Dans ce mémoire, nous présentons différentes méthodes d'apprentissage statistique qui peuvent être utilisées pour comprendre le code neuronal des fonctions cognitives, en se basant sur des données d'Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle du cerveau. Plus particulièrement, nous nous intéressons à l'´etude de la localisation spatiale des entités impliquées dans le codage, et leur influence respective dans le processus cognitif. Dans cette étude, nous nous focalisons principalement sur l'étude du cortex visuel. Dans la première partie de ce mémoire, nous introduisons les notions d'architecture fonctionnelle cérébrale, de codage neuronal et d'imagerie fonctionnelle. Nous étudions ensuite les limites de l'approche classique d'analyse des données d'IRMf pour l'étude du codage neuronal, et les différents avantages apportées par une méthode d'analyse récente, l'inférence inverse. Enfin, nous détaillons les méthodes d'apprentissage statistique utilisées dans le cadre de l'inférence inverse, et nous les évaluons sur un jeu de données réelles. Cette étude permet de mettre en évidence certaines limitations des approches classiquement utilisées, que cette thèse vise à résoudre. En particulier, nous nous intéressons à l'intégration de l'information sur la structure spatiale des données, au sein d'approches d'apprentissage statistique. Dans la seconde partie de ce mémoire, nous décrivons les trois principales contributions de cette thèse. Tout d'abord, nous introduisons une approche Bayésienne pour la régularisation parcimonieuse, qui généralise au sein d'un même modèle plusieurs approches de références en régularisation Bayésienne. Ensuite nous proposons un algorithme de coalescence supervisé (supervised clustering) qui tient compte de l 'information spatiale contenue dans les images fonctionnelles. Les cartes de poids résultantes sont facilement interprétables, et cette approche semble être bien adaptée au cas de l'inférence entre sujets. La dernière contribution de cette thèse vise à inclure l'information spatiale au sein d'un modèle de régularisation. Cette régularisation peut alors être utilisée dans un cadre de régression et de classification, et permet d'extraire des ensembles connexes de voxels prédictifs. Cette approche est particulièrement bien adaptée à l'étude de la localisation spatiale du codage neuronal, abordée durant cette thèse.

La vision est un élément très important pour la navigation en général. Grâce à des mécanismes compensatoires les aveugles de naissance ne sont pas handicapés dans leurs compétences spatio-cognitives, ni dans la formation de nouvelles cartes spatiales. Malgré l’essor des études sur la plasticité du cerveau et la navigation chez les aveugles, les substrats neuronaux compensatoires pour la préservation de cette fonction demeurent incompris. Nous avons démontré récemment (article 1) en utilisant une technique d’analyse volumétrique (Voxel-Based Morphometry) que les aveugles de naissance (AN) montrent une diminution de la partie postérieure de l’hippocampe droit, structure cérébrale importante dans la formation de cartes spatiales. Comment les AN forment-ils des cartes cognitives de leur environnement avec un hippocampe postérieur droit qui est significativement réduit ? Pour répondre à cette question nous avons choisi d’exploiter un appareil de substitution sensorielle qui pourrait potentiellement servir à la navigation chez les AN. Cet appareil d’affichage lingual (Tongue display unit -TDU-) retransmet l’information graphique issue d’une caméra sur la langue. Avant de demander à nos sujets de naviguer à l’aide du TDU, il était nécessaire de nous assurer qu’ils pouvaient « voir » des objets dans l’environnement grâce au TDU. Nous avons donc tout d’abord évalué l’acuité « visuo »-tactile (article 2) des sujets AN pour les comparer aux performances des voyants ayant les yeux bandées et munis du TDU. Ensuite les sujets ont appris à négocier un chemin à travers un parcours parsemé d’obstacles i (article 3). Leur tâche consistait à pointer vers (détection), et contourner (négociation) un passage autour des obstacles. Nous avons démontré que les sujets aveugles de naissance non seulement arrivaient à accomplir cette tâche, mais encore avaient une performance meilleure que celle des voyants aux yeux bandés, et ce, malgré l’atrophie structurelle de l’hippocampe postérieur droit, et un système visuel atrophié (Ptito et al., 2008). Pour déterminer quels sont les corrélats neuronaux de la navigation, nous avons créé des routes virtuelles envoyées sur la langue par le biais du TDU que les sujets devaient reconnaitre alors qu’ils étaient dans un scanneur IRMf (article 4). Nous démontrons grâce à ces techniques que les aveugles utilisent un autre réseau cortical impliqué dans la mémoire topographique que les voyants quand ils suivent des routes virtuelles sur la langue. Nous avons mis l’emphase sur des réseaux neuronaux connectant les cortex pariétaux et frontaux au lobe occipital puisque ces réseaux sont renforcés chez les aveugles de naissance. Ces résultats démontrent aussi que la langue peut être utilisée comme une porte d’entrée vers le cerveau en y acheminant des informations sur l’environnement visuel du sujet, lui permettant ainsi d’élaborer des stratégies d’évitement d’obstacles et de se mouvoir adéquatement. / Vision is a very important tool for navigation in general. Due to compensatory mechanisms people who are blind from birth are not handicapped in spatio-cognitive abilities, nor in the formation of novel spatial maps. Despite the growing volume of studies on brain plasticity and navigation in the blind, the compensatory neural substrates or the preservation of this function remain unclear. We have recently demonstrated (article 1) by using volumetric analysis techniques (Voxel-Based Morphometry) that early blind individuals (EB) show a reduction of the posterior end of the hippocampus on the right side. This cerebral structure is important for the formation of cognitive maps. How do EB form maps of their environment with a significantly reduced posterior right hippocampus? To answer this question we chose to exploit a sensory substitution device that could potentially serve navigation in EB. This tongue display unit (TDU) is capable of transmitting pictorial imagery in the form of electricity on the tongue. Before asking our participants to navigate using the TDU, it was necessary to ascertain that they could really « see » objects in the environment using the TDU. We thus evaluated the « visuo »-tactile acuity (article 2) of EB compared to sighted blindfolded participants using the TDU. Participants later learned to negotiate a path through an obstacle course (article 3). Their task consisted of pointing to (detection), and avoiding (negotiation) obstacles while advancing through the hallway. We demonstrated that despite a reduced right posterior hippocampus, and an iii atrophied visual system (Ptito et al., 2008) EB not only were able to accomplish this task, but had a better performance than the blindfolded sighted controls. To determine what the neural correlates of navigation in EB are, we devised an fMRI compatible virtual route task conveyed through the tongue (article 4). Participants had to learn to navigate the routes and recognize them. We showed that EB use another cortical network involved in cognitive mapping than the sighted when recognizing routes on the tongue. We have emphasized neural networks connecting parietal and frontal cortices since they are re-enforced in EB. These results show that the tongue can be used as a portal to the brain by transferring pictorial information from the visual environment of participants, allowing the elaboration of strategies to avoid obstacles and move around in their environment.

Les neurones des couches superficielles du collicule supérieur et du cortex visuel primaire du rat adulte sont sensibles à de basses fréquences spatiales de haut contraste défilant à des vitesses élevées. Entre les jours post-nataux 27-30 et l’âge adulte, les fréquences temporelles optimales des neurones du cortex visuel primaire augmentent, tandis que leurs seuils de contraste diminuent. Cependant, les fréquences spatiales optimales, les valeurs de résolution spatiale et les bandes passantes spatiales de ces neurones sont, dès l’ouverture des paupières, similaires à celles observées chez le rat adulte. Ces profils de réponse neuronale suggèrent que les projections rétino-colliculaires et rétino-géniculo-corticales sont essentiellement issues de neurones ganglionnaires rétinofuges magnocellulaires et koniocellulaires. Les neurones du cortex visuel primaire du rat ayant subi des convulsions hyperthermiques présentent, dès l’ouverture des paupières, de basses fréquences spatiales optimales, de larges bandes passantes directionnelles et temporelles ainsi que des seuils de contraste élevés par rapport aux neurones du rat normal. À l’âge adulte, de basses fréquences temporelles optimales et de larges bandes passantes spatiales sont également observées chez le rat ayant subi des convulsions hyperthermiques. L’altération des profils de réponse des neurones du cortex visuel primaire du rat ayant subi de convulsions hyperthermiques suggère un déséquilibre entre les mécanismes neuronaux excitateurs et inhibiteurs de cette aire corticale. Ces résultats suggèrent également qu’un épisode unique de convulsions fébriles infantiles suffit à altérer le développement des propriétés spatio-temporelles des champs récepteurs des neurones du cortex visuel primaire. / Neurons in superficial layers of the rat superior colliculus and primary visual cortex are sensitive to highly contrasted low spatial frequencies drifting at fast speeds. Between post-natal days 27-30 and adulthood, the optimal temporal frequencies of neurons in the primary visual cortex increase, whereas their contrast thresholds decrease. However, the optimal spatial frequencies, spatial resolution values and spatial bandwidths of these neurons are, soon after eyelid opening, similar to those observed in the adult rat. These neuronal response profiles suggest that the retino-collicular and retino-geniculo-cortical projections are mainly innervated by magnocellular and koniocellular retinal ganglion cells. Neurons in the primary visual cortex of rats having experienced hyperthermic seizures are, soon after eyelid opening, sensitive to low optimal spatial frequencies and show broad directional and temporal bandwidths, as well as elevated contrast thresholds when compared to neurons of normal rats. At adulthood, low optimal temporal frequencies and broad spatial bandwidths are also observed in rats having experienced hyperthermic seizures. The alteration of response profiles of neurons in the primary visual cortex of rats having experienced hyperthermic seizures suggests an unbalance between excitatory and inhibitory mechanisms in this cortical structure. These results also suggest that a single episode of febrile seizures could be sufficient to impede the development of the spatio-temporal receptive field properties of neurons in the primary visual cortex.

L’objectif de cette thèse est la validation fonctionnelle d’implants rétiniens pour la restauration fonctionnelle de la vision chez des patients non voyants suite à la perte de leurs photorécepteurs. Ce travail a été réalisé sur modèle animal et a évalué expérimentalement de nouveaux protocoles de stimulation. Tout d’abord nous avons utilisé la technique de spectroscopie d’impédance pour simuler mathématiquement l’interface tissu-implantafin de caractériser la présence d’un espace entre le tissu et l’implant. La seconde partie compare par imagerie optique (IO) les caractéristiques de la réponse corticale évoquée par stimulation visuelle ou électrique de la rétine par prothèse sous rétinienne. Nous avons retrouvé que la taille de l’activation par l’implant rétinien est beaucoup plus grande que son correspondant visuel. Dans une troisième partie, est réalisée une évaluation in vitro de la performance des stimulations sur rétine isolée pour définir comment les cellules ganglionnaires réagissent à différents modes de stimulations. Ce travail a permis d’établir la courbe des réponses en fonction de l’intensité des stimulations électriques. Enfin, la thèse décrit un modèle animal de dégénérescence rétinienne qui présente des désorganisations de la rétine externe. Une analyse en IO a été réalisée sur ce modèle afin d’évaluer la réponse corticale aux stimuli visuels et électriques. Ce travail de thèse, par des approches physiques et physiologiques complémentaires, apporte un certain nombre de réponses qui devraient permettre d’améliorer l’utilisation de futures prothèses rétiniennes par une adaptation physique des matrices d’électrodes ou des patrons de stimulations utilisées / The aim of this thesis is the functional validation of retinal implants used for vision restoration in blind patients due to the loss of photoreceptors. This work was designed to develop an animal model to experimentally validate prototypes of new implants and new stimulation protocols pattern. Firstly we used the technique of impedance spectroscopy to simulate mathematically the tissue/implant interface. These data confirm the importance of reducing the space between the stimulating electrodes and retinal tissue, as well as the importance of physical characteristics of the electrical stimulus used. In a second approach, we have compared responses of visual cortical neuronal population using optical imaging (OI), evoked either by visual or electric retinal stimulation through subretinal prosthesis. This approach has demonstrated that the stimulation of an electrode induces cortical activation that the size of the cortical response to the retinal implant stimulation is much larger than its corresponding visual stimulus. In the third part, I performed in vitro experiment to measure the performance of stimulation at the level of ganglion cells of isolated retina. We have quantified the response curve as a function of the intensity of the electrical stimulation. Finally, the thesis describes a new animal model of outter retinal degeneration. OI was also performed on this model to assess the response to the visual and retinal prosthesis stimulations. This thesis, through complementary physical and physiological approaches, provides a number of responses that can potentially improve the use of retinal prostheses through specification of their design or patterns of stimulation.

Cette thèse démontre qu’une potentialisation cholinergique durant un conditionnement visuel typique permet de raffiner la réponse et la connectivité des neurones des aires corticales visuelles ainsi que des aires associatives supérieures via un phénomène plastique. Afin de déterminer cet effet sur un conditionnement visuel monoculaire sur la réponse corticale, nous avons utilisé un système d’imagerie calcique à large champ sur des souris adultes exprimant le rapporteur calcique GCaMP6s. La potentialisation cholinergique était causée par l’administration de donepezil (DPZ), un inhibiteur de l’acétylcholinestérase qui dégrade l’acétylcholine. Cette technique, possédant de bonnes résolutions spatiale et temporelle, a permis l’observation de l’activité neuronale dans les couches supra granulaires du cortex visuel primaire (V1), des aires secondaires (A, AL, AM, LM, PM, RL) ainsi que dans le cortex retrosplénial (RSC). Il a été alors possible de mesurer les modifications d’activité neuronale de ces aires au repos et lors de la présentation de stimulations visuelles, composées de réseaux sinusoïdaux d’orientation et de contraste varié. La réponse corticale des animaux naïfs est similaire en matière d’amplitude et de sensibilité au contraste pour chacune des orientations de stimulations visuelles présentées. Le conditionnement visuel accompagné de l’administration de DPZ diminue significativement la réponse neuronale évoquée par le stimulus conditionné dans la majorité des aires observés alors qu’il ne modifie pas la réponse à la stimulation non conditionnée. Cet effet n’est pas présent sans potentialisation cholinergique. Il est intéressant de noter qu’un effet sur la corrélation d’activation est observé exclusivement dans les aires de la voie visuelle ventrale. Finalement, le conditionnement monoculaire diminue la corrélation au repos entre les aires visuelles monoculaire et binoculaire de chacun des hémisphères, un effet qui disparaît lors de l’administration du DPZ durant le conditionnement. En conclusion, nos résultats démontrent une diminution de l’amplitude et de l’étalement de la réponse corticale dans les couches supra-granulaires de PM et de V1 en réponse à notre traitement. Nous suggérons que ces résultats démontrent une diminution de la réponse excitatrice causée par l’augmentation de l’activité inhibitrice en réponse à la stimulation conditionnée. / The cholinergic system of the basal forebrain modulates the visual cortex and enhances visual acuity and discrimination when activated during visual conditioning. As wide-field calcium imaging provides cortical maps with a fine regional and temporal resolution, we used this technique to determine the effects of the cholinergic potentiation of visual conditioning on cortical activity and connectivity in the visual cortex and higher associative areas. Mesoscopic calcium imaging was performed in head-fixed GCaMP6s adult mice during resting state or monocular presentation of conditioned (0.03 cpd, 30°, 100% contrast) or non-conditioned 1Hz-drifting gratings (30°, 50 and 75% contrast; 90°, 50, 75 and 100% contrast), before and after conditioning. The conditioned stimulus was presented 10 min daily for a week. Donepezil (DPZ, 0.3 mg/kg, s.c.), a cholinesterase inhibitor that potentiates cholinergic transmission, or saline were injected prior to each conditioning session and compared to a sham-conditioned group. Cortical maps were established, then amplitude, duration, and latency of the peak response, as well as size of activation were measured in the primary visual cortex (V1), secondary visual areas (AL, A, AM, PM, LM, RL), the retrosplenial cortex (RSC) , and higher cortical areas. Visual stimulation increased calcium signaling in all primary and secondary visual areas, but no other cortices (except RSC). The cortical responses were sensitive to contrast but not to grating orientation. There were no significant effects of sham-conditioning or conditioning alone, but DPZ treatment during conditioning significantly decreased the evoked neuronal activity response for the conditioned stimulus in V1, AL, PM, and LM. The size of activated area and signal-to-noise ratio were affected in some cortical areas. There was no effect for the non-conditioned stimuli. Interestingly, signal correlation appeared only between V1 and the ventral visual pathway and RSC and was decreased by DPZ administration. The resting state activity was slightly correlated and rarely affected by treatments, except between binocular and monocular V1 in both hemispheres. In conclusion, despite the previously observed enhancement of the cortical response of layer 4 after visual conditioning with cholinergic potentiation, mesoscale cortical calcium imaging showed that cholinergic potentiation diminished the cortical activation in layer 2/3 and sharpened the responses to the conditioned visual stimulus in V1 and PM, via a layer-dependent effect.

La dyslexie développementale est un trouble neuro-développemental qui affecte spécifiquement l’apprentissage du langage écrit d’environ 10% des enfants en âge scolaire. Ces dernières années, plusieurs études ont montré la présence des anomalies oculomotrices chez les enfants dyslexiques. Toutefois, plusieurs questions sur la performance oculomotrice des enfants dyslexiques sont encore sans réponse ou restent peu étudiées.Dans cette thèse, nous avons réalisé trois études afin d’examiner l’oculomotricité des enfants dyslexiques comparativement à celle des enfants non-dyslexiques. Pour la première fois, nous avons enregistré les saccades verticales chez les enfants dyslexiques (étude 1). Les résultats ont montré que, comparés aux enfants non-dyslexiques de même âge chronologique, les enfants dyslexiques avaient des latences plus longues, de faibles précisions et des vitesses saccadiques ayant une asymétrie haut/bas. Les études 2 et 3 nous ont permis d’élargir les investigations, respectivement, sur la fixation visuelle et sur la reconnaissance visuo-auditive phonologique chez les enfants dyslexiques. Nous avons reporté une fixation visuelle et une reconnaissance visuo-auditive phonologique de faible qualité chez les enfants dyslexiques par rapport aux groupes d’enfants-non dyslexiques de même âge chronologique et de même âge de lecture.Nous avons suggéré que le développement atypique du système visuel magnocellulaire, de même que celui des structures cortico-sous-corticales et des difficultés attentionnelles expliqueraient les perturbations oculomotrices des enfants dyslexiques. Ainsi, nous avons proposé des voies de rééducation oculomotrice en vue de contribuer à l’amélioration des capacités de lecture des enfants dyslexiques.Mots-clés: Mouvements oculaires, saccades, fixations, système visuel, cortex visuel, structures cortico-sous-corticales, attention, dyslexie développementale. / ABSTRACTDevelopmental dyslexia is a neurodevelopmental disorder that affects written language learning of about 10% of school-age children. During the last years, several studies have shown the presence of oculomotor abnormalities in dyslexia. However, several questions about the oculomotor performance of dyslexic children are still unanswered.We conducted three studies to examine eye movements of dyslexic children with respect to non-dyslexic age-matched children. In the first of our study, we investigated vertical saccades performance in dyslexic children. The results showed that, dyslexic children had longer latencies, poor precision and slow saccadic speed with up / down asymmetry. Studies 2 and 3 respectively allowed us to enlarge the investigation of visual fixation as well as visual-auditory phonological capabilities in dyslexic children. We reported a low quality of visual fixation and visual-auditory phonological recognition in children with dyslexia compared with the non-dyslexic children.Taken together, all these findings suggested, in dyslexic children, an immaturity of the magnocellular visual system, as well as of the cortico-subcortical structures responsible for oculomotor performances. Attentional capabilities, that are poor in dyslexic children, would be also explained their oculomotor deficiencies reported. Thus, we proposed oculomotor rehabilitation that could be able to improve reading skills in dyslexia.Key words: Eye movements, saccades, fixations, visual system, visual cortex, cortical and sub-cortical structures, attention, developmental dyslexia.

Dans le cortex visuel primaire (V1 ou l’aire 17) du chat, les neurones répondent aux orientations spécifiques des objets du monde extérieur et forment les colonnes d'orientation dans la zone V1. Un neurone répondant à une orientation horizontale sera excité par le contour horizontal d'un objet. Cette caractéristique de V1 appelée sélectivité d'orientation a été explorée pour étudier les effets de l'adaptation. Suivant un schéma d’entraînement (adaptation), le même neurone ayant initialement répondu à l’orientation horizontale répondra désormais à une orientation oblique. Dans cette thèse, nous étudions les propriétés d'ajustement d'orientation de neurones individuels dans des couches superficielles et plus profondes de V1 dans deux environnements d'adaptation. En raison de la grande interconnectivité entre les neurones de V1, nous émettons l'hypothèse que non seulement les neurones individuels sont affectés par l'adaptation, mais que tout le cortex est reprogrammé par l'adaptation. Des enregistrements extracellulaires ont été effectués sur des chats anesthésiés. Les activités neuronales ont été enregistrées simultanément aux couches 2/3 et à la 5/6 à l'aide d'une électrode de tungstène. Les neurones ont été adaptés à la fois par stimulation visuelle et son répétitif selon deux protocoles différents. Dans les deux cas, une plage stimulante constituée de sinusoïdes à défilement a été présentée pour évoquer les réponses dans V1 et générer des courbes de réglage d'activité multi-unités. La connectivité fonctionnelle entre les neurones enregistrés a été démontrée par un corrélogramme croisé entre les décharges cellulaires captées simultanément. En réponse à l'adaptation visuelle, les neurones des couches 2/3 et 5/6 ont montré des glissements attractifs et répulsifs classiques. En revanche en comparant le comportement des neurones de l'une et l'autre couche, on a observé une tendance équivalente. Les corrélogrammes croisés entre les trains de neurones des couches 2/3 et 5/6 ont révélé des décharges synchronisées entre les neurones. Durant l'adaptation au son, en l'absence totale de stimuli visuel, le glissement des courbes d’accord a été observés chez l'une et l'autre couche indiquant ainsi un changement de la sélectivité de l'orientation. Toutefois, il faut prendre note du fait que les cellules des deux couches ont un glissement aux directions opposées ce qui dénote un comportement indépendant. Nos résultats indiquent que les réponses des neurones du cortex V1 peuvent être évoqués par stimulation directe ou indirecte. La différence de réponses à différents environnements d'adaptation chez les neurones des couches 2/3 et 5/6 indiquent que les neurones de l'aire V1 peuvent choisir de se comporter de la même façon ou différemment lorsque confrontés à divers’ stimuli sensoriels. Ceci suggère que les réponses dans V1 sont dépendantes du stimulus environnemental. Aussi, les décharges synchronisées des neurones de la couche 2/3 et de la couche 5/6 démontre une connectivité fonctionnelle entre les paires de neurones. En définitive on pourrait affirmer que les neurones visuels subissent une altération de leur sélectivité en construisant de nouvelles cartes de sélectivité. À la lumière de nos résultats on pourrait concevoir que le cortex en entier serait multi sensoriel compte tenu de la plasticité entre les zones sensorielles. / In the cat primary visual cortex (V1 or area17), neurons fundamentally respond to orientations of the objects in the outside world. Neurons responding to specific orientations form the orientation columns in V1. A neuron responding to a horizontal orientation will get optimally excited towards the outline of a horizontal object. This feature of the visual cortex known as orientation selectivity has been continuously explored to study the effects of adaptation. Following a training paradigm called adaptation, the same neuron that was inherently responding to the horizontal orientation will respond to an oblique orientation. In this thesis, we seek to examine the orientation tuning properties of individual neurons in superficial and deeper layers of V1 in different adaptation environments. Due to the extensive interconnectivity between V1 neurons, we hypothesize that not only do individual neurons get affected by adaptation paradigm, but the whole cortex is reprogramed. To this aim, extracellular recordings were performed in conventionally prepared anesthetized cats. Neural activities were recorded simultaneously from layer 2/3 and layer 5/6 using a tungsten multichannel electrode. Neurons were adapted with a visual adapter (visual adaptation) and a repetitive sound (sound adaptation) in two different settings. Both types of adaptations were performed uninterrupted for 12 minutes. In both settings, sine-wave drifting gratings were presented to evoke responses in V1 and generate tuning curves from the recorded multiunit activity. The functional connectivity between the recorded neurons was revealed by computing cross-correlation between individual neuron pairs. In response to visual adaptation, layer 2/3 and 5/6 neurons displayed classical attractive and repulsive shifts. On comparing the behaviour of the neurons in either layer, an equivalent tendency was observed. Cross-correlograms between the spike trains of neurons in layers 2/3 and 5/6 revealed synchronized firing between the neurons suggesting coordinated dynamics of the co-active neurons and their functional connections. During sound adaptation, where the visual adapter was completely absent, shifts in the tuning curves were observed in either layer indicating a novel orientation selectivity. However, it is noteworthy that cells in both layers shifted in opposite directions indicating independent behaviour. V1 neurons might have an additional role besides processing visual stimuli. The visual neurons may have demonstrated multisensory properties when stimulated indirectly through neighbouring sensory regions. Our results indicate that primary visual neurons can be evoked by direct or indirect stimulation. The difference in the responses of layer 2/3 and layer 5/6 neurons towards the different adaptation environments indicate that neurons in V1 may behave similar or different towards the different sensory stimulus. This suggests that V1 responses are stimulus dependent. Additionally, the synchronized firing of layer 2/3 and layer 5/6 neurons towards visual adapter signify an existence of functional connectivity between the neuron pairs. Together, it can be summarised that visual neurons undergo an alteration of selectivity by building new orientation maps that ultimately potentiates plasticity within sensory regions that are highly suggestive of entire cortex being multisensory.

Les neurones du cortex visuel primaire (aire 17) du chat adulte répondent de manière sélective à différentes propriétés d’une image comme l’orientation, le contraste ou la fréquence spatiale. Cette sélectivité se manifeste par une réponse sous forme de potentiels d’action dans les neurones visuels lors de la présentation d’une barre lumineuse de forme allongée dans les champs récepteurs de ces neurones. La fréquence spatiale (FS) se mesure en cycles par degré (cyc./deg.) et se définit par la quantité de barres lumineuses claires et sombres présentées à une distance précise des yeux. Par ailleurs, jusqu’à récemment, l’organisation corticale chez l’adulte était considérée immuable suite à la période critique post-natale. Or, lors de l'imposition d'un stimulus non préféré, nous avons observé un phénomène d'entrainement sous forme d'un déplacement de la courbe de sélectivité à la suite de l'imposition d'une FS non-préférée différente de la fréquence spatiale optimale du neurone. Une deuxième adaptation à la même FS non-préférée induit une réponse neuronale différente par rapport à la première imposition. Ce phénomène de "gain cortical" avait déjà été observé dans le cortex visuel primaire pour ce qui est de la sélectivité à l'orientation des barres lumineuses, mais non pour la fréquence spatiale. Une telle plasticité à court terme pourrait être le corrélat neuronal d'une modulation de la pondération relative du poids des afférences synaptiques. / Primary visual cortex neurons in adult cat are selective to different image properties as orientation, contrast and spatial frequency. This selectivity is characterized by action potentials as electrical activity from the visual neurons. This response occurs during the presentation of a luminous bar in the receptive fields of the neurons. Spatial frequency is the amount of luminous bars in a grating presented from a precise distance from the eyes and is measured in cycles per degree. Furthermore, it was establish until recently that cortical organisation in the adult remains inflexible following the critical period after birth. However, our results have revealed that spatial frequency selectivity is able to change after an imposition of a non-preferred spatial frequency, also called adapter. Following cortical activity recordings, there is a shift of the spatial frequency tuning curves in the direction of the adapter. A second adaptation at the same non-preferred spatial frequency produced a different neural response from the first adaptation. This “short-term plasticity” was already observed in the primary visual cortex for orientation selective neurons but not yet for spatial frequency. The results presented in this study suggest that such plasticity is possible and that visual neurons regulate their electrical responses through modulation of the weights of their synaptic afferences.

Les neurones du cortex visuel primaire (aire 17) du chat adulte répondent de manière sélective à différentes propriétés d’une image comme l’orientation, le contraste ou la fréquence spatiale. Cette sélectivité se manifeste par une réponse sous forme de potentiels d’action dans les neurones visuels lors de la présentation d’une barre lumineuse de forme allongée dans les champs récepteurs de ces neurones. La fréquence spatiale (FS) se mesure en cycles par degré (cyc./deg.) et se définit par la quantité de barres lumineuses claires et sombres présentées à une distance précise des yeux. Par ailleurs, jusqu’à récemment, l’organisation corticale chez l’adulte était considérée immuable suite à la période critique post-natale. Or, lors de l'imposition d'un stimulus non préféré, nous avons observé un phénomène d'entrainement sous forme d'un déplacement de la courbe de sélectivité à la suite de l'imposition d'une FS non-préférée différente de la fréquence spatiale optimale du neurone. Une deuxième adaptation à la même FS non-préférée induit une réponse neuronale différente par rapport à la première imposition. Ce phénomène de "gain cortical" avait déjà été observé dans le cortex visuel primaire pour ce qui est de la sélectivité à l'orientation des barres lumineuses, mais non pour la fréquence spatiale. Une telle plasticité à court terme pourrait être le corrélat neuronal d'une modulation de la pondération relative du poids des afférences synaptiques. / Primary visual cortex neurons in adult cat are selective to different image properties as orientation, contrast and spatial frequency. This selectivity is characterized by action potentials as electrical activity from the visual neurons. This response occurs during the presentation of a luminous bar in the receptive fields of the neurons. Spatial frequency is the amount of luminous bars in a grating presented from a precise distance from the eyes and is measured in cycles per degree. Furthermore, it was establish until recently that cortical organisation in the adult remains inflexible following the critical period after birth. However, our results have revealed that spatial frequency selectivity is able to change after an imposition of a non-preferred spatial frequency, also called adapter. Following cortical activity recordings, there is a shift of the spatial frequency tuning curves in the direction of the adapter. A second adaptation at the same non-preferred spatial frequency produced a different neural response from the first adaptation. This “short-term plasticity” was already observed in the primary visual cortex for orientation selective neurons but not yet for spatial frequency. The results presented in this study suggest that such plasticity is possible and that visual neurons regulate their electrical responses through modulation of the weights of their synaptic afferences.