Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. [59-66]. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2004-2005 / Le noyau réticulaire thalamique (RE) est une structure qui engendre des fuseaux, une oscillation bioélectrique de marque pendant les stades précoces du sommeil. De multiples propriétés neuronales, intrinsèques et synaptiques, sont impliquées dans la génération, la propagation, le maintien et la terminaison des ondes en fuseaux. D’un autre côté, ce rythme constitue un état spécial de l’activité du réseau qui est généré par le réseau lui-même et affecte les propriétés cellulaires du noyau RE. Cette étude se concentre sur ces sujets: comment les propriétés cellulaires et les propriétés du réseau sont inter-reliées et interagissent pour engendrer les ondes fuseaux dans les neurones du RE et leurs cibles, les neurones thalamocorticaux. La présente thèse fournit de nouvelles évidences montrant le rôle fondamental joué par les neurones du noyau RE dans la genèse des ondes en fuseaux, dû aux synapses chimiques établies par ces neurones. La propagation et la synchronisation de l’activité sont modulées par les synapses électriques entre les neurones réticulaires thalamiques, mais aussi par les composantes dépolarisantes secondaires des réponses synaptiques évoquées par le cortex. De plus, la forme générale et la terminaison des oscillations thalamiques sont probablement contrôlées en grande partie par les neurones du RE, lesquels expriment une conductance intrinsèque leurs procurant une membrane avec un comportement bistable. Finalement, les oscillations thalamiques en fuseaux sont aussi capables de moduler les propriétés membranaires et l’activité des neurones individuels du RE. / The thalamic reticular nucleus (RE) is a key structure related to spindles, a hallmark bioelectrical oscillation during early stages of sleep. Multiple neuronal properties, both intrinsic and synaptic, are implicated in the generation, propagation, maintenance and termination of spindle waves. On the other hand, this rhythm constitutes a special state of network activity, which is generated within, and affects single-cell properties of the RE nucleus. This study is focused on these topics: how cellular and network properties are interrelated and interact to generate spindle waves in the pacemaking RE neurons and their targets, thalamocortical neurons. The present thesis provides new evidence showing the fundamental role played by the RE nucleus in the generation of spindle waves, due to chemical synapses established by its neurons. The propagation and synchronization of activity is modulated by electrical synapses between thalamic reticular neurons, but also by the secondary depolarizing component of cortically-evoked synaptic responses. Additionally, the general shaping and probably the termination of thalamic oscillations could be controlled to a great extent by RE neurons, which express an intrinsic conductance endowing them with membrane bistable behaviour. Finally, thalamic spindle oscillations are also able to modulate the membrane properties and activities of individual RE neurons.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2002. / Bibliogr.: f. [62]-78. Publié aussi en version électronique.

Il est bien établi que le thalamus joue un rôle crucial dans la génération de l'oscillation lente synchrone dans le cortex pendant le sommeil lent. La puissance des ondes lente / delta (0.2-4 Hz) est un indicateur quantifiable de la qualité du sommeil. La contribution des différents noyaux thalamiques dans la génération de l’activité à ondes lentes et dans sa synchronisation n'est pas connue. Nous émettons l'hypothèse que les noyaux thalamiques de premier ordre (spécifiques) influencent localement l’activité à ondes lentes dans les zones corticales primaires, tandis que les noyaux thalamiques d'ordre supérieur (non spécifiques) synchronisent globalement les activités à ondes lentes à travers de larges régions corticales. Nous avons analysé les potentiels de champ locaux et les activités de décharges de différentes régions corticales et thalamiques de souris anesthésiées alors qu'un noyau thalamique était inactivé par du muscimol, un agoniste des récepteurs GABA. Les enregistrements extracellulaires multi-unitaires dans les noyaux thalamiques de premier ordre (VPM) et d'ordre supérieur (CL) montrent des activités de décharges considérablement diminuées et les décharges par bouffées de potentiels d'action sont fortement réduites après inactivation. Nous concluons que l'injection de muscimol réduit fortement les activités de décharges et ne potentialise pas la génération de bouffées de potentiel d'action à seuil bas. L'inactivation des noyaux thalamiques spécifiques avec du muscimol a diminué la puissance lente / delta dans la zone corticale primaire correspondante. L'inactivation d'un noyau non spécifique avec le muscimol a significativement réduit la puissance delta dans l'ensemble du cortex étudié. Nos expériences démontrent que le thalamus a un rôle crucial dans la génération de l'oscillation lente corticale. / It is well established that thalamus plays a crucial role in the generation of the synchronous slow oscillation in the cortex during non-REM sleep. The slow/delta power (0.2-4 Hz) is the main measured factor of the quality of sleep. However, the contribution of different thalamic nuclei to the generation of the slow wave activities and its synchronization is not known. We hypothesized that the first-order (specific) thalamic nuclei provide a control of slow waves in primary cortical areas, while higher-order (non-specific) thalamic nuclei may synchronize the slow-wave activities across wide cortical regions. We analyzed local field potentials and spiking activities from different cortical and thalamic areas of anesthetized mice while a thalamic nucleus was inactivated by the GABA-agonist muscimol. Extracellular multiunit recordings in first-order (VPM) and higher-order (CL) thalamic nuclei show dramatically decreased spiking activity and strongly reduced burst firing after inactivation with muscimol. We conclude that the injection of muscimol strongly reduced the spiking activity and does not potentiate the generation of low-threshold spike mediated bursts. Inactivation of specific thalamic nuclei with muscimol decreased the slow/delta power in the corresponding primary cortical area. The inactivation of a non-specific nucleus with muscimol significantly reduced the delta power in all investigated cortical areas. Our experiments demonstrate that the thalamus is required for the fine tuning of the cortical slow oscillation.

La stimulation cérébrale profonde (SCP) du noyau sous-thalamique (NST) est devenue un traitement reconnu dans la maladie de Parkinson (MP) de stade avancé. Le principal facteur influençant la réponse à la SCP est l'emplacement des contacts de l'électrode par rapport au NST. Cette étude rétrospective vise à évaluer à la fois la précision de l'acte chirurgical ainsi que la localisation des contacts actifs, par rapport aux bordures du NST. L'objectif de la chirurgie au CHA-HEJ est d'implanter une électrode à quatre contacts au sein du NST et plus précisément, placer deux contacts à l'intérieur du NST ainsi qu'un au dessus et un en dessous. Pour vingt-trois patients ayant subi une chirurgie de SCP-NST bilatérale, la cible théorique a été calculée selon différentes façons à savoir, à partir des noyaux rouges, du point situé entre les commissures antérieure et postérieure (ACPC) et des données d'électrophysiologie obtenues lors d'une seule et unique trajectoire de microenregistrement peropératoire (MER). Une fusion des images par résonnance magnétique nucléaire (IRM) préopératoires et postopératoires a été effectuée. Une première étape consistait à évaluer la précision de l'acte chirurgical en mesurant la distance entre la cible théorique et l'artefact ferromagnétique représentant la position finale de l'électrode. À l'aide d'un algorithme basé sur des notions pythagoriciennes et trigonométriques, une deuxième étape consistait à déterminer la localisation de chacun des contacts des électrodes, par reconstruction tridimensionnelle, et ce, dans le référentiel ACPC. Finalement, la localisation des contacts actifs utilisés en clinique a été étudiée en fonction des bordures du NST déterminées par MER. Les résultats ont montré que la différence moyenne entre la cible théorique et la cible finale est de 0,77 mm (±0,59) en X et 0,78 mm (±0,59) en Y (p<0,05). Pour 22/35 électrodes (62,9 %), la cible théorique et la cible finale se chevauchent. Différents facteurs pouvant affecter la précision d'implantation ont été étudiés tels que le genre, le déplacement cérébral « brain shift » et la largeur du troisième ventricule en fonction de l'évolution de la maladie et en aucun cas, ces facteurs n'ont eu d'impact significatif (p> 0.05). La localisation de l'ensemble des contacts en fonction des bordures du NST a été déterminée et ils sont majoritairement situés à l'intérieur du NST. En dépit de la stratégie chirurgicale utilisée, cette distribution tend vers le haut. Par ailleurs, la plupart des contacts actifs se situent à l'intérieur du NST et aucun n'est localisé en dessous du NST. Le point de stimulation moyen a également été déterminé par reconstruction (AP(x)=-2,33±0,99, LAT(y)=ll, 67±l, 81, VERT(z)=-2,39±l, 76) et il est situé au niveau de la bordure supérieure du NTS moyen. En conclusion, la procédure chirurgicale utilisée dans notre milieu démontre un bon degré de précision et les contacts actifs les plus souvent utilisés en clinique sont ceux qui se situent dans la région dorsale du NST, région décrite par la littérature comme la plus efficace pour le traitement des symptômes de la MP.

Le développement du système nerveux comprend plusieurs phases : neurogénèse, migration cellulaire, croissance des neurites, synaptogénèse et raffinement synaptique. Cette dernière étape de remodelage est cependant mal connue au niveau des mécanismes cellulaires et synaptiques. Par des enregistrements cellulaires en configuration cellule entière voltage imposé, nous avons caractérisé la maturation synaptique de la fibre lemniscale du système somato-sensoriel des vibrisses chez la souris. Nous avons démontré que les neurones du noyau ventral-postérieur-médian (VPM) du thalamus chez une souris âgée de 7 à 9 jours post-natals (JPN) sont innervés par environ 8 fibres et que ce nombre diminue entre 1 et 3 (moyenne de 1.4) après la troisième semaine post-natale (PN). Cette diminution d'innervation sensorielle démontre que la maturation des fibres lemniscales comprend une élimination de synapses. De plus, cette période d'élimination s'accompagne de plusieurs changements synaptiques tels une augmentation du ratio des réponses AMPA/NMDA (Alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-ioxyzole-4-propionic acid (AMPA); N-methyl-D-asparate (NMDA)), une diminution du temps de descente et de la sensibilité à l'ifenprodil (antagoniste des sous-unité NR2B) des réponses NMDA, une augmentation dans la force des premières réponses AMPA et une augmentation du maximum des réponses AMPA et NMDA. La rectification des courants AMPA entrants et la plasticité synaptique à court terme (indice de probabilité de relâchement) ne changent pas au cours de cette période. De manière surprenante, la privation d'expérience sensorielle n'affecte pas l'élimination des synapses ainsi que les changements synaptiques de cette période développementale.

Note sur les annexes : 4 documents de format mp4 accompagnant le chapitre 3: Midline thalamic nuclei mediate hippocampo-cortical coupling and fear memory consolidation during sleep / L'un des principaux objectifs des neurosciences est de comprendre comment les circuits neuronaux codent, stockent et déploient l'information pour guider le comportement adaptatif. Le modèle dominant « two-stage » suggère que l'information est d'abord codée pendant l'expérience de veille sous forme de trace neuronale labile, puis stabilisée pendant le sommeil grâce à des mécanismes de consolidation actifs. Une étape cruciale dans ce processus de consolidation est l'activité spatio-temporelle coordonnée entre l'hippocampe et les systèmes thalamocorticaux qui assure le transfert d'une mémoire à court terme de l'hippocampe vers le stockage à long terme dans le cortex. Tant pour l'encodage que pour la consolidation, l'interaction des rythmes électrophysiologiques entre l'hippocampe et le cortex sont des étapes cruciales. Pendant le sommeil des ondes lentes, les ondulations ripple de l'hippocampe (100-300 Hz) répètent des schémas neuronaux précédemment codés en étroite coordination temporelle avec l'oscillation lente néocorticale (1-4 Hz). Cependant, les mécanismes physiologiques qui organisent le couplage spatio-temporel précis entre l'hippocampe et le néocortex sont mal compris. Les noyaux thalamiques médians et intralaminaires, tels que le noyau reuniens, étendent les connexions bidirectionnelles avec le cortex préfrontal médial (mPFC) et l'hippocampe et ont été proposés pour jouer un rôle crucial dans la coordination des rythmes hippocampo-corticaux. Les travaux présentés dans cette thèse examinent les mécanismes qui interviennent dans le couplage des rythmes hippocampiques et thalamocorticaux et le rôle causal de ce couplage dans le traitement de la mémoire. À l'aide de techniques électrophysiologiques, optogénétiques et comportementales, nous testons l'hypothèse selon laquelle le couplage hippocampo-néocortical et la consolidation de la mémoire dépendante du sommeil sont médiés par l'activité des noyaux thalamiques. Nous commençons par une introduction générale couvrant les interactions fonctionnelles du système hippocampique et thalamocortical. La revue de la littérature synthétise les propriétés anatomiques et électrophysiologiques qui régissent les interactions hippocampo-thalamocorticales, comprenant une description des états de vigilance, suivie d'une description des rythmes thalamocorticaux au cours du sommeil lent et convergeant vers l'hypothèse sur la manière dont le sommeil pourrait faciliter la consolidation de la mémoire. Dans le premier article, présenté au chapitre 1, nous testons l'hypothèse selon laquelle la poussée hippocampique lors des oscillations sharp wave ripples (SWR) modifie les propriétés de l'oscillation lente dans le cortex préfrontal médial et ses cibles thalamiques. En utilisant des enregistrements intracellulaires in vivo pendant l'anesthésie, nous montrons que les SWR raccourcissent la période d'oscillation lente préfrontale, parallèlement à un retard d'activité dans les cibles thalamiques du mPFC. Nous montrons des différences significatives dans le couplage SWR-onde lente en anesthésie par rapport au sommeil. Dans le chapitre 2, nous tournons notre attention vers les oscillations fuseaux (10 -15 Hz) et le couplage des SWR, fuseaux et l'oscillation lente pendant les cycles naturels de veille/sommeil. Nous montrons que l'hippocampe, le noyau reuniens et le mPFC forment un réseau fonctionnel dont l'activité est coordonnée pendant le sommeil NREM et REM. Dans le chapitre 3, nous testons l'hypothèse selon laquelle la modulation de l'activité thalamique lors des SWR a des impacts directs sur la consolidation de la mémoire. Nous montrons que l'activité thalamique est caractérisée par des réponses hétérogènes, caractérisées par des augmentations de courte latence de la cadence de déclenchement ou une suppression retardée du déclenchement. En combinant l'optogénétique et stimulation en boucle fermée du thalamus pendant le NREM, nous montrons que la consolidation de la mémoire contextuelle pendant le sommeil dépend de l'activité des noyaux thalamiques médians tels que le noyau reuniens. Au chapitre 4, nous décrivons les mécanismes qui régissent la synchronie à longue portée dans le réseau préfronto-thalamo-hippocampique pendant l'éveil, en nous concentrant sur les oscillations gamma. Les résultats démontrent l'existence d'un potentiel respiratoire important dans le réseau préfronto-thalamique qui forme un puissant modulateur des oscillations gamma préfrontales, ce qui met en évidence le rôle surprenant de la respiration dans les calculs corticaux de niveau supérieur. Au chapitre 5, nous examinons le rôle des neurones corticaux inhibiteurs dans la plasticité dépendante du sommeil à travers une revue de la littérature récemment publiée. Nous concluons que l'hippocampe, le thalamus médian et le mPFC forment un réseau fonctionnel central pour le traitement de la mémoire. La contribution de ce circuit au traitement de la mémoire est facilitée par l'organisation précis de l'activité qui est régi par des oscillations telles que les SWR, les fuseaux, les ondes lentes, le gamma et la respiration. / A major objective of neuroscience is to understand how neural circuits encode, store, and deploy information to guide adaptive behaviour. The dominant two-stage model holds that information is first encoded during waking experience as a labile neural trace and subsequently stabilized during sleep through active consolidation mechanisms. A crucial step in this process is the coordinated spatiotemporal activity between the hippocampus and thalamocortical systems. It is thought that memory is encoded in the hippocampus as a short-term store and transferred to the cortex during sleep. For both encoding and consolidation, the interplay of electrophysiological rhythms between the hippocampus and the cortex are crucial steps. During non-rapid eye movement sleep (NREM) sleep, hippocampal sharp wave ripples (100-300 Hz) replay previously encoded neural patterns in close temporal coordination with the neocortical slow oscillation (1-4 Hz). However, the physiological mechanisms that organize the precise spatiotemporal coupling between the hippocampus and the neocortex are poorly understood. Midline and intralaminar thalamic nuclei, such as the nucleus reuniens, extend bidirectional connections with the medial prefrontal cortex (mPFC) and the hippocampus and have been proposed to play a crucial role in the coordination of hippocampo-neocortical rhythms during wake-dependent encoding and sleep-dependent consolidation steps. The work presented in this thesis examines the mechanisms that govern the coupling of hippocampal and thalamocortical rhythms and the causal role of this coupling in the processing of memory. Of specific interest is the spatiotemporal characteristics of thalamic activity during this coupling. Using electrophysiological, optogenetic and behavioral techniques, we test the hypothesis that the activity of thalamic nuclei mediates hippocampo-neocortical coupling and sleep-dependent memory consolidation. We begin with a general introduction covering the functional interactions of the hippocampal and thalamocortical systems. The literature review synthesizes the anatomical and electrophysical properties that govern hippocampo-thalamocortical interactions, which includes a description of the states of vigilance, followed by a description of the thalamocortical rhythms during slow-wave sleep, converging on the hypothesis about how sleep may facilitate the consolidation of memory are presented. In the first paper, presented in Chapter 1, we test the hypothesis that hippocampal drive during sharp wave ripples (SWRs) alters the properties of the slow oscillation in the medial prefrontal cortex and its thalamic targets. Using in vivo intracellular recordings during anesthesia, we show that SWRs shorten the period of the prefrontal slow oscillation, paralleled by delayed activity in thalamic targets of the mPFC. We show significant differences in SWR-slow wave coupling in anesthesia as compared to sleep. In Chapter 2, we turn our attention to spindle oscillations and the coupling of SWRs, spindles and the slow oscillation during natural sleep/wake cycles. We show that the hippocampus, nucleus reuniens and the mPFC form a functional network whose activity is coordinated during NREM and REM sleep. In Chapter 3, we test the hypothesis that the modulation of thalamic activity during SWRs has direct impacts on the consolidation of memory. We show that thalamic activity is characterized by heterogeneous responses, characterized by short-latency increases in firing rate or delayed suppression of firing. Combining optogenetics and closed-loop stimulation of the thalamus during NREM, we show that the consolidation of contextual memory during sleep is dependent on activity of midline thalamic nuclei such as the nucleus reuniens. In Chapter 4, we describe mechanisms that govern long-range synchrony in the prefronto-thalamo-hippocampal network during waking, focusing on gamma oscillations. The results demonstrate the existence of a prominent respiratory potential in the prefronto-thalamic network. We show that, in wakefulness, respiration is a potent modulator of prefrontal gamma oscillations, which highlights a surprising role for breathing in higher-level cortical computations. Using in vivo intracellular recordings, we demonstrate that respiration timing is propagated by neurons of the nucleus reuniens of the thalamus, a critical anatomical link between the prefrontal cortex and the hippocampus. In Chapter 5, we examine the role of cortical inhibitory neurons in sleep-dependent plasticity through a review of recently published literature. We conclude that the hippocampus, the midline thalamus and the mPFC form a functional network that is central for memory processing. The contribution of this circuit to memory processing is facilitated by the precise timing of activity that is governed by oscillations such as SWRs, spindles, slow waves, gamma, and respiration.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / Les troubles alimentaires sont sérieux et peuvent mettre la vie de ceux qui en souffrent en danger. Une activité anormale de Taxe hypothalamo-hypophyso-surrénalien et une dysfonction de l'hypothalamus sont d'ailleurs associées aux troubles alimentaires. En outre, les récents rapports cliniques soulignent le rôle du thalamus dans les troubles alimentaires puisqu'une lésion du thalamus dorsal, particulièrement le noyau paraventriculaire thalamique (PVT), affecte sévèrement la sensibilité des patients au stress de même que leur alimentation. Les projections réciproques du PVT à l'hypothalamus, au système limbique et au cortex préfrontal suggèrent que cette région est en bonne position pour moduler le comportement alimentaire et l'activité de l'axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien. Ce projet visait à étudier la localisation de l'oscillateur entraîné par la prise alimentaire (FEO) en caractérisant la dynamique de l'activation neuronale dans le cerveau des rats pendant l'anticipation alimentaire et suite à la prise alimentaire et d'étudier la régulation de l'activité de l'axe HPA en fonction de la condition alimentaire. Les résultats obtenus suggèrent que le FEO pourrait être représenté par un réseau neuronal distribué, le circuit septohippocampal-thalamo-hypothalamique. Les subdivisions du PVT et de plusieurs noyaux hypothalamiques ont d'ailleurs des rôles différents en fonction de la condition alimentaire. De plus, les résultats obtenus démontrent que la dynamique de l'activation neuronale de l'anticipation alimentaire est différente de celle de la prise alimentaire. Finalement, les résultats ont montré que l'activation de l'axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien au niveau périphérique n'est pas accompagnée de l'activation des neurones à corticolibérine. Ce projet a permis d'acquérir des connaissances détaillées sur la neuroanatomie et la neurophysiologie du thalamus et de l'hypothalamus impliqués dans la régulation de la prise alimentaire. En outre, ce projet a aidé à mieux comprendre les mécanismes centraux liés à l'augmentation de la prise alimentaire et à l'obésité, la pathologie considérée actuellement par l'Organisation Mondiale de la Santé comme une maladie de dimension pandémique.