corticales des neurones corticaux activés. L'implication du système cholinergique sur la cartographie du cortex visuel primaire a été étudiée sur les souris génétiquement modifiées délétères (knock out : KO) pour différentes combinaisons de sous-types de mAChRs. L'imagerie des signaux intrinsèques, basée sur les changements de réflectance corticale de la lumière survenant lors de la consommation d'oxygène par les neurones activés, a permis de déterminer, lors de stimulations visuelles, les différentes composantes des propriétés des neurones du cortex visuel. La taille des champs récepteurs des neurones est diminuée lors de l'absence du récepteur M1 ou de la combinaison M1/M3. Le champ visuel apparent est augmenté chez les souris M2/M4-KO mais diminué chez les M1-KO. La finesse des connectivités neuronales (évaluée par la mesure du scatter du signal) est réduite lors de l'absence des récepteurs M2/M4. Finalement, chez les animaux M1/M3-KO, une diminution de l'acuité visuelle est observée. L'effet à long-terme d'un entraînement visuel couplé à une stimulation des neurones cholinergiques sur la distribution et la nature des neurones immunoréactifs au c-Fos, c'est-à-dire les neurones activés, a été évalué. Puisque cette stimulation combinée est en mesure de produire des modifications comportementales, notamment au niveau de l'acuité visuelle, il devenait intéressant de s'attarder aux modifications neuroanatomiques et de déterminer quels éléments de l'équilibre excitateur/inhibiteur sont compromis chez ces animaux. Les résultats obtenus démontrent que les animaux ayant reçu une combinaison de l'entraînement cholinergique et visuel présentent une augmentation du marquage c-Fos comparativement aux animaux n'ayant reçu que la stimulation cholinergique. D'autre part, chez ces animaux, il est possible d'observer des modifications de l'équilibre excitateur/inhibiteur qui correspond au potentiel plastique de la région. En conclusion, ces études démontrent un rôle important du système cholinergique dans le développement, la maturation et la plasticité du système visuel cérébral. / The cholinergic transmission, including the muscarinic receptors, plays a role in the central nervous system modulating neuronal plasticity. ACh is released in the visual cortex during the presentation of visual stimuli. By its action on cortical neuronal transmission, ACh modulates long-term responses to new sensory stimuli. In the present study, the involvement of the cholinergic system in cortical development and inductible plasticity in adults was investigated by optical imaging of intrinsic signals and immunohistochemistry in rodents. These two mapping techniques of cortical activity allowed us to evaluate 1) the modulatory effect of acetylcholine (ACh) and its muscarinic receptors (mAChRs, M1 to M5) on the functional organization of the visual cortex in mice deficient of mAChRs and 2) the impact of ACh release during a visual training on the number, neurochemical nature and location of activated neurons in the cortical layers. The involvement of the cholinergic system on the mapping of the primary visual cortex was studied in mice knockout (KO) for different combinations of mAChRs subtypes. Intrinsic signals imaging, based on fluctuations in cortical light reflectance during oxygen consumption by activated neurons, was used to assess the various properties of neurons in the visual cortex during visual stimulation. The size of the neuronal receptive fields is reduced in the absence of M1 receptor or the combination M1/M3. The apparent visual field is increased in M2/M4-KO mice but decreased in M1-KO. The sharpness of neuronal connectivity (assessed by the measure of the scatter) is reduced in the absence of M2/M4 receptors. Finally, in M1/M3-KO animals, a decrease in visual acuity was observed. The effect of long-term visual training coupled with the stimulation of cholinergic neurons on the distribution and nature of immunoreactive neurons in c-Fos, the activated neurons, was evaluated. Since this combined stimulation is able to produce behavioral changes, especially in terms of visual acuity, it was interesting to focus on neuroanatomical modifications and determine which elements of the excitatory / inhibitory balance were compromised in these animals. The results showed that animals which received a combination of visual and cholinergic training presented an increase in c-Fos labeling compared to animals that received only the cholinergic stimulation. Moreover, in these animals, it is possible to observe changes in the excitatory / inhibitory balance which corresponds to the potential of plasticity in the region. In conclusion, these studies demonstrate an important role of the cholinergic system in the development, maturation and plasticity of the cerebral visual system.

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie. / Sensory informations are computed in the cortex by networks of co-activated neurons forming functional ensembles. Visual processing in the cortex underlies several aspects of neuronal characteristics such as anatomical, electrophysiological and molecular. In the primary visual cortex, neurons display selectivity for stimulus features such as orientation, motion direction and spatial frequency. Each stimulus property elicits a maximal firing rate of specific neuronal populations. Visual neurons display transient modifications of their response properties following prolonged exposure to an appropriate stimulus using visual learning or visual adaptation to a non-preferred stimulus. The main objective of this thesis is to investigate the neuronal mechanisms underlying the visual processing during adaptation-induced plasticity in adult animals. These mechanisms are examined through different aspects: the neuronal connectivity, the neuronal selectivity, the electrical properties of neurons, and the effects of drugs (serotonin and fluoxetine). The tested model is the orientation columns of the primary visual cortex. The present thesis is divided into four main chapters. The first chapter (A) focuses on the cortical reorganization following visual adaptation. The second chapter (B) examines the neuronal connectivity using pair-wise correlations and populational correlations of neuronal activities. The third chapter (C) further relate the previous aspects, i.e. the adaptation effects and the functional connectivity to the properties of neurons (two classes: regular-spiking and fast-spiking neurons). Finally, the fourth chapter (D) investigates the coupling of visual adaptation with the local administration of drugs (serotonin and fluoxetine). Methodology Using in vivo extracellular recordings of the neural activity in the primary visual cortex (V1) combined with intrinsic optical brain imaging, we record the spiking activity of neuronal populations and examine, from the multi-unit activity, the activity of individual neurons. The analysis of brain activity uses different algorithms: the electrophysiological distinctions between neurons are based on the trough-to-peak time of each spike (spike-width), the selectivity of neurons is based on the firing rate at different stimuli, and the functional connectivity uses a crosscorrelation computation. The usage of drugs is performed locally on the visual cortex (after craniotomy and removing of the dura). Results and conclusions In the first chapter, we demonstrate the ability of neurons to modify their selectivity to the presented stimuli following visual adaptation, exhibiting a well-organized reprogramming of the orientation columns; we attribute this result to a flexibility of functional units rather than rigid anatomical structures. Indeed, we observe an extensive restructuring of the complete orientation domain in order to refine the columnar organization where every stimulus is equally represented. This is further confirmed in the second chapter where in this case, the connectivity maps are investigated. In concordance with the previous results, the connectivity maps also exhibit restructuring but interestingly, neurons use a summative strategy to stabilize their total connectivity weights. These connectivity dynamics are examined in the third chapter in relation to electrophysiological properties of neurons. Indeed, two differently firing modes dissociate between two classes of neurons. Their distinct correlation dynamics point to the fact that they play different key roles in stimulus encoding within a neuronal population. Finally, in the last chapter, visual adaptation is coupled with the administration of serotonin and fluoxetine. Both drugs produce similar effects by facilitating the acquisition of the imposed stimulus. The non-preferred stimulus when adapted with the presence of the drug results in an increased firing rate of neurons at this particular stimulus. We present a neuronal model based on our findings to explain the fluctuations of firing with and without the drug. This thesis provides new insights into how visual neurons adapt to change their selectivity in the interplay between their plastic ability and their homeostatic dynamic.

Dans cette thèse, nous développons une approche supervisée de reconnaissance d’objets basée sur l’utilisation de nouveaux descripteurs d’images globaux inspirés du modèle du cortex visuel humain primaire V1 en tant que groupe de roto-translations semi-discrètes SE (2,N)=R² x ZN produit semi-direct entre R² et ZN. La méthode proposée est basée sur des descripteurs de Fourier généralisés et rotationnels définis sur le groupe SE (2,N), qui sont invariants aux transformations géométriques (translations, et rotations). De plus, nous montrons que ces descripteur de Fourier sont faiblement complets, dans le sens qu’ils permettent de discriminer sur un ensemble ouvert et dense L² (SE(2,N)) de fonctions à support compact, donc distinguer entre des images réelles. Ces descripteurs sont ensuite utilisés pour alimenter un classifieur de type SVM dans le cadre de la reconnaissance d’objets. Nous avons mené une séries d’expérimentations dans le but d’évaluer notre méthode sur les bases de visages RL, CVL et ORL et sur la base d’images d’objets variés COIL-100, et de comparer ses performances à celles des méthodes basées sur des descripteurs globaux et locaux. Les résultats obtenus ont montré que notre approche est en mesure de concurrencer de nombreuses techniques de reconnaissance d’objets existantes et de surpasser de nombreuse autres. Ces résultats ont également montré que notre méthode est robuste aux bruits. Enfin, nous avons employé la technique proposée pour reconnaître des navires dans un contexte de surveillance maritime. / In this thesis, we develop a supervised object recognition method using new global image descriptors inspired by the model of the human primary visual cortex V1. Mathematically speaking, the latter is modeled as the semi-discrete roto-translation group SE (2,N)=R² x ZN semi-direct product between R² and ZN. Therefore, our technique is based on generalized and rotational Fourier descriptors defined in SE (2,N) , and which are invariant to natural geometric transformations (translations, and rotations). Furthermore, we show that such Fourier descriptors are weakly complete, in the sense that they allow to distinguish over an open and dense set of compactly supported functions in L² (SE(2,N)) , hence between real-world images. These descriptors are later used in order to feed a Support Vector Machine (SVM) classifier for object recognition purposes. We have conducted a series of experiments aiming both at evaluating and comparing the performances of our method against existing both local - and global - descriptor based state of the art techniques, using the RL, the CVL, and the ORL face databases, and the COIL-100 image database (containing various types of objects). The obtained results have demonstrated that our approach was able to compete with many existing state of the art object recognition techniques, and to outperform many others. These results have also shown that our method is robust to noise. Finally, we have applied the proposed method on vessels recognition in the framework of maritime surveillance.

L´évolution des technologies d´imagerie cérébrale alliée aux développement d´algorithmes spécifiques de traitement d´images permettent d´améliorer nos connaissances sur le fonctionnement du cerveau, en particulier s´agissant de la perception visuelle. L´objectif de ce travail de thèse est de contribuer à la compréhension des aires corticales impliquées dans la perception visuelle du mouvement chez l´homme, en analysant l´information des signaux de différentes modalités complémentaires d´Imagerie par Resonance Magnétique (IRM).<br /><br />Une première partie concerne l´identification individuelle des aires visuelles de bas niveau. Nous détaillons la méthode de cartographie rétinotopique par IRM fonctionnelle (IRMf) que nous avons developpée, depuis la conception des stimuli visuels à l´analyse anatomo-fonctionnelle finale. Par ailleurs, une localisation fonctionnelle du complexe hMT/V5+ est obtenue par un paradigme en bloc. Ces méthodes, optimisées suivant certains paramètres de la stimulation, permettent d´extraire pour tout individu des Régions d´Intérêt homogènes.<br /><br />Dans un deuxième temps, nous proposons une caractérisation fonctionnelle des différentes aires visuelles primaires. En se fondant sur le paradigme récent d´IRM d´adaptation qui permet d´étudier la sensibilité d´une région cérébrale à des variations quantitatives d´un paramètre de la stimulation, nous démontrons une différenciation de la sensibilité à la direction du mouvement dans les aires etudiées.<br /><br />Enfin, nous décrivons une expérience combinant les modalités d´IRMf et d´IRM de diffusion (IRMd) dans le but d´étudier la connectivité anatomique au sein du cortex visuel primaire. Cette caractérisation, établie en s´appuyant sur des algorithmes récents de cartographie des fibres de matière blanche, donne des indices sur le réseau d´aires notamment impliquées dans le traitement du mouvement visuel.

L'identification du codage neuronal dans le thalamus et le cortex cérébral, et en particulier dans l'aire visuelle primaire, se heurte à la complexité du réseau neuronal qui repose sur une diversité étonnante des neurones, sur les plans morphologique, biochimique et électrique, et de leurs connexions synaptiques. À cela s'ajoute une importante diversité des propriétés fonctionnelles de ces neurones reflétant en grande partie la forte récurrence des connexions synaptiques au sein des réseaux corticaux ainsi que la boucle cortico-thalamo-corticale. En d'autres termes, le calcul global effectué dans le réseau thalamo-cortical influence, via des milliers de connexions synaptiques excitatrices et inhibitrices, la spécificité de la réponse de chaque neurone. Dans une première partie, nous avons développé un modèle de bombardement synaptique contextuel reproduisant la dynamique de milliers de synapses excitatrices et inhibitrices convergeant vers un neurone cortical avec l'avantage de pouvoir paramétrer le niveau de synchronisation des synapses afférentes. Nous montrons que le niveau de synchronisation synaptique est relié au taux de corrélation de l'activité neuronale sous-liminaire dans le cortex visuel du chat, avec d'une part un régime où le codage neuronal est très redondant pour des stimulations artificielles classiquement utilisées du type réseau de luminance sinusoïdale, et d'autre part un régime où le codage neuronal est beaucoup plus riche présentant moins de corrélation neuronale pour des stimulations naturelles. Ces résultats indiquent que le taux de corrélation de l'activité neuronale sous-liminaire est un indicateur fonctionnel du régime de codage dans lequel est engagé le cortex cérébral. Dans une seconde partie, nous avons étendu l'exploration du codage neuronal au thalamus, passerelle principale qui transmet les informations sensorielles en provenance de la périphérie vers le cortex cérébral. Le thalamus reçoit un fort retour cortico-thalamique qui résulte du calcul global effectué par les aires corticales. Nous avons étudié son influence en modélisant une voie retino-thalamo-corticale mixant neurones artificiels et neurones biologiques in vitro dans laquelle un bombardement synaptique d'origine corticale est mimé via l'injection de conductances stochastiques excitatrices et inhibitrices en clamp dynamique. Cette approche confère l'avantage de pouvoir contrôller individuellement chacun des neurones thalamiques dans la voie artificielle. Nous montrons qu'un processus de facilitation stochastique à l'échelle de la population s'adjoint au gain cellulaire classique pour contrôler le transfert de l'information sensorielle de la rétine au cortex visuel primaire. Ce processus de facilitation stochastique, qui n'aurait pas pu être discerné à l'échelle de la cellule individuelle, est gouverné par le taux de corrélation inter-neuronale de l'activité neuronale dans le thalamus. À l'inverse des conceptions classiques, -un fort taux de décorrélation- optimise le transfert sensoriel de la rétine au cortex en favorisant la synchronisation des afférences synaptiques. Nous suggérons qu'une décorrélation induite par les aires corticales pourrait augmenter l'efficacité du transfert pour certaines assemblées cellulaires dans le thalamus, constituant ainsi un mécanisme attentionnel à l'échelle des circuits thalamo-corticaux. En parallèle, nous avons développé une méthode d'extraction des fluctuations des conductances synaptiques des neurones à partir d'enregistrements intracellulaires unitaires. Cette méthode devrait permettre de raffiner nos connaissances sur la nature des contextes synaptiques dans lesquels sont immergés les neurones avec des retombées potentielles sur le développement de nouveaux modèles de bombardements synaptiques. En conclusion, nos travaux confirment l'hypothèse d'un codage neuronal basé sur la synchronisation synaptique conditionnée par le niveau de corrélation de l'activité neuronale. Nos travaux sont cohérents avec de nombreuses études sur les processus attentionnels et suggèrent que des mécanismes de corrélation et décorrélation actives, ainsi que des activités oscillatoires, pourraient réguler le transfert de l'information entre les organes sensoriels et les aires corticales.

L'activité neuronale est souvent considérée en neuroscience cognitive par la réponse évoquée mais l'essentiel de l'énergie consommée par le cerveau permet d'entretenir les dynamiques spontanées des réseaux corticaux. L'utilisation combinée d'algorithmes de classification (K means, arbre hirarchique, SOM) sur des enregistrements intracellulaires du cortex visuel primaire du chat nous permet de définir des classes de dynamiques neuronales et de les comparer l'activité évoquée par un stimulus visuel. Ces dynamiques peuvent être étudiées sur des systèmes simplifiés (FitzHugh-Nagumo, systèmes dynamiques hybrides, Wilson-Cowan) dont nous présentons l'analyse. Enfin, par des simulations de réseaux composés de colonnes de neurones, un modèle du cortex visuel primaire nous permet d'étudier les dynamiques spontanées et leur effet sur la réponse à un stimulus. Après une période d'apprentissage pendant laquelle des stimuli visuels sont presentés, des vagues de dépolarisation se propagent dans le réseau. L'étude des correlations dans ce réseau montre que les dynamiques spontanées reflètent les propriétés fonctionnelles acquises au cours de l'apprentissage.