Pour ces travaux de thèse, nous proposons pour la première fois une méthodologie systématique pour étudier les propriétés tactiles de tissu au travers de perceptions visuelles. Tout d’abord, nous étudions les bases physiologiques et cognitives des perceptions visuelles et haptiques des propriétés tactiles des tissus. Ensuite, une hypothèse fondamentale est proposée pour que les propriétés tactiles des tissus puissent être interprétées à travers nos yeux. Afin de vérifier cette hypothèse, des expériences sensorielles ont été conduites sur un nombre important de produits textiles selon trois différents scénarii : vidéo, image et toucher réel. Une nouvelle approche basée sur le concept de degré d’inclusion est développée pour étudier les relations entre les données tactiles obtenues à partir des différentes modalités sensorielles. De cette manière, nous concluons qu’il est tout à fait possible de percevoir les propriétés tactiles des tissus à travers des représentations visuelles. Ceci confirme l’hypothèse proposée précédemment. En nous appuyant sur ces résultats, afin d’explorer le mécanisme interprétatif de la vision, nous effectuons de nouvelles expériences sensorielles, permettant d’évaluer respectivement les caractéristiques visuelles et les propriétés tactiles des échantillons. Ensuite, nous modifions l’approche mathématique proposée précédemment afin de mesurer les relations de type un à plusieurs, de manière à extraire pour chaque propriété tactile d’un ensemble de caractéristiques visuelles les plus pertinentes. Enfin, ANFIS (un réseau neuronal combinant les techniques floues) est utilisé pour modéliser et interpréter quantitativement ces relations. / In the current thesis, we propose for the first time a systematic methodology to study fabric tactile properties through visual perceptions. First of all, we investigate the physiological and cognitive basis of visual and haptic perceptions of fabric tactile properties. Next, we propose a fundamental hypothesis that fabric tactile properties can be, to a big extent, interpreted through our eyes. In order to verify this hypothesis, sensory experiments are carried out on a number of textile products in video, image and real-touch scenarios. A novel approach based on the concept of inclusion degree is developed to study the relations between the tactile data obtained from different sensory modalities. From this study, we conclude that it is possible to perceive fabric tactile properties through visual representations, which confirms the previously proposed hypothesis. On this basis, in order to further explore the visual interpretative mechanism, new sensory experiments are organized to evaluate samples’ visual features and tactile properties, respectively. The previously proposed mathematical approach is modified to be able to measure multiple-to-single relations so as to extract for each tactile property a set of relevant visual features on it. Finally, a fuzzy neural network (Adaptive network-based fuzzy inference system, in short ANFIS) is developed to model the obtained interpretative relationships.

Depuis plusieurs années, la robotique mobile tente de s'extraire de l'espace amniotique des laboratoires de recherche afin d'explorer l'univers imprévisible, voire hostile, de nos lieux de vie, de travail, pour nous servir ou nous divertir. Or, les méthodes classiques de l'intelligence artificielle nécessitent des modèles du robot, de ses actions et de ses perceptions, conçus a priori. Elles sont donc peu adaptées à l'inattendu et à la nouveauté. D'autre part, les systèmes d'apprentissage artificiel, souvent d'inspiration biologique, semblent à présent en voie de fournir les capacités d'adaptation manquantes à ces premières. Nous envisageons dans cette thèse l'apprentissage comme un mécanisme central de l'architecture robotique. Celle-ci peut être représentée sous les traits d'une boucle sensori-motrice où actions et perceptions se rejoignent au sein d'une structure associative. L'apprentissage permet l'acquisition de connaissances nouvelles sur l'environnement mais il intervient également dans la modélisation des actions du robot : en associant des combinaisons de consignes simples sur les moteurs, et en mémorisant les effets de ces actions sur l'environnement ou sur le robot lui-même. Cette forme d'apprentissage a pour support un réseau de neurones permettant un apprentissage en ligne non supervisé. Cette architecture permet également d'exprimer les motivations et les objectifs du robot par le biais d'un second système d'apprentissage en associant une valeur de récompense aux représentations des actions ou des perceptions, par un apprentissage par renforcement. C'est donc l'utilité de chaque action, qui permettra finalement à un processus décisionnel d'avoir lieu.

Un des thèmes de recherche privilégié pour les sciences cognitives et l'intelligence artificielle est l'étude des capacités d'association du cerveau humain. L'objectif est de développer des modèles de mémoires dotés de caractéristiques similaires, que ce soit en termes d'adaptabilité, d'efficacité, ou de robustesse. Plusieurs modèles de mémoires associatives ont été développés et présentés dans la littérature, parmi eux le modèle de mémoire associative bidirectionnelle BAM de Kosko (Kosko, 1988). Ce modèle utilise une règle d'apprentissage hebbienne qui le rend plausible biologiquement, mais il possède plusieurs limitations cependant. En effet, sa règle d'apprentissage impose des contraintes d'orthogonalité entre les différents motifs appris qui entraine une faible capacité de mémorisation et une faible résilience face au bruit. De plus, le modèle peut apprendre uniquement des patrons encodés en binaire et linéairement séparables. De nombreux efforts ont été, et continuent aujourd'hui à être déployés pour tenter d'améliorer le modèle de Kosko. La plupart visent l'augmentation de la capacité de stockage et l'amélioration de la performance de rappel. Quelques-uns des modèles proposés réussissent à classifier des problèmes non séparables linéairement, mais s'éloignent de l'architecture originale de Kosko ou parfois, utilisent des méthodes d'apprentissage qui s'écartent du principe de Hebb, ce qui les rend moins plausibles biologiquement. Dans le présent mémoire, nous approfondissons l'étude d'un modèle récent de BAM, proposé par Chartier et Boukadoum (2006a) et caractérisé par une fonction de sortie chaotique, une architecture asymétrique, et une règle d'apprentissage hebbienne modifiée. Plus spécifiquement, nous étudions l'impact de modifier la fonction de sortie, en lui ajoutant un paramètre d'asymétrie, sur la capacité du réseau à traiter des tâches de classification non linéairement séparables. Nous nous inspirons de la théorie des catastrophes pour le cadre théorique de notre étude. Nous expérimentons sur le modèle en vue d'améliorer sa performance de classification sans complexifier son architecture ou nous écarter de la plausibilité biologique de la règle d'apprentissage. Pour ce faire, nous utilisons et comparons plusieurs algorithmes de recherche heuristiques, dont certains inspirés de l'évolution naturelle, afin de concevoir des modèles de classification puissants, potentiellement capables de reproduire l'efficacité des processus cognitifs naturels. Les principes exposés dans ce mémoire, se sont montrés efficaces pour le modèle BAM et peuvent faire l'objet de recherches intéressantes, notamment pour l'amélioration du potentiel des modèles connexionnistes récurrents. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : mémoire associative bidirectionnelle, réseaux de neurones artificiels, classification, dynamique chaotique, catastrophe fronce.

Les réseaux de neurones ont connu un vif regain d’intérêt avec le paradigme de l'apprentissageprofond ou deep learning. Alors que les réseaux dits optimisés, de par l'optimisation des paramètres nécessaires pour réaliser un apprentissage, nécessitent de fortes ressources de calcul, nous nous focalisons ici sur des réseaux de neurones dont l'architecture consiste en une mémoire au contenu adressable, appelées mémoires associatives neuronales. Le défi consiste à permettre la réalisation d'opérations traditionnellement obtenues par des calculs en s'appuyant exclusivement sur des mémoires, afin de limiter le besoin en ressources de calcul. Dans cette thèse, nous étudions une mémoire associative à base de clique, dont le codage neuronal parcimonieux optimise la diversité des données codées dans le réseau. Cette grande diversité permet au réseau à clique d'être plus performant que les autres mémoires associatives dans la récupération des messages stockés en mémoire. Les mémoires associatives sont connues pour leur incapacité à identifier sans ambiguïté les messages qu'elles ont préalablement appris. En effet, en fonction de l'information présente dans le réseau et de son codage, une mémoire peut échouer à retrouver le résultat recherché. Nous nous intéressons à cette problématique et proposons plusieurs contributions afin de réduire les ambiguïtés dans le réseau. Ces réseaux à clique sont en outre incapables de récupérer une information au sein de leurs mémoires si le message à retrouver est inconnu. Nous proposons une réponse à ce problème en introduisant une nouvelle mémoire associative à base de clique qui conserve la capacité correctrice du modèle initial tout en étant capable de hiérarchiser les informations. La hiérarchie s'appuie sur une transformation surjective bidirectionnelle permettant de généraliser une entrée inconnue à l'aide d'une approximation d'informations apprises. La validation expérimentale des mémoires associatives est le plus souvent réalisée sur des données artificielles de faibles dimensions. Dans le contexte de la vision par ordinateur, nous présentons ici les résultats obtenus avec des jeux de données plus réalistes etreprésentatifs de la littérature, tels que MNIST, Yale ou CIFAR. / The neural networks have gained a renewed interest through the deep learning paradigm. Whilethe so called optimised neural nets, by optimising the parameters necessary for learning, require massive computational resources, we focus here on neural nets designed as addressable content memories, or neural associative memories. The challenge consists in realising operations, traditionally obtained through computation, exclusively with neural memory in order to limit the need in computational resources. In this thesis, we study an associative memory based on cliques, whose sparse neural coding optimises the data diversity encoded in the network. This large diversity allows the clique based network to be more efficient in messages retrieval from its memory than other neural associative memories. The associative memories are known for their incapacity to identify without ambiguities the messages stored in a saturated memory. Indeed, depending of the information present in the network and its encoding, a memory can fail to retrieve a desired result. We are interested in tackle this issue and propose several contributions in order to reduce the ambiguities in the cliques based neural network. Besides, these cliques based nets are unable to retrieve an information within their memories if the message is unknown. We propose a solution to this problem through a new associative memory based on cliques which preserves the initial network's corrective ability while being able to hierarchise the information. The hierarchy relies on a surjective and bidirectional transition to generalise an unknown input with an approximation of learnt information. The associative memories' experimental validation is usually based on low dimension artificial dataset. In the computer vision context, we report here the results obtained with real datasets used in the state-of-the-art, such as MNIST, Yale or CIFAR.

Comment les différentes formes de mémoire sont-elles encodées et comment interagissent-elles ? L'identification des réseaux neuronaux sous-jacents aux différentes formes de mémoire est une approche performante qui permet de mieux comprendre la dynamique des phases de mémoire et leurs interactions. La Drosophile représente un modèle de choix pour l'étude des mécanismes d'apprentissage et de mémorisation. Son cerveau est composé de 100.000 neurones et des outils génétiques permettent d'étudier fonctionnellement les circuits neuronaux avec une résolution proche du neurone unique. On utilise deux sortes d’apprentissage olfactif associatif : l’un, appétitif, repose sur l’association entre une odeur etdu sucre, et l’autre, aversif, associe une odeur et des chocs électriques. On distingue deux types de mémoires appétitives, une à court-terme et une à long-terme. Notre équipe a montré récemment que ces mémoires appétitives se forment indépendamment. La mémoire aversive a été décomposée en deux mémoires labiles à court-terme et à moyen terme, et deux mémoires consolidées : la mémoire à long terme (LTM) qui repose sur une synthèse protéique de novo et la mémoire résistante à l’anesthésie (ARM). Les corps pédonculés (CP), le centre de l'apprentissage et de la mémoire olfactive de la Drosophile, forment une structure bilatérale d’environ 2.000 neurones par hémisphère cérébral, appelés cellules de Kenyon. Celles-ci ont été classées en trois sous-types–γ, αβ et α’β’–en fonction des ramifications de leurs projections axonales qui définissent trois lobes médians (β, β’, γ) et deux verticaux (α, α’). Certains réseaux neuronaux responsables du rappel de la mémoire ont été caractérisés mais la correspondance entre ces réseaux et les phases de mémoire n’est encore que parcellaire. Grâce à des outils thermogénétiques nous pouvons inhiber une population neuronale restreinte pendant la phase de rappel spécifiquement. Au cours de ma thèse j'ai affiné la dissection des différentes phases de mémoire olfactive tant au niveau comportemental qu'au niveau des réseaux neuronaux. Nous avons pu attribuer à chaque phase de mémoire un réseau neuronal précis allant des neurones intrinsèques des CP aux neurones efférents impliqués dans le rappel de la mémoire. Nous avons ainsi mis en évidence une distribution spatio-temporelle de six phases de mémoires aversives mettant en jeu des réseaux neuronaux distincts et complémentaires. Nous avons montré que la ARM, jusqu’ici considérée comme une phase de mémoire unique est en réalité une mémoire composite. Nous avons identifié et localisé trois formes de ARM : la ARM immédiate, la ARM à moyen terme et la ARM à long-terme localisées respectivement dans les neurones αβ, γ et α’β’. Les deux formes séquentielles de mémoire labile immédiate et à moyen-terme ont été localisées dans les neurones γ et αβ respectivement. Nous avons aussi identifié les neurones extrinsèques de rappel de ces différentes formes de mémoire. Nous avons montré que les neurones MB-V2, précédemment décrits par notre équipe, assurent le rappel des mémoires localisées dans les neurones αβ et α’β’. Nous avons également identifié un nouveau type de neurones impliqués dans le rappel mnésique, les neurones MB-M6, efférents aux lobes γ et β’. Il existe un neurone MB-M6 par hémisphère. Ceux-ci sont impliqués dans le rappel des phases de mémoire aversive impliquant les neurones γ et α’β’. Nous avons aussi montré que les neurones MB-M6 sous tendent le rappel de la mémoire appétitive à court-terme. Ces découvertes permettent de dresser un tableau complet des circuits de sortie des corps pédonculés sous-tendant chaque phase de mémoire. Ce schéma global laisse apparaître qu’à un temps donné, deux formes de mémoire distinctes ne partagent jamais le même circuit. Nos travaux ouvrent la voie à l’étude comparée des modifications physiologiques encodant les différentes formes de mémoire associative chez la Drosophile. / A fly can form robust aversive associative olfactory memory after pairing an odor with electric shocks. Appetitive memory forms in a starved fly after pairing an odor with sugar delivery. Both types of olfactory memory rely on the mushroom bodies (MBs), a paired lobed structure of ∼2,000 neurons—the Kenyon cells (KCs)—per brain hemisphere. Based on their axonal morphology, KCs are classed into three different subtypes: axons from α/β and α′/β′ KCs branch into vertical (α and α′) and medial (β and β′) lobes, whereas axons from γ neurons form only a medial γ lobe. Drosophila can form two types of consolidated memories: LTM, which relies on de novo protein synthesis, and ARM, which does not. Droophila can also sequetially forms an immediate labile memory and a middle term labile memory.We have demonstrated a spatio-temporal distribution of six phases of aversive memories involving distinct and complementary neural networks. We have identified and located three forms of ARM: immediate ARM, middle term ARM and long-term ARM located respectively in αβ neurons, γ and α'β’. Both sequential forms of immediate labile memory and middle term memory were localized in γ and αβ neurons respectively. We also identified the extrinsic neurons required for the retrieval of these different forms of memory. We showed that MB-V2 neurons, previously described by our team, ensure the recall of memories localized in αβ and α'β’ neurons. We identified a specific pair of MB-efferent neurons, named M6 neurons. These are involved in the retrieval of aversive memories involving γ and α'β ‘ neurons. We have also shown that MB-M6 neurons are required for the retrieval of appetitive short-term memory.

La maladie d’Alzheimer (MA) est un trouble neurodégénératif qui se manifeste, entre autres, par une détérioration progressive de la mémoire. Le peptide amyloïde (Aβ), composant principal des plaques séniles retrouvées dans le cerveau des patients, a longtemps été considéré comme le principal responsable de ce dysfonctionnement mnésique. Néanmoins, les mécanismes moléculaires à l’origine du déclin de la mémoire restent à ce jour inconnus. Le peptide Aβ est produit par la protéolyse d’une protéine transmembranaire appelée Protéine Précurseur Amyloïde (APP). Il a été proposé qu’en plus de l’effet néfaste de l'accumulation d’Aβ, une perte de fonction d’APP puisse jouer un rôle dans le dysfonctionnement cognitif associé à la MA, en particulier au début de la maladie. La drosophile possède un orthologue d’APP, APP-like (APPL), soumis à deux voies de maturation similaires à celles d’APP. Le laboratoire a mis en évidence l’implication d’APPL chez la mouche adulte dans la mémoire olfactive associative (Goguel et al., 2011). Au cours de ma thèse, nous avons poursuivi deux objectifs : 1) identifier le ou les métabolites d’APPL impliqués dans la mise en place de la mémoire, et 2) analyser l’incidence de la surexpression de la voie amyloïdogénique chez le jeune adulte. Nous avons mis à jour deux types d’interaction fonctionnelle entre APPL et ses métabolites : une interaction positive entre les formes sécrétées et membranaires, qui pourrait sous-tendre la mise en place de la mémoire dans des conditions physiologiques, et une interaction négative entre APPL et dAβ, qui pourrait au contraire participer à l’aggravation des déficits mnésiques observés au cours de l’évolution de la MA. / Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disorder characterized by a progressive deterioration of memory. The amyloid peptide (Aβ), the principal component of senile plaques found in patients’ brains, has been considered as the main cause of memory dysfunction. However, the exact molecular mechanisms that underlie memory decline remain unknown. Aβ is produced by the proteolysis of a transmembrane protein named Amyloid Precursor Protein (APP). It has been suggested that in addition to the accumulation of Aβ, APP loss of function may play a crucial role in the cognitive dysfunction associated with AD, especially at the onset of the disease. Drosophila contains a single APP ortholog APP-like (APPL), that undergoes processing pathways similar to that of APP. We have previously highlighted in young flies the involvement of APPL in associative olfactory memory (Goguel et al., 2011). During my thesis, we sought firstly to identify which form of APPL, among its numerous metabolites, is critical for memory, and secondly, to analyze the effect of promoting the amyloidogenic pathway in the young adult brain. Our results suggest several types of functional interactions between APPL and its metabolites: a positive interaction between the full length membrane and the secreted form - which would underlie implementation of memory under physiological conditions - and a negative interaction between APPL and dAβ - which would rather participate to the progression of the memory decline observed during AD.

La progression de l’espérance de vie observée au cours du XXième siècle a été accompagnée par une augmentation massive de l’incidence des maladies liées à l’âge et en particulier des maladies neurodégénératives. Malheureusement, les thérapeutiques actuelles ciblant principalement les anomalies d’agrégation protéique caractérisant ces maladies, tel que la maladie d’Alzheimer, ont échoué au niveau des essais cliniques. De récentes études épidémiologiques ont suggéré un lien entre la dysfonction métabolique et les maladies neurodégénératives. Par conséquent, une approche alternative pour développer des nouveaux médicaments serait se cibler les voies de signalisation métaboliques perturbées dans les modèles de maladie d’Alzheimer. L’AMPK (AMP activated protein kinase) est une enzyme activée par les bas niveaux d’énergie cellulaire via la détection du taux AMP : ATP. Une fois activée, l’AMPK allonge la durée de vie d’organismes modèles et protège contre le développement de pathologies liées à l’âge telle que les maladies neurodégénératives. De plus, l’AMPK régule l’homéostasie mitochondriale et les réseaux mitochondriaux chez les mammifères. Cependant, il reste à savoir si l’AMPK protège contre le développement de pathologies neurodégénératives via la régulation de la structure mitochondriale. Lors de ces travaux, nous avons utilisé un protocole d’apprentissage et de mémoire chez C. elegans pour mesurer la fonction neuronale. Nous avons montré que les nématodes exprimant le peptide amyloïde Aβ1-42 dans les neurones avait une capacité d’apprentissage détériorée. Ce déficit a pu être restauré par l’activation constitutionnelle de l’AMPK. Nous montrons également que l’activation de l’AMPK améliore les capacités d’apprentissage des nématodes sauvages en induisant la fusion des mitochondries. En effet, les vers mutés pour le gène responsable de la fusion mitochondriale ont une capacité d’apprentissage diminuée, laquelle peut être restaurée par le rétablissement de la fusion mitochondriale, spécifiquement dans les neurones. Des résultats supplémentaires suggèrent que l’AMPK induirait ses effets bénéfiques sur la fonction neuronale en inhibant le facteur de transcription CRTC-1 (CREB-regulated transcriptional co-activator 1). Nos résultats tendent à montrer que cibler le métabolisme cellulaire neuronal représenterait une option thérapeutique viable afin de maintenir les fonctions neuronales dans le cadre de pathologies neurodégénératives. / The dramatic increase in life expectancy during the 20th century was accompanied by a resultant epidemic of age-related pathologies including neurodegenerative diseases. Unfortunately, current therapeutics primarily focusing on protein misfolding aspects of diseases such as Alzheimer’s Disease (AD) have been unsuccessful in the clinical trials. Recent epidemiological studies have suggested a strong association between metabolic dysfunction and neurodegeneration. Therefore, an alternative approach is to target metabolic pathways disrupted in AD models for therapeutics. AMP activated protein kinase (AMPK) is activated in a low energy state via sensing the AMP: ATP ratio. Once active, AMPK promotes longevity in model organism and protects against a wide range of age related diseases including neurodegenerative diseases. In addition, AMPK regulates mitochondrial homeostasis and mitochondrial networks in mammals. However, whether mitochondrial regulation causally links AMPK to protection against neurodegenerative disease is unknown. Here we use a learning and memory protocol in C. elegans as readout of neuronal function. We show that nematodes expressing the toxic amyloid peptide Aβ1-42 in the neurons display impaired learning ability, which can be rescued by constitutive activation of AMPK (CA-AMPK). We further show that CA-AMPK enhances learning ability in wild type nematodes by promoting mitochondrial fusion. Indeed, fusion deficient worms show impaired learning, which can be rescued by restoring mitochondrial fusion specifically in the neurons. Additional results suggest that AMPK might promote its beneficial effects on neuronal function via inhibition of CREBregulated transcriptional co-activator 1 (CRTC-1). Our results show that targeting neuronal metabolism may be a viable therapeutic option to restore neuronal function in the context of neurodegenerative diseases.

La formation et le stockage à long terme des souvenirs mettent en jeu le processus de consolidation mnésique. S’il est maintenant bien admis que ce processus requiert une interaction entre la formation hippocampique et différentes régions corticales dépositaires des souvenirs, les mécanismes qui sous-tendent ce dialogue restent encore mal connus. En combinant chez le rat des approches comportementale, d’imagerie cellulaire et d’inactivations pharmacologiques des voies de signalisation intracérébrales impliquées dans l’épigenèse, nous avons cherché dans ce travail de thèse à élucider certains des mécanismes responsables de la formation des souvenirs au niveau cortical. Dans la perspective de pouvoir appréhender de façon temporellement précise le dialogue hippocampo-cortical au cours du processus de consolidation à l’échelle systémique, notre premier objectif a été de valider une épreuve comportementale adaptée à l’étude de ce processus, la transmission sociale de préférence alimentaire. Nos résultats ont montré que cette tâche, qui ne nécessite qu’une phase d’acquisition ponctuelle, induit une mémoire robuste et durable. Cette mémoire s’appuie sur des stimuli olfactifs de nature non spatiale. Son caractère associatif nécessite l’implication fonctionnelle de l’hippocampe et de régions corticales spécifiques comme le cortex orbitofrontal qui joue un rôle crucial dans le traitement d’informations de nature olfactive. Dans une deuxième série d’expériences, une approche d’imagerie cellulaire utilisant le facteur de transcription c-fos couplée à une approche pharmacologique d’inactivation transitoire région-spécifique a révélé le rôle crucial du cortex orbitofrontal dans le rappel d’informations anciennes (délai de 30 jours) mais pas récentes (délai de 1 jour). Nous avons par ailleurs mis en évidence que la consolidation des informations dans cette structure s’accompagnait de changements progressifs de l’architecture des réseaux neuronaux comme la formation de nouvelles synapses (synaptogénèse) ou l’augmentation du nombre d’épines dendritiques. En accord avec le modèle standard de la consolidation mnésique, ce recrutement cortical était associé à un désengagement de l’hippocampe, confirmant le rôle transitoire de cette structure dans le rappel à long terme d’informations olfactives associatives. Dans une troisième série d’expériences, nous nous sommes intéressés aux mécanismes pouvant sous-tendre l’établissement de la mémoire à long terme au niveau cortical. Nos résultats apportent un éclairage nouveau sur la dynamique des interactions hippocampo-corticales pendant la consolidation systémique en démontrant la nécessité d’un étiquetage des assemblées neuronales du cortex orbitofrontal dès l’encodage des informations. Un blocage de cet étiquetage par une inactivation de ce cortex au moment de l’interaction sociale (phase d’acquisition) a perturbé le rappel à long terme et empêché les modifications de l’architecture des réseaux neuronaux corticaux normalement associés au stockage à long terme des informations olfactives. Sur le plan cellulaire, cet étiquetage requiert l’activation des récepteurs NMDA et de la voie des MAPK, ainsi que l’acétylation des protéines histones impliquées dans la régulation de l’état transcriptionnel de la chromatine. En modifiant leur état d’acétylation, nous avons pu moduler positivement ou négativement le rappel à long terme des informations olfactives relatives à la préférence alimentaire. Ainsi, nos données soulignent l’importance du dialogue hippocampo-cortical dans l’établissement de la mémoire à long terme. / Abstract :

Les mécanismes impliqués dans les troubles cognitifs induits à la suite d’une ischémie cérébrale (IC) demeurent mal compris. En plus du cœur ischémique nécrosé et de la zone de pénombre entourant cette lésion, certaines régions éloignées de la zone ischémique peuvent être fonctionnellement affectées, un phénomène connu sous le nom de «diaschisis». Sachant qu’il existe de fortes interactions fonctionnelles entre l’hippocampe (HPC) et le cortex lors des processus mnésiques, nous avons émis la possibilité que les troubles mnésiques survenant après une IC focale qui préserve l’intégrité de l’HPC, auraient pour origine une perturbation de la connectivité cortico-hippocampique conduisant à un hypofonctionnement hippocampique induit par le phénomène de diaschisis. Afin d’éprouver cette hypothèse, nous avons utilisé le modèle d’occlusion permanente de l'artère cérébrale moyenne chez le rat (OPACM) qui reproduit l’ischémie cérébrale focale humaine. Dans ce modèle, le cortex somato-sensoriel (SS) est endommagé unilatéralement alors que l’intégrité de l’HPC est préservé. Les rats OPACM ont montré une diminution de l’expression du gène c-fos dans l’HPC lors de l'exploration d'un nouvel environnement, indiquant une hypoactivation neuronale. Les rats OPACM ont également présenté une perturbation des mémoires olfactive associative et spatiale lors des tests de transmission sociale de préférence alimentaire (TSPA) et du Barnes maze, respectivement. Afin de confirmer que l’hypofonctionnement hippocampique induit par l’IC résultait d’une réduction des afférences corticales («déactivation») provenant du cortex endommagé, nous avons réalisé des inactivations pharmacologiques spécifiques du cortex SS et ou de l’HPC par injection de lidocaïne ou de CNQX. Ces injections ont induit une hypoactivation hippocampique (réduction du nombre de noyaux Fos-positifs) associée à une perturbation mnésique dans le test de TSPA. L'activité hippocampique chez des rats anesthésiés pendant l’IC ou deux semaines après, ainsi que lors de l’inactivation pharmacologique du cortex SS, a également été examinée par une approche électrophysiologique. Les résultats ont montré une altération de la fréquence d’apparition des «sharp-wave ripples» hippocampiques et révélé une instabilité de la fréquence thêta hippocampique lors de la reperfusion ou deux semaines après IC, ainsi que lors de l’inactivation corticale, suggérant une altération de la dynamique d’interaction entre l’HPC et le cortex. Pris dans leur ensemble, ces résultats identifient le phénomène de diaschisis hippocampique comme un mécanisme crucial impliqué dans l’hypofonctionnement hippocampique et les déficits mnésiques observés après une IC. / The cognitive consequences and the underlying mechanisms leading to cognitive impairments after cerebrovascular occlusive diseases are still unclear. In addition to the infarct zone that suffer the deadly consequence of ischemic stroke, the penumbra surrounding the lesion site and some brain regions more remote to the ischemic areas can be functionally affected by the insult. This phenomenon is referred to as diaschisis. In light of the importance of interactions between hippocampus and cortex during memory processing, we hypothesized that the cognitive impairments observed following focal ischemia could occur in the absence of direct hippocampal insult, possibly via impaired connectivity within cortico-hippocampal networks leading to diaschisis-induced hypofunctioning in specific hippocampal subregions. To examine this possibility, we used the distal middle cerebral artery occlusion (dMCAO) ischemic model in rats which induces restricted cortical infarct in the somatosensory (SS) cortex in the absence of direct hippocampal injury. dMCAO rats exhibited reduced expression of the activity-dependent gene c-fos in the hippocampus when exploring a novel environment, indicating neuronal hypoactivation. Ischemic rats also showed impaired associative olfactory and spatial memory when tested in the social transmission of food preference (STFP) task and the Barnes maze test, respectively. To confirm that the ischemic-induced hippocampal hypofunctioning resulted from reduced afferent inputs (i.e. deactivation) originating in the damaged cortex, we performed region-specific pharmacological inactivation of SS and/or HPC using lidocaine or CNQX. Fos imaging revealed that these treatments induced hippocampal hypoactivation and impaired memory performance as measured in the STFP task. We additionally performed electrophysiological recordings of hippocampal activity in anesthetized rats during acute stroke and two weeks later or after SS cortex inactivation. We found an alteration in the occurrence of sharp-wave ripples associated with instability of theta frequency during reperfusion after stroke and SS cortex inactivation, suggesting an alteration in the dynamics of hippocampal-cortical interactions. Taken collectively, these findings identify hippocampal diaschisis as a crucial mechanism for mediating stroke-induced hippocampal hypofunction and associated memory deficits.

La littérature suggère que le sommeil paradoxal joue un rôle dans l'intégration associative de la mémoire émotionnelle. De plus, les rêves en sommeil paradoxal, en particulier leur nature bizarre et émotionnelle, semblent refléter cette fonction associative et émotionnelle du sommeil paradoxal. La conséquence des cauchemars fréquents sur ce processus est inconnue, bien que le réveil provoqué par un cauchemar semble interférer avec les fonctions du sommeil paradoxal. Le premier objectif de cette thèse était de reproduire conceptuellement des recherches antérieures démontrant que le sommeil paradoxal permet un accès hyper-associatif à la mémoire. L'utilisation d'une sieste diurne nous a permis d'évaluer les effets du sommeil paradoxal, comparativement au sommeil lent et à l’éveil, sur la performance des participants à une tâche sémantique mesurant « associational breadth » (AB). Les résultats ont montré que seuls les sujets réveillés en sommeil paradoxal ont répondu avec des associations atypiques, ce qui suggère que le sommeil paradoxal est spécifique dans sa capacité à intégrer les traces de la mémoire émotionnelle (article 1). En outre, les rapports de rêve en sommeil paradoxal étaient plus bizarres que ceux en sommeil lent, et plus intenses émotionnellement ; ces attributs semblent refléter la nature associative et émotionnelle du sommeil paradoxal (article 2). Le deuxième objectif de la thèse était de préciser si et comment le traitement de la mémoire émotionnelle en sommeil paradoxal est altéré dans le Trouble de cauchemars fréquents (NM). En utilisant le même protocole, nos résultats ont montré que les participants NM avaient des résultats plus élevés avant une sieste, ce qui correspond aux observations antérieures voulant que les personnes souffrant de cauchemars soient plus créatives. Après le sommeil paradoxal, les deux groupes, NM et CTL, ont montré des changements similaires dans leur accès associatif, avec des résultats AB-négatif plus bas et AB-positif plus grands. Une semaine plus tard, seul les participants NM a maintenu ce changement dans leur réseau sémantique (article 3). Ces résultats suggèrent qu’au fil du temps, les cauchemars peuvent interférer avec l'intégration de la mémoire émotionnelle pendant le sommeil paradoxal. En ce qui concerne l'imagerie, les participants NM avaient plus de bizarrerie et plus d’émotion positive, mais pas négative, dans leurs rêveries (article 4). Ces attributs intensifiés suggèrent à nouveau que les participants NM sont plus imaginatifs et créatifs à l’éveil. Dans l'ensemble, les résultats confirment le rôle du sommeil paradoxal dans l'intégration associative de la mémoire émotionnelle. Cependant, nos résultats concernant le Trouble de cauchemars ne sont pas entièrement en accord avec les théories suggérant que les cauchemars sont dysfonctionnels. Le groupe NM a montré plus d’associativité émotionnelle, de même que plus d'imagerie positive et bizarre à l’éveil. Nous proposons donc une nouvelle théorie de sensibilité environnementale associée au Trouble de cauchemar, suggérant qu'une sensibilité accrue à une gamme de contextes environnementaux sous-tendrait les symptômes uniques et la richesse imaginative observés chez les personnes souffrant de cauchemars fréquents. Bien que davantage de recherches doivent être faites, il est possible que ces personnes puissent bénéficier e milieux favorables, et qu’elles puissent avoir un avantage adaptatif à l'égard de l'expression créative, ce qui est particulièrement pertinent lorsque l'on considère leur pronostic et les différents types de traitements. / Existing literature suggests that REM sleep plays a role in the associative integration of emotional memory, and that attributes of dreams during REM sleep, particularly their bizarre and emotional nature, either reflect or even influence this associative and emotional function. The consequence of frequent nightmares on this process is unknown, although, the experience of a nightmare suggests an associative restriction imposed by intense negative emotion, consistent with research showing that negative affect tends to restrict cognitive flexibility in wake. This is consistent with existing theories of nightmare function, largely purporting that nightmares reflect temporary failures in emotion regulation. The first objective of the thesis was to conceptually replicate prior research portraying REM sleep as enabling increased associative access to emotional memory. The use of a daytime nap allowed us to assess the effects of REM sleep, compared to both NREM sleep and waking, on participant performance on a novel task measuring Associational Breadth (AB). Results showed that only those subjects awakened from REM sleep responded with atypical emotional word associations, suggesting that REM is specific in its capacity to broadly integrate emotional memory traces (article 1). Further, REM dream reports were more bizarre than both NREM dreams and waking daydreams, and more emotionally intense than NREM dreams; these attributes are thought to reflect the hyper-associative and emotional nature of REM sleep (article 2). The second objective was to clarify whether and how REM sleep-dependent emotional memory processing is altered in frequent nightmares sufferers. Using a similar nap protocol, our results showed that NM participants had higher baseline AB in response to emotional cue-words, contrary to predictions, but nonetheless corresponding with anecdotal reports of heightened creativity. Following REM sleep, both NM and CTL groups showed similar changes in associative access to emotional cue-words, with negative AB being restricted and positive AB being broadened; one week later, the NM group alone maintained this altered pattern of emotional semantic access (article 3). This finding suggests that, over time, nightmares may interfere with REM sleep-dependent emotional memory integration. Regarding imagery, the NM participants had heightened bizarreness, and positive, but not negative, imagery in their daydreams, but not their dreams (article 4), mirroring our AB finding that the NM group had significantly higher emotional associativity in wake, although patterns of associativity following a REM sleep nap did not differ between groups. Overall, findings support a role of REM sleep in the associative integration of emotional memory. However, our findings regarding nightmare sufferers are not entirely consistent with views that nightmares are associated with dysfunctional emotional memory processing. Although they did show a prolonged priming effect suggestive of inadequate emotion regulation, they also showed heightened semantic associativity and vivid positive imagery in wake. We therefore propose a novel Environmental Sensitivity framework for the study of nightmare sufferers, claiming that an increased sensitivity to a range of environmental contexts, not only negative contexts, underlies the unique symptoms and imaginative richness seen in frequent nightmare sufferers. Although further empirical research exploring potentially adaptive traits or sensitivity to positive contexts in nightmare sufferers is needed, the possibility that these individuals may benefit especially from supportive environments, and may have heightened creativity and semantic associativity, is particularly relevant when considering prognosis and treatment approaches.