Decision-making is necessary to adapt to the variable environment in everyday life. During this process, our goal is to select the most beneficial course of action in order to obtain the best outcome, to develop efficient choice strategies. That is, estimating the probability to obtain any of the available outcomes as well as their value. Moreover, poor decision-making ability is a common symptom to several psychiatric disorders, such as pathological gambling, depression, schizophrenia and bipolar disorder.The cognitive and emotional mechanisms controlling decision-making processes depend, among others, on the striatum, Basal Ganglia’s main input nucleus. The striatum is divided into the dorsal striatum, responsible for motor and cognitive control that initiate actions (Dorsomedial Striatum, DMS) and generate habits (Dorsolateral Striatum, DLS), and Nucleus Accumbens (NAc) which manages reward and the influence of motivation on motor behavior. A2A-expressing and D1-expressing medium spiny neurons (iMSNs and dMSNs, respectively), accounting for 95% of striatal neurons act in coordination to generate adaptive behavioral responses. It has been shown that imbalanced activity between these two populations leads to abnormal behaviors: overactivation of striatonigral neurons promotes an increased locomotion as well as a higher sensitivity for reward, whereas overactivation of striatopallidal neurons produces the exact opposite effects. However, the specific contributions to decision-making of these two populations in each striatal territory remains unclear. Here, we made use of a chemogenetic (DREADD) tool to manipulate striatal projection neurons’ activity within each specific striatal area and tested their role in a decision-making operant protocol. To do so, we used two different mouse models that allowed us to target specifically iMSNs (A2A-Cre mice) or dMSNs (D1-Cre mice) and induce neuronal-specific expression of the hM3Dq DREADD receptor. CNO-mediated activation of these receptors led to neuronal activation. Then, we tested DREADD-dependent activation of MSNs during the Iowa Gambling Task (IGT), a test used to assess the influence of different rewards on choice and to evaluate the ability of mice to develop advantageous choice strategies. We found an exclusive role of DMS’ dMSNs in controlling choice preference, as DREADD-induced activation of these neurons produced a loss of preference. Manipulations of MSNs in other striatal areas led to altered task performance without affecting choice preference.These results contribute to a better understanding of the role of the striatum on decision-making and moreover, suggest the existence of a high level of functional specialization in this area, a fact that could be explained by the local circuits in which each MSN population is involved. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le néocortex possède un état activé dans lequel l'activité corticalemanifeste un comportement complexe. Au niveau cellulaire, l'activitéest caractérisée par de fortes fluctuations sous-liminaires dupotential membranaire et une décharge irrégulière à bassefréquence. Au niveau du réseau, l'activité est marquée par un faibleniveau de synchronie et une dynamique chaotique. Néanmoins, c'est dansce régime que l'information est traitée de manière fiable par lesréseaux neuronaux. Ce régime est donc crucial pour le traitement del'information par le cortex. Dans cette thèse, nous contribuons à sacompréhension en examinant comment les propriétés biophysiques auniveau cellulaire combinées avec les propriétés d'architecture desréseaux façonnent cette dynamique asynchrone.Cette thèse repose sur les modèles de dynamique de réseaux appelésmodèles de champ moyen, un formalisme théorique qui décrit ladynamique de population grâce à une approche auto-consistante. Aucoeur de ce formalisme se trouve la fonction de transfertneuronale : la fonction entrée-sortie d'un neurone. La première partiede cette thèse s'attache à dériver des fonctions de transfertbiologiquement réalistes en incorporant des caractérisationsexpérimentales.Dans un premier temps, nous avons examiné in vitro comment lesneurones néocorticaux pyramidaux de la couche V du cortex visuelrépondent à des fluctuations du potentiel membranaire. Nous avonsobservé que les neurones individuels ne diffèrent pas seulement entermes d'excitabilité, mais qu'ils diffèrent aussi par leurssensibilités aux paramètres des fluctuations. Dans un deuxième temps,nous avons étudié de manière théorique comment l'intégrationdendritique dans des structures arborescentes façonne les fluctuationsau soma. Nous avons observé que, en fonction des propriétés del'activité présynaptique, différentes comodulations des paramètres desfluctuations pouvaient être obtenues. En combinant cette observationavec nos mesures expérimentales, nous avons observé que cela induisaitdes couplages différents entre activité synaptique et déchargeneuronale pour chaque neurone. Nous proposons donc que, puisque cemécanisme offre un moyen d'activer spécifiquement certains neurones enfonction des propriétés de l'entrée, l'hétérogénéité biophysiquepourrait contribuer à l'encodage de propriétés des stimuli dans lestraitements de l'information sensorielle.La deuxième partie de cette thèse examine comment les propriétésd'architecture des réseaux neuronaux se combinent avec les propriétésbiophysiques et affectent les réponses sensorielles via des effets dedynamiques de populations.Nous avons tout d'abord examiné de manière théorique comment un hautniveau d'activité spontanée impactait les réponses post-synaptiquesdans le cortex. Nous avons observé que la compétition entre lerecrutement dans le réseau cortical activé et les effets deconductances associés prédisaient une relation non-triviale entrel'intensité des stimuli et l'amplitude des réponses. Cette prédictionfut observée dans des enregistrements de réponses post-synaptiquesdans le cortex auditif du rat in vivo en réponse à des stimulicorticaux, thalamiques et auditifs.Pour finir, en tirant avantage des approches de champ moyen, nousavons construit un modèle grande échelle du réseau des couches II-IIIincluant le réseau des fibres horizontales. Nous avons examiné lespropriétés intégratives spatio-temporelles du modèle et nous les avonscomparées avec des mesures par imagerie optique de l'activitécérébrale chez le singe éveillé. En particulier, nous avonsreconstruit une expérience typique du traitement sensoriel: lemouvement apparent. Le modèle prédit un fort signal suppressif dont leprofil spatio-temporel correspond quantitativement à celui observé invivo... / The neocortex of awake animals displays an activated state in whichcortical activity manifests highly complex, seemingly noisybehavior. At the level of single neurons the activity is characterizedby strong subthreshold fluctuations and irregular firing at lowrate. At the network level, the activity is weakly synchronized andexhibits a chaotic dynamics. Yet, it is within this regime thatinformation is processed reliably through neural networks. This regimeis thus crucial to neural computation. In this thesis, we contributeto its understanding by investigating how the biophysical propertiesat the cellular level combined with the properties of the networkarchitecture shapes this asynchronous dynamics.This thesis builds up on the so-called mean-field models of networkdynamics, a theoretical formalism that describes population dynamicsvia a self-consistency approach. At the core of this formalism lie theneuronal transfer function: the input-output description of individualneurons. The first part of this thesis focuses on derivingbiologically-realistic neuronal transfer functions. We firstformulate a two step procedure to incorporate biological details (suchas an extended dendritic structure and the effect of various ionicchannels) into this transfer function based on experimentalcharacterizations.First, we investigated in vitro how layer V pyramidal neocorticalneurons respond to membrane potential fluctuations on a cell-by-cellbasis. We found that, not only individual neurons strongly differ interms of their excitability, but also, and unexpectedly, in theirsensitivities to fluctuations. In addition, using theoreticalmodeling, we attempted to reproduce these results. The model predictsthat heterogeneous levels of biophysical properties such as sodiuminactivation, sharpness of sodium activation and spike frequencyadaptation account for the observed diversity of firing rateresponses.Then, we studied theoretically how dendritic integration in branchedstructures shape the membrane potential fluctuations at the soma. Wefound that, depending on the type of presynaptic activity, variouscomodulations of the membrane potential fluctuations could beachieved. We showed that, when combining this observation with theheterogeneous firing responses found experimentally, individual neuronsdifferentially responded to the different types of presynapticactivities. We thus propose that, because this mechanism offers a wayto produce specific activation as a function of the input properties,biophysical heterogeneity might contribute to the encoding of the stimulusproperties during sensory processing in neural networks.The second part of this thesis investigates how circuit properties,such as recurrent connectivity and lateral connectivity, combine withbiophysical properties to impact sensory responses through effectsmediated by population dynamics.We first investigated what was the effect of a high level of ongoingdynamics (the Up-state compared to the Down-state) on the scaling ofpost-synaptic responses. We found that the competition between therecruitment within the active recurrent network (in favor of highresponses in the Up-state) and the increased conductance level due tobackground activity (in favor of reduced responses in the Up-state)predicted a non trivial stimulus-response relationship as a functionof the intensity of the stimulation. This prediction was shown toaccurately capture measurements of post-synaptic membrane potentialresponses in response to cortical, thalamic or auditory stimulation inrat auditory cortex in vivo.Finally, by taking advantage of the mean-field approach, weconstructed a tractable large-scale model of the layer II-III networkincluding the horizontal fiber network. We investigate thespatio-temporal properties of this large-scale model and we compareits predictions with voltage sensitive dye imaging in awake fixatingmonkey...

Des niveaux d'automatisation élevés sont intégrés dans les environnements critiques pour satisfaire la demande croissante de systèmes plus sûrs. Cette philosophie déplace les opérateurs vers un rôle de supervision et crée de nouveaux problèmes appelés problèmes de performance liés à la sortie de boucle (SDB). L'émergence de pensées sans lien avec ici et maintenant, ou divagation attentionnelle (DA), pourrait affecter les opérateurs dans des situations de SDB par le biais du découplage perceptuel induit. Cette thèse a étudié la dynamique de la DA dans les situations de SDB et son influence sur les opérateurs. Nous avons en premier lieu examiné les preuves dans la littérature pointant vers un lien entre le problème de performance lié à la SDB et la DA. Nous avons complété cette analyse théorique en rapportant la tendance des pilotes (collectée avec un questionnaire) à rencontrer plus de problèmes avec leur pilote automatique pour ceux ayant une plus grande propension au MW non lié à la tâche. Nous avons ensuite mené trois expériences dans des conditions de SDB. Nous avons observé une augmentation significative des épisodes de DA dans les situations de SDB quelle que soit la fiabilité du système, par rapport aux conditions manuelles. Les épisodes de DA étaient également accompagnés d'un découplage perceptuel vis-à-vis de la tâche créé par la DA non lié à la tâche. Ce découplage était visible sur des rapports de demande mentale ainsi que les signaux oculométriques et encéphalographiques. Dans l'ensemble, nos résultats démontrent la possibilité d'utiliser des marqueurs physiologiques de la DA dans des environnements de SDB complexes. Nous discutons de nouvelles perspectives d'utilisation des marqueurs de la DA pour caractériser les problèmes de performance liés à la SDB. Sans vouloir arrêter aveuglément l'émergence de la DA, qui pourrait être bénéfique pour les opérateurs, les recherches futures devraient se concentrer sur la conception de systèmes capables de gérer la DA et d'identifier les informations nécessaires pour faciliter la rentrée de l'opérateur dans la boucle de contrôle. / Higher levels of automation are progressively integrated in critical environments to satisfy the increasing demand for safer systems. Such philosophy moves operators to a supervisory role, also called out-of-the-loop (OOTL) situations. Unfortunately, OOTL situations also create a new kind of human-machine interaction issues, called OOTL performance problem. The dramatic consequences of OOTL performance problem stress the need to identify which mechanisms could influence their appearance. The emergence of thoughts unrelated to the here and now, labeled mind wandering (MW), could affect operators in OOTL situations through the perceptual decoupling induced. This thesis investigates MW dynamic in OOTL situations and its influence on operators. We firstly reviewed the evidences in the literature underlining a link between OOTL performance problem and MW. We completed theoretical insights by reporting pilots' tendency (collected with a questionnaire) to encounter more problems with autopilots when experiencing more task-unrelated MW. Then, we conducted three experiments in OOTL conditions using an obstacle avoidance task. With non-expert population and sessions longer than 45 minutes, we observed a significant increase of MW in OOTL situations compared to manual conditions, independently of system reliability. MW episodes were also accompanied by a perceptual decoupling from the task induced by task-unrelated MW. This decoupling was visible on reports of mental demand as well as oculometric (pupil size, blinks) and encephalographic (N1 component, alpha activity) signals. Overall, our results demonstrate the possibility to use physiological markers of MW in complex OOTL environments. We discuss new perspectives towards the use of MW markers to characterize the OOTL performance problem. Instead of blindly stopping MW episodes, which could have benefits for operators, future research should focus on designing systems able to cope with MW and identify information needed to facilitate the reentry in the control loop when needed.

Avec l'expérience, nous acquérons une panoplie de règles, associations arbitraires entre des stimuli externes et des actes moteurs, qui nous permettent d'adapter notre comportement à l'environnement (apprentissage associatif conditionnel). Ce type d'apprentissage met en jeu les boucles reliant les ganglions de la base (GGB) et le cortex frontal. Ce travail visait à préciser le rôle des GGB dans l'apprentissage de règles visuo-motrices conditionnelles en utilisant plusieurs approches : 1) l'enregistrement de l'activité des neurones du striatum chez le singe éveillé, 2) l'étude chez des patients atteints de la maladie de Parkinson (une pathologie neurodégénérative touchant les GGB) et 3) la neuroimagerie fonctionnelle chez l'homme sain. Les résultats des trois expériences convergent pour indiquer que les GGB sont impliqués à la fois dans l'acquisition et la rétention des associations visuo-motrices.

Si, comme le disait Stetson (1951), la parole est davantage un ensemble de mouvements rendus audibles qu'un ensemble de sons produit par des mouvements, qu'en est-il de la dimension visible de ces mouvements ? L'intelligibilité de la parole est améliorée par l'apport des visèmes, dans un environnement bruyant (Sumby & Pollack, 1954), ce qui nous indique un effet facilitateur sur l'accès au lexique mental. Selon Massaro (1990), l'influence d'une source est maximale si une autre est ambiguë. Pourtant dans l'effet « McGurk » (McGurk & MacDonald, 1976), les deux sources, audible et visible sont équipotentes. Le résultat est bien une perturbation, puisque la « cible » a été mal interprétée. Certains chercheurs ont montré que l'effet McGurk pouvait avoir lieu sur des mots et même sur des phrases. Cela corrobore l'idée que l'intégration de la source visuelle est précoce et prélexicale, mais aussi sujette à l'influence d'effet top-down. Nous avons mené une étude anatomo-fonctionnelle simultanée en IRMf/EEG, en utilisant une tâche de discrimination à choix forcé, portant sur des syllabes CV, selon deux modalités perceptives : audiovisuelle animée et audiovisuelle fixe, afin de pouvoir observer les bases neurophysiologiques de la perception audiovisuelle syllabique. La tâche de discrimination portait sur des paires syllabiques s'opposant sur les trois traits suivants : la labialité vocalique, le lieu d'articulation et le voisement consonantiques.

Les connaissances actuelles de la physiopathologie de la migraine ne permettent pas encore de déterminer avec exactitude le processus pathologique à lorigine de lactivation du système trigémino-vasculaire conduisant à la céphalée migraineuse. Certains arguments sont en faveur danomalies fonctionnelles du cortex cérébral à même denclencher le processus de la crise de migraine. Parmi ces anomalies, une hypersensibilité sensorielle a été décrite de longue date et a conduit à un important travail en neurophysiologie clinique. Ainsi lutilisation des techniques de potentiels évoqués a abouti à divers résultats dont le plus reproductible consiste en un déficit dhabituation des réponses évoquées corticales lors de stimulations sensorielles répétées chez les migraineux en période intercritique. Comprendre lorigine du déficit dhabituation retrouvé chez les migraineux devrait permettre de préciser le rôle du cortex cérébral dans la cascade dactivation menant à la crise de migraine. Nous avons utilisé la stimulation magnétique transcrânienne répétitive (SMTr) chez les migraineux afin de moduler lexcitabilité des cortex visuel et moteur, en enregistrant ses effets respectivement sur les potentiels évoqués visuels et moteurs. La SMTr a ainsi permis détudier lorigine du déficit dhabituation des potentiels évoqués corticaux retrouvé en période intercritique chez les migraineux. Ce déficit dhabituation des réponses corticales semble provenir dun niveau réduit de préactivation corticale mais également dune activité réduite des interneurones inhibiteurs corticaux. Par ailleurs, ce déficit dhabituation ne semble pas être un élément pathogénique prépondérant dans la mesure où sa seule présence chez les sujets sains ne permet pas den faire des migraineux. Il pourrait correspondre soit à un épiphénomène, soit à un des éléments étiopathogéniques de la migraine, au même titre que la prédisposition génétique, les troubles du métabolisme mitochondrial, Il est vraisemblable que le poids relatif de chacun de ces éléments étiopathogéniques participe à lhétérogénéité des migraines.

No description available.

No description available.

No description available.

No description available.