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Les progrès de l'instrumentation ont été indispensables au développement de la cœlioscopie, permettant de combiner l'efficacité de la chirurgie avec une voie d'abord mini-invasive. Les systèmes robotisés font maintenant partie de l'arsenal dans l'assistance à la réalisation d'une intervention par technique mini-invasive, mais leur intérêt reste encore controversé en raison de leur encombrement, leur coût et les transformations qu'ils risquent d'imposer à la pratique chirurgicale. Les problématiques de recherche dans le domaine de la cœlioscopie robotisée visent une meilleure adaptation de ces systèmes aux contraintes chirurgicales.<br /><br />L'objectif de cette thèse était de contrôler un robot porte-endoscope grâce à primitives de commandes " haut-niveau " qui imitent la tâche de l'assistant chargé de manipuler l'endoscope en cœlioscopie classique. Dans un premier temps, j'ai construit un modèle du domaine de la chirurgie cœlioscopie mettant en évidence le rôle de l'assistant qui m'a permis de déterminer les commandes pertinentes pour contrôler un robot porte-endoscope. Je me suis ensuite intéressée à la mise en œuvre de ces commandes, notamment l'une d'entre elles, consacrée au suivi automatique, par le robot, des instruments chirurgicaux à partir de l'analyse des images endoscopiques. La détection des instruments chirurgicaux a d'abord été validée sur des images numérisées de procédures chirurgicales, puis nous avons réalisé un test sur cadavre, plus proche de la réalité clinique, au cours duquel nous avons réussi à suivre un instrument chirurgical avec le robot porte endoscope.

Le modèle computo-fonctionnel de la vision de haut niveau de Kosslyn et Koenig (1992) repose sur la dissociation entre la reconnaissance et le traitement spatial de la scène visuelle. En 1987, Kosslyn postula l’existence de deux processus pour le traitement des relations spatiales : un processus catégoriel qui calcule les positions relatives des objets et un processus coordonné qui calcule la distance entre les objets. Des études utilisant le paradigme de présentation en champ visuel divisé ont mis en évidence que l’hémisphère gauche sous-tendrait un traitement catégoriel ; l’hémisphère droit sous-tendrait un traitement coordonné. Cette interaction semblerait valider la dichotomie des deux types de processus.Une revue de la littérature pluridisciplinaire a été menée afin de savoir si ce fait est suffisant pour rejeter l’hypothèse d’un processus unique pour les traitements catégoriels et coordonnés. Entre autres, plusieurs études ont observé un effet de pratique au cours de la réalisation de jugements coordonnés : une diminution de l’intervention de l’hémisphère droit au profit d’une prise en charge progressive de l’hémisphère gauche. De plus, l’avantage de l’hémisphère gauche pour le traitement catégoriel a été rarement observé.Une série de cinq expériences comportementales ont été conduites pour vérifier certains biais expérimentaux qui pourraient expliquer les différences hémisphériques et l’effet de pratique observés. Nos résultats nous ont permis d’avancer des hypothèses axées sur la communication entre les hémisphères et sur un lien entre les processus catégoriels et coordonnés. Une critique du paradigme de présentation en champ visuel divisé et différents modèles d’interaction hémisphérique ont été présentés. Trois expériences ont été menées, afin d’évaluer l’impact des communications hémisphériques dans le traitement des relations spatiales. A la lumière de nos résultats, la dichotomie des processus catégoriels et coordonnés a été discutée. / The computational-functional conception of high-level processing of vision in Kosslyn and Koenig (1992) relies on dissociation between object recognition and spatial processing. In 1987, Kosslyn postulated that two different processes compute spatial-relations: categorical process computes relative position of objects and coordinate process computes the distance between objects. Some studies indicate a left-hemisphere advantage for processing categorical spatial relations and a right-hemisphere advantage for processing coordinate spatial relations. This hemispheric difference is interpreted as an evidence of a dichotomy between these two processes. A pluridisciplinary review was conducted to assure that single process hypothesis is dismissed out. Some studies showed, in a coordinate task, that practice resulted in a decreased right-hemisphere involvement and a concurrent increase in left-hemisphere involvement (i.e., practice effect). Furthermore, the left-hemisphere advantage in categorical was seldom observed. The theoretical aim of the thesis was based on two questions: (1) Are there single or several processes encoding visual spatial relations? (2) How can we interpret this practice effect ?Five experiments were run to verify possible bias which might explain observed hemispheric differences and practice effect. Our results suggested that hemispheric communication might be an important factor in spatial-relation processing.An theoretical investigation of divided visual field paradigm was led and several interhemispheric models were described. Three experiments were conducted to estimate hemispheric communication in spatial-relation process. In the light of our results, separate categorical-coordinate processes hypothesis were discussed.

Lors d’une tâche de pointage manuel, la présence de corrections rapides, adaptées, automatiques et même réflexes (Franklin et Wolpert, 2008) suite à une perturbation par saut de curseur a pu être observée dans de nombreuses études. Ici, nous avons souhaité déterminer si ces corrections étaient purement réflexes où si elles étaient amorcées seulement lorsque la perturbation mettait en péril l’atteinte de la cible ; ces corrections ont-elles aussi un aspect fonctionnel ? Dans une première expérience nous avons fait varier la taille des cibles (5 ou 30 mm de diamètre) et des sauts du curseur (5, 15 ou 25 mm) de manière à obtenir certaines combinaisons où la cible pourrait être atteinte sans qu’aucune correction du mouvement pour contrecarrer l’effet du saut du curseur ne soit nécessaire. Des corrections réduisant l’erreur d’environ 65% ont été observées dans toutes les conditions. Dans une seconde expérience, les participants devaient atteindre une très grande cible (arc de 30°) et un saut de curseur de 15 mm était introduit pour certains essais peu de temps après l’amorce du mouvement. Les participants ont modifié leur mouvement dans le sens opposé à celui de la perturbation, et cela même s’ils n’avaient pas détecté consciemment le saut. Cependant, ces corrections étaient moins rapides et plus petites (42% de l’amplitude du saut de curseur) que celles observées lors de la première expérience. Nos résultats supportent le fait que l’amorce des corrections pour des erreurs de trajectoire induites expérimentalement soit de nature réflexe. Un deuxième processus serait alors responsable du déroulement de ces corrections ; ce deuxième processus est basé, entre autres, sur les caractéristiques de la cible. / Cursor-jump experiments have suggested the existence of quick, efficient, automatic and even reflexive (Franklin and Wolpert, 2008) online correction processes in manual aiming movements. In the present study, we wanted to determine whether corrections for a cursor jump are purely automatic/reflexive or whether they are functional in that they occur only when they are required for the target to be reached. In a first experiment, we used different target sizes (5 mm to 30 mm) and cursor-jump amplitudes (5 mm to 25 mm) so that for some target size/cursor-jump combinations, no correction would be needed to reach the target. In all cases, we observed a correction for the cursor-jump. This correction reduced the error induced by the cursor jump by 60-70%, regardless of target size. In a second experiment, we asked participants to point at a large wedge (30° of circular arc). For some trials, a cursor-jump translated the location of the cursor laterally by 15 mm soon after movement initiation. Participants never consciously detected the cursor-jump but clearly modified the trajectory of their movement in the direction opposite to that of the cursor-jump. These corrections were smaller than those observed in the first experiment (42% of the cursor-jump). Our results indicate that the initiation of a correction for a cursor-jump is more reflexive than it is functional. A second correction process would tailor the movement's initial impulse based on the target characteristics.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Les personnes non-voyantes montrent dans les différents aspects de leurs vies qu’elles sont capables de s’adapter à la privation visuelle en utilisant les capacités intactes comme l’ouï ou le toucher. Elles montrent qu’elles peuvent bien évoluer dans leur environnement en absence de vision et démontrent même des fois des habiletés supérieures à celles des personnes voyantes. La recherche de ces dernières décennies s’est beaucoup intéressée aux capacités adaptatives des non-voyants surtout avec l’avènement des nouvelles techniques d’imagerie qui ont permis d’investiguer des domaines qui ne l’étaient pas ou l’étaient difficilement avant. Les capacités supérieures des non voyants dans l’utilisation plus efficace des informations auditives et tactiles semblent avoir leur base neuronale dans le dans le cortex visuel désafférenté, qui continu à être fonctionnel après la privation sensorielle et s’en trouve recruté pour le traitement de stimulations dites intermodales : auditives, tactiles et même montre une implication dans des processus de plus haut niveau, comme la mémoire ou le langage. Cette implication fonctionnelle intermodale résulte de la plasticité du cortex visuel c'est-à-dire sa capacité à changer sa structure, sa fonction et d’adapter ses interactions avec les autres systèmes en l’absence de vision. La plasticité corticale n’est pas exclusive au cortex visuel mais est un état permanent de tout le cerveau. Pour mesurer l’activité du cortex visuel des non voyants, une mesure d’excitabilité de ses neurones consiste à mesurer le temps de recouvrement de l’onde N1 en potentiels évoqués, qui est plus rapide chez les non voyants dans la modalité auditive. En effet, les réponses en potentiels et champs évoqués ont été utilisés en EEG/MEG pour mettre en évidence des changements plastiques dans le cortex visuel des non-voyants pour le traitement de stimuli dans les modalités auditives et tactiles. Ces réponses étaient localisées dans les régions postérieures chez les non voyants contrairement aux contrôles voyants. Un autre type de réponse auditive a reçu moins d’intérêt dans la recherche concernant la réorganisation fonctionnelle en relation avec la privation sensorielle, il s’agit de la réponse auditive oscillatoire (Auditory Steady-State Response ASSR). C’est une réponse qui a l’avantage d’osciller au rythme de stimulation et d’être caractérisé par une réponse des aires auditives étiquetée à la fréquence de stimulation. Cette étiquette se présente sous la forme qu’un pic d’énergie spectrale important qui culmine aux fréquences présentes dans la stimulation. Elle a également l’avantage d’être localisée dans les régions auditives primaires, de là tout changement de localisation de cette réponse chez des non voyants en faveur des régions visuelles pourrait être considéré comme une évidence de la réorganisation fonctionnelle qui s’opère après une privation sensorielle précoce. Le but de cette thèse est donc d’utiliser la réponse oscillatoire à l’écoute des sons modulés en amplitude (MA) pour mettre en évidence les corrélats de la réorganisation fonctionnelle dans le cortex visuel des non-voyants précoces. La modulation de la réponse auditive dans les régions visuelles nous permettra de montrer qu’une réorganisation est possible chez les non-voyants pour ce traitement intermodal. La première étude est une validation du paradigme expérimental «frequency tagged sounds». Il s’agit de montrer qu’une tâche de détection de changement dans la stimulation, permet de moduler la réponse ASSR aux sons modulés en amplitude en vue de l’utiliser dans les études chez les non voyants et dans les conditions d’une privation visuelle transitoire (avec les yeux bandés). Un groupe de sujets voyants ont réalisé une tâche de détection de changement dans la stimulation les yeux ouverts dans deux conditions : écoute active qui consiste à détecter un changement dans la fréquence porteuse de la modulation en appuyant avec l’index droit sur un bouton de réponse et une condition d’écoute passive. Les sons étaient présentés en écoute monaurale et dichotique. Les résultats ont montré une différence significative à l’occurrence du changement dans la stimulation en écoute dichotique seulement. Les schémas de plus grande réponse controlatérale et de suppression binaurale décrit dans la littérature ont été confirmés. La deuxième étude avait pour but de mettre en évidence une réorganisation rapide de la réponse ASSR chez un groupe de sujets voyants dans les conditions de privation visuelle transitoire de courte durée, par bandage des yeux pendant six heures. Le même protocole expérimental que la première étude a été utilisé en écoute active seulement. Les résultats montrent que dans ces conditions une modulation de la réponse corticale en écoute dichotique dans les régions visuelles est possible. Ces sources d’activité occipitale adoptent une propriété du cortex auditif qui est le battement binaural, c'est-à-dire l’oscillation de la réponse ASSR à la différence des fréquences présentées dans chaque oreille. Cet effet est présent chez la moitié des sujets testés. La représentation corticale des sources occipitales évolue durant la période de privation et montre un déplacement des sources d’activité dans la direction antéropostérieure à la fin de la période de privation. La troisième étude a permis de comparer le traitement de la réponse ASSR dans un groupe de non-voyants congénitaux à un groupe de voyants contrôles, pour investiguer les corrélats de la réorganisation fonctionnelle de cette réponse après une privation sensorielle de longue durée c'est-à-dire chez des non voyants congénitaux. Les résultats montrent des différences significatives dans la représentation spectrale de la réponse entre les deux groupes avec néanmoins des activations temporales importantes aussi bien chez les non voyants que chez les contrôles voyants. Des sources distribuées ont été localisées dans les régions associatives auditives dans les deux groupes à la différence des non voyants où il y avait en plus l’implication des régions temporales inférieures, connues comme étant activées par la vision des objets chez les voyants et font partie de la voie visuelle du quoi. Les résultats présentés dans le cadre de cette thèse vont dans le sens d’une réorganisation rapide de la réponse auditive oscillatoire après une privation visuelle transitoire de courte durée par l’implication des régions visuelles dans le traitement de la réponse ASSR par l’intermédiaire du démasquage de connections existantes entre le cortex visuel et le cortex auditif. La privation visuelle de longue durée, elle conduit à des changements plastiques, d’une part intra modaux par l’extension de l’activité aux régions temporales supérieures et médianes. D’autre part, elle induit des changements inter modaux par l’implication fonctionnelle des régions temporales inférieures visuelles dans le traitement des sons modulés en amplitude comme objets auditifs alors qu’elles sont normalement dédiées au traitement des objets visuels. Cette réorganisation passe probablement par les connections cortico-corticales. / Blind persons show in their everyday life that they can efficiently adapt to visual deprivation by relying on their spared senses like touch or the sense of hearing. They also show they can challenge their environment without vision and sometimes even demonstrate superior abilities compared to sighted counterparts. In the last decades, research got more interested in adaptive capabilities of the blinds especially with the advent of new imaging techniques which made it possible to make giant steps investigating new avenues in the field of brain plasticity after sensory loss. The superior abilities of blind individuals take the form of a more efficient use of auditory and tactile information and find their neuronal correlates in the deafferented visual cortex. The visual cortex of the blind is still highly functional after visual deprivation and is recruited for the processing of cross modal auditory and tactile stimulations. It can even show implication in higher level memory or language processes. This functional involvement results from the plasticity of the visual cortex which is its ability to change its structure, its function and to adapt its interactions with the other systems in the absence of vision. Cortical plasticity is not exclusive to the visual cortex of the blind but is a permanent state of the brain. To appreciate cortical activity in the visual cortex of blind individuals, a measure of excitability of its neurons is used. This measure is represented by the recovery of the N1 component in ERPs to target detection, which is shorter in the auditory modality for the blind. Evoked potentials and evoked fields components in EEG and MEG have been shown to be reorganized in favour of the visual cortex of blind individuals compared to sighted ones for the auditory and tactile modalities. Posterior location for such components was found in the blind. The auditory steady-state response is another brain response that received less interest in the study of cortical reorganization after sensory loss. The ASSR has the advantage of oscillating at the stimulation rhythm and is characterized by a response in the auditory cortices tagged to the stimulation frequencies. The tag takes the form of an important spectral energy peak at the frequencies of stimulation in auditory areas. The ASSR is localized in left and right primary auditory areas, with this regard any posterior shift in the location of source activity in blind individuals also tagged to stimulation frequencies would be considered as an evidence of functional reorganization following sensory deprivation. The objectives of this work are to make use of the characteristics of the ASSR to amplitude modulated tones (AM) to investigate neural correlates of cross modal functional reorganization in the visual cortex of the blind for the processing of AM tones. The first study is a validation of the frequency tagging paradigm. A change detection auditory task can modulate the envelope amplitude of the ASSR response. The same paradigm is used to investigate cross modal reorganisation after long and short term visual deprivation. In this first study a group of healthy sighted individuals detected a change in the carrier frequency of AM tones, with eyes opened during monaural and dichotic listening. Two conditions were tested an active condition where they had to press a button each time they hear the change and a passive condition. Results show a significant increase in the envelope amplitude of the ASSR to the onset of the carrier frequency change, only for dichotic presentation. Patterns of activations of the ASSR were maintained, with larger responses in the hemisphere contralateral to the stimulated ear and binaural suppression for the ipsilateral inputs for the dichotic presentation. The second study was aimed to show that rapid changes in the ASSR to amplitude modulated tones (MA) are possible after short term sensory deprivation, by blindfolding sighted individuals for six hours. The same detection task was used but not the passive condition. Results show a modulation of the dichotic response in visual areas. The occipital source activity found, showed an auditory property as a binaural beat, which means an oscillating ASSR at a frequency equal to the difference of the frequencies presented to each ear. This effect was present in half of the participants and took place at the end of the blindfolding time. Cortical representation of the occipital sources showed a displacement of source activities in the antero-posterior direction at the end of transitory deprivation period. In the third study we compared the ASSR processing between early blind individuals (congenitally blind) group and healthy sighted controls group, to investigate the neural correlates of functional reorganization of this response after long term visual deprivation. Results show significant differences in the spectral representation of the response between the two groups. Important auditory temporal activations were found in the two groups. Distributed sources were localized in primary and secondary auditory areas for the two groups. A difference was found in blind individuals who showed additional activations of inferior temporal areas, known to be activated by objects vision in sighted individuals and being part of the what visual pathway. The results presented here are in line with a rapid reorganization of the ASSR after short term visual deprivation, and the implication of visual areas in the processing of AM tones for long term sensory deprivation in the congenitally blind. This was made possible by the unmasking of existing connections between auditory and visual cortices. Long term deprivation leads to plastic changes, in the auditory modality as a first step by the extension of activity to superior and middle temporal areas, then to cross modal changes with the functional involvement of inferior temporal areas in the processing of AM tones, considered as visual objects. This reorganization is likely to be mediated through lateral cortico-cortical connections.

L’industrie publicitaire est un travail quotidien de collaboration entre deux « hémisphères » distincts : l’un de nature commercial et l’autre de nature créatif. Des individus qui favorisent des aspects logiques et rationnels se doivent de collaborer avec des individus qui favorisent des aspects intuitifs et artistiques, ce qui suscite des tensions. Cette mise en relation s’opère au travers d’un processus, que nous nommerons processus de design visuel communicationnel car il permet de relier la communication au design, approche que nous adoptons dans ce mémoire. L’industrie publicitaire s’est dotée d’outils permettant de faciliter le processus de design visuel communicationnel, dont le brief créatif. Notre recherche propose d’observer la manière dont les « commerciaux » et les « créatifs » perçoivent leur travail quotidien en agence et comment le brief créatif est réquisitionné. Nous adoptons une posture interprétative pour tenir compte de la complexité du phénomène et nous mobilisons une série d’entrevues pour répondre à nos questions de recherche. Nos questions de recherche sont les suivantes : de quelle manière les « commerciaux » et les « créatifs » négocient-ils les tensions lors du processus de design visuel communicationnel? Quels rôles le brief créatif occupe-t-il au sein de ce processus? Les résultats nous renseignent sur les transformations et les innovations qui émergent des tensions entre les « commerciaux » et les « créatifs » et sur l’importance que revêtent les caractéristiques communicationnelles du brief créatif dans le cadre du processus de design visuel communicationnel. / The advertising industry involves a daily collaboration between two ways of thinking or two hemispheres: one of commercial nature and the other of creative nature. Rational and logical individuals must collaborate with intuitive and artistic individuals, and from this collaboration emerge various tensions. In the advertising industry, this relationship operates throughout a process of visual communication design. We chose to use the term visual communication design process because it illustrates our approach in this research, an approach that joins communication and design. The advertising industry has developed tools to facilitate the visual communication process: among them the creative brief. Our research proposes to observe how “commercials” and “creatives” in the industry perceive their day-to-day work and their use of the creative brief through a series of interviews. Our questions are: in which ways do the “commercials” and “creatives” negotiate the tensions that emerges from the visual communication design process? What are the roles of the creative brief throughout this process? Our findings illustrate the transformations and innovations that emerge from the tensions between “commercials” and “creatives” and highlight the importance of the communicational characteristics of the creative brief as part of the visual communication design process.

La transmission cholinergique, et notamment muscarinique, joue un rôle déterminant dans le système nerveux central au niveau de la modulation de la plasticité neuronale. La libération d'ACh dans le cortex visuel est concomitante à la présentation de stimuli visuels. Par son action sur la transmission neuronale corticale, l'ACh module à long terme les réponses à de nouveaux stimuli sensoriels. Dans la présente étude, l'implication du système cholinergique au niveau du développement cortical et de la plasticité inductible chez l'adulte a été étudiée par les techniques d'imagerie optique des signaux intrinsèques et d'immunohistochimie chez le rongeur. Ces deux techniques de cartographie de l'activité corticale nous ont permis d'évaluer, d'une part, l'impact modulatoire de l'acétylcholine (ACh) et de ses récepteurs muscariniques (mAChRs, M1 à M5) sur l'organisation fonctionnelle du cortex visuel chez des souris déficitaires pour les mAChRs et, d'autre part, l'impact de la libération d'ACh lors d'un entraînement visuel, sur le nombre, la nature neurochimique et la localisation au niveau des couches corticales des neurones corticaux activés. L'implication du système cholinergique sur la cartographie du cortex visuel primaire a été étudiée sur les souris génétiquement modifiées délétères (knock out : KO) pour différentes combinaisons de sous-types de mAChRs. L'imagerie des signaux intrinsèques, basée sur les changements de réflectance corticale de la lumière survenant lors de la consommation d'oxygène par les neurones activés, a permis de déterminer, lors de stimulations visuelles, les différentes composantes des propriétés des neurones du cortex visuel. La taille des champs récepteurs des neurones est diminuée lors de l'absence du récepteur M1 ou de la combinaison M1/M3. Le champ visuel apparent est augmenté chez les souris M2/M4-KO mais diminué chez les M1-KO. La finesse des connectivités neuronales (évaluée par la mesure du scatter du signal) est réduite lors de l'absence des récepteurs M2/M4. Finalement, chez les animaux M1/M3-KO, une diminution de l'acuité visuelle est observée. L'effet à long-terme d'un entraînement visuel couplé à une stimulation des neurones cholinergiques sur la distribution et la nature des neurones immunoréactifs au c-Fos, c'est-à-dire les neurones activés, a été évalué. Puisque cette stimulation combinée est en mesure de produire des modifications comportementales, notamment au niveau de l'acuité visuelle, il devenait intéressant de s'attarder aux modifications neuroanatomiques et de déterminer quels éléments de l'équilibre excitateur/inhibiteur sont compromis chez ces animaux. Les résultats obtenus démontrent que les animaux ayant reçu une combinaison de l'entraînement cholinergique et visuel présentent une augmentation du marquage c-Fos comparativement aux animaux n'ayant reçu que la stimulation cholinergique. D'autre part, chez ces animaux, il est possible d'observer des modifications de l'équilibre excitateur/inhibiteur qui correspond au potentiel plastique de la région. En conclusion, ces études démontrent un rôle important du système cholinergique dans le développement, la maturation et la plasticité du système visuel cérébral. / The cholinergic transmission, including the muscarinic receptors, plays a role in the central nervous system modulating neuronal plasticity. ACh is released in the visual cortex during the presentation of visual stimuli. By its action on cortical neuronal transmission, ACh modulates long-term responses to new sensory stimuli. In the present study, the involvement of the cholinergic system in cortical development and inductible plasticity in adults was investigated by optical imaging of intrinsic signals and immunohistochemistry in rodents. These two mapping techniques of cortical activity allowed us to evaluate 1) the modulatory effect of acetylcholine (ACh) and its muscarinic receptors (mAChRs, M1 to M5) on the functional organization of the visual cortex in mice deficient of mAChRs and 2) the impact of ACh release during a visual training on the number, neurochemical nature and location of activated neurons in the cortical layers. The involvement of the cholinergic system on the mapping of the primary visual cortex was studied in mice knockout (KO) for different combinations of mAChRs subtypes. Intrinsic signals imaging, based on fluctuations in cortical light reflectance during oxygen consumption by activated neurons, was used to assess the various properties of neurons in the visual cortex during visual stimulation. The size of the neuronal receptive fields is reduced in the absence of M1 receptor or the combination M1/M3. The apparent visual field is increased in M2/M4-KO mice but decreased in M1-KO. The sharpness of neuronal connectivity (assessed by the measure of the scatter) is reduced in the absence of M2/M4 receptors. Finally, in M1/M3-KO animals, a decrease in visual acuity was observed. The effect of long-term visual training coupled with the stimulation of cholinergic neurons on the distribution and nature of immunoreactive neurons in c-Fos, the activated neurons, was evaluated. Since this combined stimulation is able to produce behavioral changes, especially in terms of visual acuity, it was interesting to focus on neuroanatomical modifications and determine which elements of the excitatory / inhibitory balance were compromised in these animals. The results showed that animals which received a combination of visual and cholinergic training presented an increase in c-Fos labeling compared to animals that received only the cholinergic stimulation. Moreover, in these animals, it is possible to observe changes in the excitatory / inhibitory balance which corresponds to the potential of plasticity in the region. In conclusion, these studies demonstrate an important role of the cholinergic system in the development, maturation and plasticity of the cerebral visual system.

L’optogénétique est une technique prometteuse pour la modulation de l’activité neuronale. Par l’insertion d’une opsine microbienne dans la membrane plasmique de neurones et par son activation photonique, il devient possible de réguler l’activité neuronale avec une grande résolution temporelle et spatiale. Beaucoup de travaux ont été faits pour caractériser et synthétiser de nouvelles opsines. Ainsi, plusieurs variétés d’opsines sont désormais disponibles, chacune présentant des cinétiques et sensibilités à des longueurs d’onde différentes. En effet, il existe des constructions optogénétiques permettant de moduler à la hausse ou à la baisse l’activité neuronale, telles la channelrhodopsine-2 (ChR2) ou la halorhodopsine (NpHR), respectivement. Les promesses de cette technologie incluent le potentiel de stimuler une région restreinte du cerveau, et ce, de façon réversible. Toutefois, peu d’applications en ce sens ont été réalisées, cette technique étant limitée par l’absorption et la diffusion de la lumière dans les tissus. Ce mémoire présente la conception d’une fibre optique illuminant à un angle de 90° à sa sortie, capable de guider la lumière à des structures bien précises dans le système nerveux central. Nous avons conduit des tests in vivo dans le système visuel de souris transgéniques exprimant la ChR2 dans l’ensemble du système nerveux central. Dans le système visuel, les signaux rétiniens sont conduits au corps genouillé latéral (CGL) avant d’être relayés au cortex visuel primaire (V1). Pour valider la capacité de mon montage optogénétique à stimuler spécifiquement une sous-population de neurones, nous avons tiré profit de l’organisation rétinotopique existant dans le système visuel. En stimulant optogénétiquement le CGL et en tournant la fibre optique sur elle-même à l’aide d’un moteur, il devient possible de stimuler séquentiellement différentes portions de cette structure thalamique et conséquemment, différentes représentations du champ visuel. L’activation des projections thalamiques sera enregistrée au niveau de l’aire V1 à l’aide de l’imagerie optique intrinsèque, une technique qui permet d’imager les variations de la concentration d’oxygène et du volume sanguin dans le tissu neuronal, sur une grande surface corticale. Comme l’organisation rétinotopique est maintenue au niveau de l’aire V1, l’espace activé au niveau du cortex révèlera l’étendue spatiale de notre stimulation optogénétique du CGL. Les expériences in vivo démontrèrent qu’en déplaçant la fibre optique dans le CGL, il nous était possible de stimuler différents sous- ensembles de neurones dans cette structure thalamique. En conclusion, cette étude montre notre capacité à développer un système à base de fibre optique capable de stimuler optogénétiquement une population de neurone avec une grande précision spatiale. / Optogentics is a promising technic for neuronal activity modulation. By inserting a microbial opsin in the plasma membrane and by its photonic activation, it is possible to regulate neuronal activity with high temporal and spatial resolution. A lot of work has been done to characterize and synthetize new opsins. Thus, a wide variety of opsins are now available, presenting different kinetics and sensibility to specific wavelengths. Indeed, different opsins can either increase or decrease neuronal activity such as channelrhodopsin-2 (ChR2) or halorhodopsin (NpHR), respectively. This technology has the potential to stimulate a specific region within the brain in a highly reversible manner. However, little work was accomplished in this way, because to limitations due to absorption and scattering of light in biological tissue. This master’s thesis presents the conception of a side-firing optical fiber, capable of guiding light to specific structures within the brain. We conducted in vivo experiments in the visual system of transgenic mice expressing ChR2 in the entire central nervous system. In the visual system, retinal inputs are relayed to the lateral geniculate nucleus (LGN) before reaching the primary visual cortex (V1). To validate the capacity of the designed optogenetic assembly to stimulate specific sub-populations of neurons, we took advantage of the retinotopic organization existing in the visual system. By optogenetically stimulating the LGN and rotating the optical fiber around its axis with a motor, it is possible to sequentially stimulate different portions of this thalamic structure and consequently, different portions of the visual field. Activation of thalamic projections will be recorded in area V1 using intrinsic optical imaging, a technic allowing to image variations of blood oxygenation and blood volume in neuronal tissue over large cortical areas. Activation at the level of the cortex will reveal the spatial extent of the optogenetic stimulation in the LGN as retinotopic organization is maintained in V1 cortical area. In vivo experiments showed that displacing the optical fiber in the LGN allowed stimulation of different neuronal populations within this thalamic structure. In conclusion, this study demonstrates our capacity to develop a fiber-based system capable of optogenetically stimulating neuronal tissue with high spatial precision.

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie. / Sensory informations are computed in the cortex by networks of co-activated neurons forming functional ensembles. Visual processing in the cortex underlies several aspects of neuronal characteristics such as anatomical, electrophysiological and molecular. In the primary visual cortex, neurons display selectivity for stimulus features such as orientation, motion direction and spatial frequency. Each stimulus property elicits a maximal firing rate of specific neuronal populations. Visual neurons display transient modifications of their response properties following prolonged exposure to an appropriate stimulus using visual learning or visual adaptation to a non-preferred stimulus. The main objective of this thesis is to investigate the neuronal mechanisms underlying the visual processing during adaptation-induced plasticity in adult animals. These mechanisms are examined through different aspects: the neuronal connectivity, the neuronal selectivity, the electrical properties of neurons, and the effects of drugs (serotonin and fluoxetine). The tested model is the orientation columns of the primary visual cortex. The present thesis is divided into four main chapters. The first chapter (A) focuses on the cortical reorganization following visual adaptation. The second chapter (B) examines the neuronal connectivity using pair-wise correlations and populational correlations of neuronal activities. The third chapter (C) further relate the previous aspects, i.e. the adaptation effects and the functional connectivity to the properties of neurons (two classes: regular-spiking and fast-spiking neurons). Finally, the fourth chapter (D) investigates the coupling of visual adaptation with the local administration of drugs (serotonin and fluoxetine). Methodology Using in vivo extracellular recordings of the neural activity in the primary visual cortex (V1) combined with intrinsic optical brain imaging, we record the spiking activity of neuronal populations and examine, from the multi-unit activity, the activity of individual neurons. The analysis of brain activity uses different algorithms: the electrophysiological distinctions between neurons are based on the trough-to-peak time of each spike (spike-width), the selectivity of neurons is based on the firing rate at different stimuli, and the functional connectivity uses a crosscorrelation computation. The usage of drugs is performed locally on the visual cortex (after craniotomy and removing of the dura). Results and conclusions In the first chapter, we demonstrate the ability of neurons to modify their selectivity to the presented stimuli following visual adaptation, exhibiting a well-organized reprogramming of the orientation columns; we attribute this result to a flexibility of functional units rather than rigid anatomical structures. Indeed, we observe an extensive restructuring of the complete orientation domain in order to refine the columnar organization where every stimulus is equally represented. This is further confirmed in the second chapter where in this case, the connectivity maps are investigated. In concordance with the previous results, the connectivity maps also exhibit restructuring but interestingly, neurons use a summative strategy to stabilize their total connectivity weights. These connectivity dynamics are examined in the third chapter in relation to electrophysiological properties of neurons. Indeed, two differently firing modes dissociate between two classes of neurons. Their distinct correlation dynamics point to the fact that they play different key roles in stimulus encoding within a neuronal population. Finally, in the last chapter, visual adaptation is coupled with the administration of serotonin and fluoxetine. Both drugs produce similar effects by facilitating the acquisition of the imposed stimulus. The non-preferred stimulus when adapted with the presence of the drug results in an increased firing rate of neurons at this particular stimulus. We present a neuronal model based on our findings to explain the fluctuations of firing with and without the drug. This thesis provides new insights into how visual neurons adapt to change their selectivity in the interplay between their plastic ability and their homeostatic dynamic.