L'analyse du comportement des petits animaux de laboratoire tels que rats et souris est fondamentale en recherche biologique. L'objectif de cette thèse est de faire des mesures anatomiques sur le squelette de souris à partir de vidéos et de démontrer la robustesse de ces mesures par une validation quantitative. Les principales difficultés viennent du sujet d'étude, la souris, qui, vu comme un objet géométrique, peut subir de grandes déformations très rapidement et des conditions expérimentales qui ne permettent pas d'obtenir des flux vidéos de même qualité que pour l'étude de l'humain. Au vu de ces difficultés, nous nous concentrons tout d'abord dans le Chapitre 2 sur la mise en place d'une méthode de recalage de squelette à l'aide de marqueurs collés sur la peau de l'animal. On montre que les effets de couplage non-rigide entre peau et squelette peuvent être contre-carrés par une pondération de l'influence des différents marqueurs dans la cinématique inverse. Cela nous permet de justifier que, malgré ce couplage non rigide, des informations sur la peau de l'animal sont suffisantes pour recaler de manière précise et robuste les structures squelettiques. Nous développons pour cela une chaîne de traitement de données morphologiques qui nous permet de proposer un modèle générique d'animation du squelette des souris. La méthode de cinématique inverse pondérée est validée grâce à des vidéos radiographiques. Ayant justifié de l'utilisation de points à la surface de la peau (l'enveloppe) pour recaler le squelette, nous proposons dans le Chapitre 3 un nouveau modèle de déformation de l'enveloppe. Ce modèle, appelé OQR (pour Oriented Quads Rigging, gréage de quadrilatères orientés), est une structure géométrique flexible possédant les bonnes propriétés de déformation de l'animation par cage. A l'instar des squelettes d'animation, elle permet d'avoir une paramétrisation haut-niveau de la morphologie et du mouvement. Nous montrons également comment, grâce à cette bonne déformation de l'enveloppe, nous pouvons utiliser les sommets du maillage déformé comme marqueurs pour la méthode de recalage du squelette du Chapitre 2. Dans les chapitres 2 et 3, nous avons construit un modèle de souris qui permet d'animer en même temps l'enveloppe et le squelette. Ce modèle est paramétré par OQR. Nous proposons donc dans le Chapitre 4 une méthode d'extraction de ces paramètres à partir soit d'une séquence de maillage sans cohérence temporelle soir directement à partir d'images segmentées. Pour contraindre le problème, nous faisons l'apprentissage d'un espace réduit de configurations d'OQR vraisemblables.

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Pour une grande majorité d’espèces, l’olfaction contribue à la survie, et pour d’autres elle suscite en plus des réponses hédoniques qui guident les comportements, qu’ils soient appétitifs ou aversifs. C’est le cas notamment de l’espèce humaine chez qui les réponses hédoniques aux odeurs contribuent de façon importante à la régulation de certains de nos comportements (plaisir alimentaire, plaisir d’humer, reproductif peut être). Bien que cette valeur émotive que l’on confère à l’odorat soit incontestée, son déterminisme reste encore flou et finalement peu étudié. Un grand nombre de données de la littérature mettent l’accent sur le rôle de l’expérience et de l’apprentissage sur la mise en place des réponses hédoniques chez l’Homme. Cependant, même si ces données nous éclairent sur les déterminants de la perception émotionnelle des odeurs à l’âge adulte, elles ne précisent pas leur évolution temporelle : quel rôle jouent le développement humain, les connaissances acquises durant les apprentissages, qu’ils soient implicites ou explicites ? La présente thèse a tenté d’apporter des éléments de réponse à ces deux questions à travers deux études. Pris dans leur ensemble, les résultats de ce travail de thèse suggèrent ainsi que les réponses hédoniques aux odeurs seraient la résultante d’un équilibre entre des facteurs externes, tels que les caractéristiques physicochimiques des odorants, et des facteurs internes plus cognitifs, tels que les connaissances sémantiques acquises à travers l’expérience et plus particulièrement l’exposition précoce / For a large majority of species, olfaction contributes to survival, and for others it induces hedonic responses that guide behavior, whether appetitive or aversive. This is particularly true for the human species in which the hedonic responses to odors contribute significantly to the regulation of some behaviors (food pleasure, the pleasure of smelling flowers, reproduction may be). While the emotional value of smells is undisputed, its determinism is still unclear, and little studied. A large number of scientific data emphasize the role of experience and learning on the development of hedonic responses in humans. However, although these data highlight the determinants of emotional perception of odors in adulthood, they do not specify their temporal evolution: what is the role of human development and of knowledge acquired during learning? This thesis has attempted to provide answers to these questions through two studies. Taken together, the results of this work suggest that hedonic responses to odors are the result of a balance between external factors such as physicochemical properties of odorants, and internal and more cognitive factors, such as semantic knowledge acquired through experience and especially early exposure

Des sondes photoactivables (composés “cagés”) dérivées de la 2-hydroxyméthylène-diméthylaminoquinoléine, ont été préparées et testées pour une application en neurophysiologie. Ces sondes montrent une stabilité hydrolytique élevée et une faible fluorescence, avec des cinétiques de photofragmentation rapides sous irradiation UV (365 nm). Il en est également de même dans des conditions biphotoniques en IR proche (730 nm). Une optimisation de cette plateforme a été réalisée en modifiant la nature et la position des substituants du chromophore, en augmentant la conjugaison et en incorporant des éléments de symétrie C2 et S3, conduisant aux sondes dipolaires, quadrupolaires (dimériques) et octupolaires (trimériques) à haute sensibilité biphotonique ( < 2,50 GM). Les dérivés les plus efficaces ont été testés dans des expériences en neurophysiologie. Tandis que les dérivés de kaïnate sont suffisamment stables en solution aqueuse à pH 7,4 pour les expériences en conditions physiologiques, les dérivés de L-glutamate et GABA ont nécessité une connexion de type carbamate avec la plateforme photoactivable. Sans irradiation, les solutions « stock » de ces composés « cagés » (c = 200-300 µM) n’ont pas produit d’effets majeurs sur l'excitabilité des neurones à en juger par le manque d'effet sur l'activité neuronale ou de potentiels d’actions synaptiques spontanés provoqués par une dépolarisation. La photolyse en lumière blanche par pulses courts d’irradiation a permis la libération de substances actives en quantité suffisante pour produire de grands courants (jusqu’à 5 nA) dans les neurones de Purkinje. / Photosensitive molecular probes (‘caged’ compounds) derived from 2-hydroxymethylenedimethylaminoquinoline were prepared and tested for applications in neurophysiology. These compounds show high hydrolytic stability and low fluorescence, with fast fragmentation kinetics upon UV irradiation (365 nm), and under two photon photolysis conditions (730 nm). This platform was optimized by modifying the substitution pattern, increasing the conjugation length and incorporating C2 or S3 symmetry elements. Dipolar, quadrupolar (dimer) and octupolar (trimer) derivatives were thus synthesized and were found exhibiting high two-photon sensitivity ( < 2,50 GM). The most efficient probes were tested in neurophysiological experiments. While kaïnate derivatives are stable in aqueous solution at pH 7.4 in physiological conditions, L-glutamate and GABA derivatives required the use of a carbamate linker. Without irradiation, any major changes were observed on neuron excitability with “stock” solutions of these caged compounds (c = 200-300 µM), according to the lack of effects on neuron activity or action potentials evoked by depolarization. White light photolysis by short pulses generated sufficient active substances to induce large inward currents (up to 5 nA) in Purkinje neurons.

Les double-tâches consistant à effectuer simultanément une tâche motrice et une tâche cognitive sont fréquemment utilisées pour étudier les relations entre la cognition et la motricité. L’interaction cognitivo-motrice se définit par une modification de performance dans l’une ou l’autre tâche lorsqu’elles sont réalisées conjointement. Un premier postulat est la présence d’une interaction lorsque la réalisation des deux tâches implique l’activation de structures cérébrales et/ou processus cognitifs similaires. D’autre part, une altération de la performance dans l’une ou l’autre tâche peut également s’expliquer par l’utilisation de l’ensemble des ressources centrales disponibles pour les deux tâches. Plusieurs études rapportent une diminution des capacités en double-tâche avec l’avancée en âgé et plus spécifiquement encore chez des patients âgés présentant un un trouble cognitif léger (MCI) Cependant, les facteurs comme la nature de la tâche cognitive ou de la tâche motrice influençant l’interaction cognitivo-motrice et permettant d’isoler l’effet du vieillissement sain ainsi que l’effet d’un trouble cognitif léger (MCI) n’ont pas encore été établis. Cette dissertation doctorale a mis en évidence que l’interaction cognitivo-motrice n’était pas systématiquement présente et dépendait des caractéristiques des tâches cognitives et motrices. Nos données ont également montré qu’une tâche de locomotion dans un escalier, considérée comme plus complexe, était plus à même de générer une interaction cognitivo-motrice. De plus, si cette dernière s’associe à une tâche cognitive de type exécutive, les performances en double-tâche sont d’autant plus diminuées chez les seniors sains comparativement à des jeunes. De la même manière, nos résultats montrent aussi qu’une double-tâche comprenant une tâche de montée ou de descente d’un escalier et une tâche cognitive sollicitant le fonctionnement exécutif permettrait de différencier les patients présentant un MCI des seniors sains.Néanmoins, les améliorations des performances cognitives observées au moyen d’une stimulation transcranienne à courant continu chez des seniors sains, indique qu’il est possible de minimiser la magnitude de l’interaction cognitivo-motrice.En conclusion, le développement de double-tâches cognitivo-motrices écologiques et fonctionnelles, requérant le fonctionnement exécutif apparait pertinent pour distinguer le vieillissement sain du pathologique et ainsi améliorer encore le dépistage des troubles cognitifs précoces chez les patients MCI. Enfin, étant donné les améliorations observées au moyen d’une stimulation transcranienne chez des seniors, cette méthode pourrait représenter un outil intéressant pour minimiser le déclin cognitif chez les patients présentant un MCI. / Doctorat en Sciences de la motricité / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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Les neurones propriospinaux C3-C4, situés au niveau des cervicales C3-C4, sont connectés de façon excitatrice ou inhibitrice aux motoneurones des membres supérieurs. Ils reçoivent des signaux périphériques et descendants, communiquent avec de multiples interneurones de la moelle et envoient une copie de leurs efférences au cervelet. Les neurones propriospinaux excitateurs sont sous le contrôle d'interneurones inhibiteurs. Les neurones propriospinaux pourraient servir à assister les commandes motrices provenant de structures supérieures, ainsi que l'initiation et la terminaison du mouvement. Des études comportementales chez l'animal ont montré que ce système influence particulièrement les mouvements d'atteinte de cible visuellement guidés du membre antérieur (reaching), ainsi que des mouvements de préhension demandant de la dextérité (precision grip). Le but de cette thèse est de confirmer le rôle du système propriospinal dans la transmission de la commande motrice du bras chez l'Homme. Ce travail a été divisé en deux parties. Dans la première partie, nous avons étudié les effets d'une activation du système propriospinal sur la contraction d'un muscle fléchisseur du poignet (FCR) au cours de tâches dynamiques et visuo-guidées du bras et de la main (reach to grasp et reach to point). Nous avons activé les neurones propriospinaux à l'aide de stimulations magnétiques transcraniennes (TMS) et de stimulations électriques du nerf ulnaire, pour en observer les effets sur la contraction musculaire du FCR au cours des différentes tâches. Nous avons montré que le système propriospinal facilitait la contraction du FCR lors du reach to grasp mais pas lors du reach to point. Nous avons aussi montré que durant le reach to grasp, la facilitation propriospinale n'avait lieu que durant la phase de reaching mais pas pendant la phase de grasping. En augmentant l'intensité de stimulation du nerf ulnaire, la facilitation disparaissait. Nous avons émis l'hypothèse que cette différence de facilitation propriospinale entre les différentes tâches et entre les différentes phases du mouvement soit due à une différence de retours proprioceptifs ainsi qu'à une différence de commandes descendantes. Nous avons suggéré que le contrôle des neurones propriospinaux diffère selon que la tâche soit statique (levée d'inhibition feedback) ou dynamique (renforcement de la commande descendante sur les neurones propriospinaux). Nous avons proposé que le système propriospinal soit un élément important pour l'expression de la dextérité en aidant notamment la stabilisation du bras. La seconde partie consistait à mettre en évidence l'existence d'une relation entre les neurones propriospinaux inhibiteurs et le cortex moteur primaire (M1) et le cortex pré-moteur ventral (PMv). Pour cela, nous avons réalisé des expériences de convergence de volées sur les neurones propriospinaux inhibiteurs à l'aide de stimulations électriques du nerf médian et de TMS appliquée sur M1 ou PMv. Nous avons réussi à démontrer l'existence d'une interaction entre PMv et les neurones propriospinaux inhibiteurs, mais pas entre ces neurones et M1. Cette interaction pourrait se faire par des projections cortico-spinales issues de PMv ou en passant par M1. Nous avons donc inhibé transitoirement M1 par un traitement de double continuous theta burst tout en testant les interactions entre PMv et les neurones propriospinaux inhibiteurs. Les données préliminaires montrent que l'interaction avec PMv subsiste toujours : il est possible que des projections cortico-spinales issues du PMv projette (directement ou indirectement) sur les neurones propriospinaux inhibiteurs.

De nombreuses études en imagerie ont rapporté des différences d'activation cérébrale par rapport aux fonctions liées au contrôle attentionnel, telles que l'inhibition, l'alternance et l'attention divisée. Toutefois, les différences liées à l'âge dans les patrons d'activation dans plus d'une tâche de contrôle attentionnel à la fois ont rarement été étudiées chez les mêmes groupes de participants. Deux études ont donc été effectuées : la première porte sur une comparaison directe de l'inhibition et de l'alternance, alors que la seconde se penche sur l'effet de la priorisation en attention divisée. Dans l'étude 1, de jeunes adultes (n = 21) et des aînés (n = 19) ont complété une version modifiée de la tâche de Stroop qui inclut une condition d'interférence et une d'alternance, alors que l'activation du cortex préfrontal est mesurée à l'aide de la spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle (SPIRf). Bien que la condition interférence n'ait révélé aucune activation significative chez les jeunes adultes, la condition alternance a produit une augmentation de l'activation bilatérale au niveau du cortex préfrontal dorso-latéral (CPFDL) et du cortex préfrontal ventro-latéral (CPFVL). Chez les aînés, une activation isolée au niveau du CPFDL bilatéral a été observée même dans les conditions non-exécutives de la tâche de Stroop (dénomination de couleur), et la condition interférence a révélé une activation principalement localisée dans le CPFDL postérieur gauche et dans le CPFVL bilatéral, ainsi qu'une petite composante au niveau du CPFDL antérieur droit. Chez les aînés spécifiquement, l'alternance a produit un étalement bilatéral de l'activation du cortex préfrontal au niveau du CPFDL antérieur bilatéral, du CPFDL postérieur gauche et du CPFVL bilatéral. Ces résultats suggèrent que chez les aînés et les jeunes adultes, les mécanismes d'inhibition et d'alternance sont associés à des patrons différents d'activation préfrontale, ce qui conforte la théorie selon laquelle ces deux mécanismes sont distincts. De plus, les patrons d'activation diffèrent entre les jeunes et les aînés, de sorte que l'activation préfrontale semble être plus étendue à différents sites chez les aînés. Les disparités observées entre l'inhibition et l'alternance en termes d'activation révèlent aussi que ces deux mécanismes se modifient différemment au cours du vieillissement normal. La seconde étude montre les différences liées à l'âge par rapport à la capacité d'accomplir deux tâches simultanément. L'effet de l'âge sur les performances en double-tâche est maintenant étudié en neurosciences au moyen de deux paradigmes, la période réfractaire psychologique (PRP) et la double-tâche (DT). Les études de PRP évaluent les participants lorsqu'ils donnent priorité à une tâche par rapport à l'autre (compléter la tâche A et ensuite la tâche B), alors que les participants des études en DT doivent se concentrer sur les deux tâches simultanément (compléter la tâche A et B). Il est logique de penser que cette condition ajoute une composante exécutive de contrôle additionnelle à la tâche, puisque les participants doivent spontanément gérer leur attention entre les tâches. Cette composante additionnelle pourrait expliquer les divergences de résultats entre les études de PRP et DT. La présente étude vise à vérifier cette hypothèse en évaluant l'effet des instructions de priorité (priorisées vs égales) sur les performances en double-tâche. En plus des mesures comportementales, l'activité cérébrale de jeunes adultes (n = 16) et de personnes âgées (n = 19) a été mesurée à l'aide de la SPIRf. Dans la condition priorisée, on observe une activation du cortex préfrontal droit pendant l'exécution de la DT chez les jeunes adultes. Chez les personnes âgées, l'activation devient bilatérale, mais restreinte à des aires spécifiques, et implique le CPFDL gauche et le CPFVL bilatéral. Dans la condition égale, la condition DT montre une activation isolée dans le CPFDL et CPFVL gauches et CPFDL postérieur droit chez les jeunes adultes, et un étalement bilatéral de l'activation en CPFDL chez les participants âgés. Ces résultats montrent que tant chez les jeunes adultes que les personnes âgées, les effets de priorité sont associés à des patrons d'activation préfrontale distincts. En condition égale, les activations impliquent des régions frontales plus étendues et bilatérales comparativement aux conditions à priorité fixe. Ces résultats supportent l'hypothèse que la condition égale (en DT) exige davantage de contrôle attentionnel. Des différences liées à l'âge existent, le vieillissement étant associé à un étalement de l'activation à différents sites chez les personnes âgées, mais surtout lorsque l'instruction de donner une priorisation égale aux deux tâches est donnée. Les résultats de ces deux études montrent des patrons d'activation préfrontale différents pour les mécanismes d'inhibition, d'alternance et d'attention divisée. Ces résultats ont des implications pratiques et théoriques. Sur le plan pratique, ils montrent que la SPIRf peut mesurer de façon précise les patrons d'activation des mécanismes de contrôle attentionnel distincts et ce, tant chez les jeunes adultes que chez les personnes âgées. Sur le plan théorique, ces résultats apportent un appui aux propositions selon lesquelles il existe des mécanismes distincts de contrôles attentionnels supportés par différents ensembles de régions ou de réseaux préfrontaux du cortex cérébral. De plus, les résultats suggèrent que ces mécanismes impliquent des régions frontales plus étendues chez les personnes âgées que chez les jeunes. Les résultats appuient principalement l'hypothèse du Scaffolding Theory of Aging and Cognition (STAC). Ce modèle indique que les aînés réussissent à maintenir un haut niveau de fonctionnement, étant donné l'engagement continu d'un échafaudage compensatoire, soit le recrutement de circuits additionnels étayant les structures en déclin dont le fonctionnement est devenu bruité, inefficace ou les deux. Cet échafaudage dynamique est une propriété d'un cerveau qui s'adapte à son déclin afin de maintenir la meilleure homéostasie possible (Park & Reuter-Lorenz, 2009). Le niveau du fonctionnement cognitif est alors déterminé par le niveau de la détérioration neuronale, le niveau de la détérioration fonctionnelle et le niveau de compensation créé par l'échafaudage (Drag & Bieliauskas, 2010; Park & Reuter-Lorenz, 2009) ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : contrôle attentionnel, vieillissement normal, SPIRf, lobes frontaux

Univ., Diss.--Bochum, 2005.

Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2009