Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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

Contexte : Les difficultés de compréhension de la parole dans le bruit représente la principale plainte des personnes malentendantes. Cependant, peu d’études se sont intéressées aux mécanismes d’encodage des sons en environnement bruyant. Ce faisant, nos travaux ont portés sur les stratégies d’encodage des sons dans le nerf auditif dans environnements calme et bruyant en combinant des techniques électrophysiologiques et comportementales chez la gerbille.Matériel et méthodes : L’enregistrement unitaire de fibres du nerf auditif a été réalisé en réponse à des bouffées tonales présentées dans un environnement silencieux ou en présence d’une bruit de fond continu large bande. Les seuils audiométriques comportementaux ont été mesurés dans les mêmes conditions acoustiques, par une approche basée sur l’inhibition du reflex acoustique de sursaut.Résultats : Les données unitaires montrent que la cochlée utilise 2 stratégies d’encodage complémentaires. Pour des sons de basse fréquence (<3,6 kHz), la réponse en verrouillage de phase des fibres de l’apex assure un encodage fiable et robuste du seuil auditif. Pour des sons plus aigus (>3,6 kHz), la cochlée utilise une stratégie basée sur le taux de décharge ce qui requiert une plus grande diversité fonctionnelle de fibres dans la partie basale de la cochlée. Les seuils auditifs comportementaux obtenus dans les mêmes conditions de bruit se superposent parfaitement au seuil d’activation des fibres validant ainsi les résultats unitaires.Conclusion : Ce travail met en évidence le rôle capital de l’encodage en verrouillage de phase chez des espèces qui vocalisent au-dessous de 3 kHz, particulièrement en environnement bruyant. Par contre, l’encodage de fréquences plus aiguës repose sur le taux de décharge. Ce résultat met l’accent sur la difficulté d’extrapoler des résultats obtenus sur des modèles murins qui communique dans les hautes fréquences (> à 4 kHz) à l’homme dont le langage se situe entre 0,3 et 3 kHz. / Background: While hearing problems in noisy environments are the main complaints of hearing-impaired people, only few studies focused on cochlear encoding mechanisms in such environments. By combining electrophysiological experiments with behavioral ones, we studied the sound encoding strategies used by the cochlea in a noisy background.Material and methods: Single unit recordings of gerbil auditory nerve were performed in response to tone bursts, presented at characteristic frequencies, in a quiet environment and in the presence of a continuous broadband noise. The behavioral audiogram was measured in the same conditions, with a method based on the inhibition of the acoustic startle response.Results: Single unit data shows that the cochlea used 2 complementary strategies to encode sound. For low frequency sounds (<3.6 kHz), the phase-locked response from the apical fibers ensure a reliable and robust encoding of the auditory threshold. For high frequencies sounds, basal fibers use a strategy based on the discharge rate, which requires a larger heterogeneity of fibers at the base of the cochlea. The behavioral audiogram measured in the same noise condition overlaps perfectly with the fibers’ threshold. This result validates our predictions made from the single fiber recordings.Conclusion: This work highlights the major role of the phase locked neuronal response for animal species that vocalize below 3 kHz (as human), especially in noisy backgrounds. At the opposite, high frequency sound encoding is based on rate information. This result emphasizes the difficulty to transpose results from murine model which communicate in the high frequencies (> 4 kHz) to human whose language is between 0.3 and 3 kHz.

Les comportements orientés vers un but sont complexes et font appel à un grand nombre de processus cérébraux. Le cortex préfrontal médian (mPFC) apparaît comme une structure clef dans la réalisation de ces comportements de par son rôle dans la planification. De plus, il existe au sein du mPFC des cellules signalant les lieux à forte valeur motivationnelle. L’activité de ces neurones pourrait être essentielle à la mise en place d’un comportement spatial dirigé vers un but. S’orienter vers un but nécessite aussi la construction d’une représentation stable de l’environnement, qui repose sur l’activité de l’hippocampe (HPC). Néanmoins, peu de travaux ont analysé le rôle respectif de ces deux structures, et leurs interactions, lors de l’acquisition et de la consolidation d’une stratégie comportementale orientée vers un but. L’objectif des recherches réalisées au cours de ma thèse est donc d’étudier l’implication de l’hippocampe et du cortex préfrontal médian du rat dans ce processus. Notre première étude a montré l’existence d’un codage prospectif au sein des neurones du mPFC durant la réalisation d’une tâche de mémoire de travail.L’activité des neurones signale à la fois, la séquence temporelle comportementale, et l’anticipation de la récompense, et jouerait ainsi un rôle dans les fonctions exécutives. Dans la deuxième étude, nous nous sommes intéressés aux structures cérébrales impliquées dans la mise à jour de la valence du but ainsi que dans sa rétention à long terme. Nos résultats ont montré que l’inactivation de l’hippocampe intermédiaire provoque des déficits dans le traitement à court terme d’un changement de valence. En revanche, l’inactivation du mPFC empêche le stockage à long terme de ce changement. L’activité de ces deux structures serait donc essentielle pour effectuer une mise à jour en temps réel de la valence d’un but et pour sa consolidation en mémoire à long terme. Leur interaction permettrait d’adapter rapidement et de façon durable la stratégie comportementale de l’animal face aux changements de l’environnement. / Goal-directed behaviors are complex and involve a variety of cognitive processes. Medial prefrontal cortex (mPFC) plays a key role in behavioral planning. More over, cells in the rat mPFC show specific firing modulations at location with a high motivational value. Such neuronal activity could be essential for the setting up installation of a goal-directed behavior. Further more, navigating to a spatial goal requires the building of a stable presentation of the environment which is hippocampus-dependent. So far however, only few studies have addressed the respective role of these two structures, and their interaction, during the acquisition and the consolidation of a goal directed-behavior. The work conducted during my PhD thesis aimed at studying the role of hippocampus and prefrontal cortex in this process. In a first study,we showed the existence of a prospective coding by mPFC neurons when the rat performs a working memory task. Neuronal activity signals both, the temporal sequence of the behavior, and the prediction of reward. These neurons would play a role inexecutive functions. In a second study, we focused on cerebral structures involved in the updating of the value of a goal as well as in its long-term retention. Our results showed that the inactivation of the intermediate hippocampus causes deficit in the short-term processing of a change in the goal value. On the other hand, the inactivation of the mPFC prevents long-term consolidation of this change. Integrity of this two structures would therefore be essential to perform an on-line updating of the goal value and for its long-term consolidation. Their interaction would be necessary to rapidly adapt, and in a lasting manner, the behavioral strategy of the animal when it faces an environmental change.

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