En complément aux méthodes traditionnelles d’observation et de stimulation en neuroscience, l’optogénétique, combinant l’expression ciblée de protéines photosensibles dans les neurones et l’utilisation de nouvelles techniques de microscopies, a connu un essor important ces dernières années. Ce nouveau procédé permet d’enregistrer de manière non invasive les signaux fonctionnels de circuits intacts tels que les changements de potentiel de membrane ou de concentration intracellulaire de calcium mais également de moduler l’excitabilité des neurones. Pour illuminer ces protéines photosensibles, de nouvelles méthodes de microscopie ont été développées. En particulier, afin d’obtenir une résolution spatiale optimale au sein d’un tissu biologique, il devient nécessaire d’utiliser l’illumination bi-photonique et d’utiliser des techniques permettant la mise en forme du faisceau lumineux pour s’adapter à la morphologie des circuits ou même des neurones étudiés.Au cours de ma thèse, j’ai développé une combinaison de méthodes optiques (associant le contraste de phase généralisé avec la focalisation temporelle) afin d’activer le canal cationique channelrhodopsin-2 en excitation bi-photonique. Ce travail a démontré, pour la première fois, l’activation simultanée de potentiels d’action dans plusieurs cellules tout en conservant une résolution axiale à l’échelle cellulaire (~10 μm).La mise en forme du faisceau lumineux semble très avantageuse pour améliorer la spécificité de l’activation. Il restait à démontrer que les faisceaux ainsi modulés conservaient leur intégrité spatiale en se propageant à l’intérieur de tissus biologiques diffusants. J’ai donc étudié la propagation de faisceaux lasers modulés par les techniques du contraste de phase généralisé et de l’holographie numérique en combinaison avec la focalisation temporelle. L’utilisation de la focalisation temporelle permet aux volumes d’excitation de rester confinés sur l’axe de propagation comme observé précédemment, mais aussi de reconstruire un profil d’excitation en profondeur dans le tissu, qui correspond au profile généré sans milieu diffusant. Cet effet est plus important pour le contraste de phase généralisé que pour l’holographie numérique et se dégrade en fonction de la profondeur à laquelle l’activation a lieu. J’ai démontré pour la première fois, l’activation en profondeur (> 200 μm) de neurones grâces à ces méthodes.Enfin, j’ai testé les mêmes techniques d’illumination sur d’autres protéines photosensibles, telles que la C1V1 et l’halorhodopsin. Après avoir établi les spectres d’activation afin de trouver la longueur d’onde optimale pour l’activation bi-photonique, j’ai exprimé ces protéines dans des tranches de cerveaux. Les deux protéines requièrent une activation à 1040 nm à la limite du laser Ti:Sapphire utilisé dans de nombreux laboratoires biologiques. La C1V1 a généré des courants similaires à la ChR2 en terme d’amplitude tout en conservant la lente cinétique de fermeture caractéristique de ce canal. L’halorhodopsin, quant à elle, reste difficile à activer avec de faibles courants et ne permet pas une inhibition sélective de trains de potentiels d’action. Ce problème est probablement dû à un faible taux d’expression observé dans les neurones étudiés et serait peut-être résolu en changeant de construction virale. / Optogenetics relies on the genetically targeted expression of light sensitive proteins in specific cell populations. This novel field has had a large impact in neuroscience, allowing both monitoring and stimulating the activity of specific neuronal populations, in intact brain preparations. Optogenetic tools have been used to record functional signals, such as changes in membrane potential or intracellular calcium concentration, as well as to modulate the excitability of neurons. To fully exploit the potentiality of optogenetics, new microscopy techniques have been developed to optimize illumination of photo-active compounds in situ. In particular, an important effort has been directed towards improving the spatial and temporal resolution of light stimulation, in order to match the dynamics of physiological processes. In this frame, the use of two-photon excitation becomes necessary to ensure penetration of light in scattering biological tissues, as well as confining the excitation volume and improve the specificity of illumination. My thesis was dedicated to the development and use of advanced optical methods for two-photon excitation of optogenetic tools. In a first project, we combined optical approaches (generalized phase contrast and temporal focusing) to perform two-photon activation of neurons expressing the light-sensitive cationic channel channelrhodopsin-2 (ChR2). Our work demonstrated for the first time the simultaneous generation of action potentials in multiple neurons, while maintaining a micrometric axial and lateral resolution. These results pointed out the advantages of light sculpting to increase both the specificity and the flexibility of photo-stimulation.In order to investigate the potential of this technique for efficient in-depth stimulation, we therefore studied the propagation through scattering biological media of laser beams generated by two different light patterning techniques, generalized phase contrast and digital holography in combination with temporal focusing. We demonstrated that temporal focusing enabled the excitation volumes to maintain micrometric axial confinement, as well as to maintain well defined patterns deep inside tissues. We also demonstrated for the first time the activation of ChR2 at depth over 200 μm.Finally, the last part of my PhD was focused on testing light patterning methods for the activation of two other photosensitive proteins, the excitatory channel C1V1 and the inhibitory pump, halorhodopsin.

Les mammifères, comme par exemple les rongeurs, soumis à des expériences aversives présentent des réponses comportementales de peur caractéristiques notamment une réponse d'immobilisation (freezing) ou d'évitement. Alors que le rôle du cortex préfrontal dorso-médian (CPFdm) dans l’acquisition ainsi que l’expression du freezing a déjà été expérimentalement établi, son implication dans l’encodage des réponses d’évitement de peur ainsi que l’interaction entre les circuits neuronaux préfrontaux impliqués dans le freezing et/ou l’évitement restent mal compris. Afin de répondre à ces questions, nous avons développé au laboratoire un paradigme expérimental permettant à une souris d’acquérir et d’exprimer le freezing ou l’évitement lors de la présentation d'un même stimulus aversif et ceci en fonction du contexte environnant. Ainsi, nous avons pu déterminer si les mêmes circuits neuronaux dans le cortex préfrontal dorso-médian encodent les deux réponses de peur, le freezing et l’évitement. Nous avons mis en oeuvre au cours de ce travail des approches comportementales, de traçage neuroanatomique, d'immunohistochimie, d'enregistrements extracellulaires in vivo et intracellulaires in vitro ainsi que des approches optogénétiques. Nos résultats indiquent que (i) le CPFdm et les régions dorsales de la substance grise périaqueducale sont activés pendant le comportement d'évitement, (ii) une sous population de neurones du CPFdm encode le comportement d'évitement mais pas le freezing, (iii) cette population neuronale projette sur le dl/lPAG, (iv) l'activation et l'inhibition optogénétique de cette projection induit et bloque l'apprentissage de l'évitement, respectivement et (v) l'apprentissage de l'évitement est associé à la mise en place d'une plasticité des afférences préfrontales sur le dl/lPAG. Dans leur ensemble ces résultats démontrent pour la première fois que la plasticité dépendante de l'activité des neurones du CPFdm projettant sur le dl/lPAG contrôle l'apprentissage de l'évitement de peur. / Mammals, including rodents show a broad range of defensive behaviors as a mean of coping with threatful stimuli including freezing and avoidance behaviors. Several studies emphasized the role of the dorsal medial prefrontal cortex (dmPFC) in encoding the acquisition as well as the expression of freezing behavior. However the role of this structure in processing avoidance behavior and the contribution of distinct prefrontal circuits to both freezing and avoidance responses are largely unknown. To further investigate the role of dmPFC circuits in encoding passive and active fear-coping strategies, we developed in the laboratory a novel behavioral paradigm in which a mouse has the possibility to either passively freeze to an aversive stimulus or to actively avoid it as a function of contextual contingencies. Using this behavioral paradigm we investigated whether the same circuits mediate freezing and avoidance behaviors or if distinct neuronal circuits are involved. To address this question, we used a combination of behavioral, neuronal tracing, immunochemistry, single unit and patch clamp recordings and optogenetic approaches. Our results indicate that (i) dmPFC and dorsolateral and lateral periaqueductal grey (dl/lPAG) sub-regions are activated during avoidance behavior, (ii) a subpopulation of dmPFC neurons encode avoidance but not freezing behavior, (iii) this neuronal population project to the dl/lPAG, (iv) the optogenetic activation or inhibition of this pathway promoted and blocked the acquisition of conditioned avoidance and (v) avoidance learning was associated with the development of plasticity at dmPFC to dl/lPAG synapses. Together, these data demonstrate for the first time that activity-dependent plasticity in a subpopulation of dmPFC cells projecting to the dl/lPAG pathway controls avoidance learning.

La stabilité structurale et l'intégrité mécanique sont des éléments clés pour le bon fonctionnement et la préservation des systèmes vivants complexes. Étant en interaction constante avec leur environnement et en ce qui concerne les intrants externes, de tels systèmes doivent pouvoir faire face aux changements afin de prospérer. Ces entrées peuvent affecter le système dans son ensemble. Toute perturbation qui ne peut pas être supportée mécaniquement par le système vivant entraînera un dysfonctionnement crucial ou, en fin de compte, sa mort. Le mécanisme responsable du maintien des conditions physiologiques du système à l'état correct, malgré les variations environnementales, est identifié comme étant l'homéostasie. Plus précisément, le processus connu en mécanobiologie pour préserver l'équilibre mécanique approprié d'un système vivant est appelé homéostasie tensionnelle.Il est important de noter que tout ce qui précède est vrai à la fois à l'échelle du comportement collectif des organismes complexes et jusqu'au niveau de la cellule unique. En fait, c'est en fait cette dernière petite échelle qui nous intéresse. Les cellules font face à des perturbations mécaniques constantes de leur environnement et sont capables de répondre au maintien d'un état mécanique interne relativement stable. L'existence de cet équilibre tensionnel interne est liée à un processus très dynamique avec des boucles de rétroaction constantes entre les machines contractiles biochimiques internes et les forces actives externes générées.Notre intérêt est de comprendre ce mécanisme dynamique en perturbant dynamiquement le système homéostatique tensionnel en étudiant son retour à l'équilibre. / The structural stability and mechanical integrity are key elements for the proper functioning and preservation of complex living systems. Being in constant interaction with their surroundings and subjected to external inputs, such systems need to be able to face changes in order to thrive. These inputs can affect the system both in a localized way or disturb it as a whole. Any perturbations that cannot be mechanically withstand by the living system will result in a crucial malfunctioning or, ultimately, in its death. The mechanism responsible for maintaining the system’s physiological conditions at the proper state, despite environmental variations, is identified as homeostasis. More specifically, the process known in mechanobiology to preserve the appropriate mechanical equilibrium of a living system is called tensional homeostasis.It is important to note that all of the above stated holds true both at the scale of collective behaviour of complex organisms, and all the way down to the single cell level. In fact, it is actually this last small scale which draws our interest. Cells face constant mechanical perturbations from their surrounding and are able to respond accordingly maintaining a relatively stable internal mechanical state. The existence of this internal tensional equilibrium relies on a very dynamic process with constant feedback loops between the internal biochemical contractile machinery and the external active generated forces.Our interest is to understand better this active mechanism by dynamically perturbing the tensional homeostatic system while studying its return to equilibrium.

Un cadre théorique classique pour expliquer comment les mouvements volontaires sont générés et optimisés implique l'existence d'un modèle interne basé sur les conséquences sensorielles de ses propres actions. Le cervelet est souvent considéré comme une structure où ces modèles pourraient être efficacement stockés et mis-à-jour. Parmi tous les systèmes sensoriels, le système vestibulaire est probablement celui où la plus grande proportion de stimuli est auto-générés et pourtant peu étudié en conditions actifs. Pour appréhender le rôle du vestibulo-cervelet, nous avons enregistré des cellules de Purkinje du nodulus en condition active chez le rongeur, associé à l'enregistrement quantitatif des signaux inertiels produits par les mouvements de la tête. Cela a nécessité le développent d'outils de mesure adaptés au petit animal. Ces outils, absents du commerce, sont capable d'enregistrer, et cela sans aucun câble, les mouvements inertiels (accélération linéaire et vitesse angulaire) de celui ci offrant une représentation des informations vestibulaires. Les résultats présentés dans cette thèse montrent que, au moins dans des conditions actives, les cellules de Purkinje présentent une sensibilité sélective à certaines composantes du mouvement de la tête. La diversité des réponses observées démontre de plus que chaque cellule possède son propre " champ récepteur vestibulaire ". Il a ainsi été montré que certaines cellules avaient un champ récepteur en coordonnées égocentriques et d'autres allocentriques. Cette distinction s'inscrit dans le problème général de la transformation par le cervelet des coordonnées vestibulaires et de la représentation de l'environnement. / A classical and theoretical explaining framework how voluntary movements are generated and optimized implies the existence of an internal model based on the sensory consequences of own actions. The cerebellum is often considered as a structure where the models could be effectively stored and made-to-day. Of all the sensory systems, the vestibular system is probably one where the largest proportion of stimuli are self-generated but yet little studied in active conditions. To understand the role of the vestibular-cerebellum, we recorded Purkinje cells from nodulus in active condition in rodents associated with quantitative recording of inertial signals produced by head motion. This required developing the measurement tools adapted to small animals. These tools, absent of trade, are capable of recording, without any cables, the inertial movement (linear acceleration and angular velocity) of this one as a representation of vestibular information. The results presented in this thesis show that, at least in active condition, Purkinje cells exhibit selective sensitivity to certain components of the head movement. The diversity of responses observed further demonstrates that each cell has its own "vestibular receptive field". It has thus been shown that some cells have a receptive field in egocentric coordinates while others allocentric. This results is part of the general problem of the coordinate transformation and of the environment representation by the vestibular cerebellum.

La lévodopa est actuellement la thérapie de référence pour les patients atteints de la maladie de Parkinson et permet le rétablissement artificiel des niveaux de dopamine. Cependant, ce traitement s'accompagne de mouvements involontaires anormaux invalidants, ou dyskinésies. Au cours de ma thèse, j'ai étudié l'implication des cellules de Purkinje de la région cérébelleuses crus II, via les voies cérébello-thalamo-cortico-striatale et cérébello-thalamo-striatale, dans l'émergence et le traitement des mouvements involontaires anormaux oro-linguaux induits par la lévodopa dans un modèle murin de la maladie de Parkinson. Mes résultats suggèrent que la stimulation chronique et spécifique des cellules de Purkinje par une technique d'optogénétique semble à même de corriger et de prévenir le phénotype dyskinétique et ce en association avec une modulation de l'activité du noyau thalamique intralaminaire parafasciculaire, du cortex moteur primaire oral et du striatum dorsal. Les voies cérébello-thalamo-cortico-striatale et cérébello-thalamo-striatale semblent ainsi impliquées dans le traitement correctif et préventif des dyskinésies induites par la lévodopa dans la maladie de Parkinson. / Levodopa is currently the gold standard treatment for Parkinson’s disease patients and artificially restores dopamine levels. However, it induces debilitating abnormal involuntary movements, or dyskinesia. During my thesis, I assessed the involvement of the cerebellar crus II region Purkinje cells, via the cerebello-thalamo-cortico-striatal and cerebello-thalamo-striatal pathways, in the onset and the treatment of levodopa induced oro-lingual abnormal involuntary movements, in a mouse model of Parkinson’s disease. My results suggest that the chronic and specific stimulation of Purkinje cells, using optogenetics, seems able to correct and prevent the dyskinetic phenotype, together with modulations of the activity of the parafascicular intralaminar thalamic nucleus, primary oral motor cortex and dorsal striatum, thus arguing for the involvement of the cerebello-thalamo-cortico-striatal and the cerebello-thalamo-striatal pathways in the corrective and preventive treatment for levodopa induced dyskinesia in Parkinson’s disease.

La perception consciente du monde extérieur repose sur la coordination spatiotemporelle de l’activité des neurones corticaux. Les aires corticales primaires chez les mammifères sont organisées en six couches. Il a été proposé que l’information sensorielle soit traitée de façon sérielle à travers les 6 couches du cortex. D’abord au niveau de la couche IV, cible des afférences thalamiques. Ensuite au niveau des couches II/III, innervées par les neurones excitateurs de la couche IV. Et enfin par les neurones des couches profondes, V et VI, qui sont innervés par les cellules pyramidales des couches II/III. Les neurones pyramidaux de la couche V constituant la principale sortie du néocortex.Il a récemment été montré que les neurones des couches profondes reçoivent également des informations sensorielles directement par des afférences thalamiques, ce qui pose la question du rôle de la connectivité interlaminaire dans le traitement sensoriel opéré par le cortex.J’ai ainsi tiré profit de la technique d’électroporation in utero qui permet d’exprimer spécifiquement des protéines photo-activables dans les cellules pyramidales des couches II/III du cortex somesthésique primaire de la souris. En procédant à des enregistrements unitaires des neurones corticaux à la fois chez des animaux anesthésiés et éveillés, j’ai montré que le recrutement des neurones pyramidaux des couches II/III amplifie les réponses sensorielles des neurones de la couche V. Par ailleurs, l’analyse de cette amplification en fonction de l’intensité des stimulations sensorielles indique que la connectivité interlaminaire joue un rôle majeur dans la modulation du gain des neurones de la couche de sortie du cortex. / The sensory perception of the external world relies on the coordinated activity in space and time of cortical neurons. Primary sensory areas of mammals are organized in six layers.It has been suggested that sensory information is processed serially through the six layers of the cortex. Sensory information is supposed to propagate first through the layer IV, principal target of thalamic axonal projections. Cortical layers II/III then receive sensory information relayed by layer IV excitatory neurons. Finally, deep cortical layers V and VI are connected by layer II/III pyramidal cells. Layer V pyramidal neurons are the principal output of the neocortex.Recently, it has been shown that deep layer neurons receive direct thalamic inputs relaying sensory information. The role of the translaminar connectivity during sensory processing remains an opened question.I took the advantage of in utero electroporation to express photo-sensitive proteins specifically in layer II/III pyramidal cells of the mouse primary somatosensory cortex.By proceeding to extracellular recordings of cortical neurons of either anesthetized or awake mice, I have shown that the recruitment of layer II/III pyramidal neurons amplifies layer V neurons sensory responses. Moreover, the analysis of this amplification phenomenon as a function the sensory stimulation intensity suggests that translaminar connectivity can operate a gain modulation of the layer V pyramidal neurons.

Comment les odeurs contrôlent-elles le comportement animal ? Dans ma thèse, j'ai utilisé des manipulations optogénétiques et chimiogénétiques in vivo de l'activité neurale combinées à des analyses comportementales pour explorer l'organisation de circuits cérébraux impliqués dans des comportements olfactifs chez la souris. J'ai mis au point un test de conditionnement aversif olfactif indépendant de l'intensité des odeurs. J'ai démontré que les souris pouvaient généraliser une réponse aversive en présentant différentes concentrations d'odeurs. J’ai ensuite testé si les souris pouvaient apprendre cette tâche en inactivant les interneurones exprimant la parvalbumine dans le cortex olfactif (piriforme). J'ai trouvé que l’inactivation des cellules PV, n'était pas suffisante pour abolir l'aversion aux odeurs acquise, ce qui suggère que des composants de circuits neuronaux supplémentaires contribuent à la perception de l'odeur indépendamment de sa concentration. Ensuite, j'ai tenté de comprendre la constitution relative des différentes voies neurales du piriforme dans ce comportement d’aversion apprise. À l'aide d'outils génétiques et viraux, j'ai ciblé des sous-populations distinctes de neurones piriformes, et j'ai constaté que l'activité neurale induite par la lumière dans les cellules du piriforme projetant vers le bulbe olfactif et vers le cortex préfrontal, mais pas dans les cellules du piriforme projetant vers l’amygdale corticale et vers le cortex entorhinal latéral était suffisante pour supporter le conditionnement aversif. Ces résultats contribuent à mieux comprendre les propriétés fonctionnelles des circuits neuronaux corticaux pour l'olfaction. / How do odors control animal behavior ? In my thesis, I have used in vivo optogenetic and chemogenetic manipulations of neural activity combined with behavioral analyses to explore the organization of brain circuits involved in olfactory behaviors in mice. In the first part of the thesis, I established an odor intensity-independent olfactory conditioning task. I demonstrated that mice were able to generalize a learned escape behavior across a range of different odor concentrations. I then tested if by silencing Parvalbumin-expressing interneurons in the olfactory (piriform) cortex, a candidate cell population for mediating odor concentration invariance, mice would fail to learn the task. I found that silencing PV cells was not sufficient to abolish learned aversion, suggesting that additional neural circuit components contribute to concentration-invariant odor perception. Next, I asked whether different piriform neural output pathways differed in their ability to support learned aversion. Using viral-genetic tools, I targeted distinct subpopulations of piriform neurons and I found that light-induced neural activity in only piriform principle cells could drive a behavioral response. Furthermore, I tested the sufficiency of subpopulations of piriform projection neurons to drive learned aversion. I found that photostimulation of olfactory bulb- and prefrontal cortex-projecting piriform neurons was sufficient to support aversive conditioning, but not the photostimulation of cortical amygdala- and lateral entorhinal cortex-projecting piriform neurons. Together, these results provide new insights into the functional properties of cortical neural circuits for olfaction.

La dépendance à la nicotine est un problème sociétal majeur. De nombreuses personnes continuent à fumer, malgré des conséquences négatives pour la santé bien connues. La recherche sur la toxicomanie se concentre généralement sur la motivation à obtenir cette drogue, le sevrage, rendu difficile par les symptômes de manque et la persistance des comportements appris. Au cours de cette thèse, je me suis concentrée sur les interactions entre les systèmes dopaminergique et nicotinique dans les comportements de prise de décision. Je me suis particulièrement intéressée aux effets de la nicotine administrée passivement de manière chronique. Mettre en évidence les modifications dans la signalisation dopaminergique, et les altérations des comportements de choix qu'implique la consommation de drogue, permet un autre éclairage sur l'état de dépendance, mais ouvre aussi de nouvelles perspectives sur le traitement des addictions et sur les notions de vulnérabilité et de comorbidité avec d'autres pathologies. Les théories de la prise de décision suggèrent que les individus analysent les bénéfices et les coûts potentiels pour guider leurs actions. Ainsi, faire des choix appropriés nécessite d'apprendre la valeur des options disponibles à partir de l'expérience. Ce processus reposerait principalement sur l'activité des neurones dopaminergiques. Une question cruciale est de savoir si les processus computationnels sous-jacents aux choix peuvent être modifiés de manière durable par l'exposition à la nicotine et/ou par la manipulation des récepteurs nicotiniques. Nous avons développé un paradigme comportemental, de type bandit manchot avec des stimulations intra-crâniales comme récompenses, qui permet d'évaluer la prise de décision basée sur la valeur et l'exploration. Nous avons étudié le rôle de la transmission nicotinique dans l'équilibre comportemental entre exploration et exploitation à l'aide de souris knock-out pour la sous-unité beta2 du récepteur nicotinique. Nous démontrons que les souris beta2KO explorent moins que les souris de type sauvage suggérant un rôle des nAChR dans la traduction de l'incertitude attendue en motivation à explorer. Dans une deuxième étape, nous analysons l'effet d'une exposition chronique à la nicotine sur ces processus de prise de décision. Il a été proposé que la libération phasique de dopamine serait cruciale pour l\'apprentissage, alors que l'activité tonique serait plus impliquée dans l'expression d'un comportement précédemment acquis. Nous montrons ici que la nicotine, sur le long terme, peut altérer l'activité spontanée des cellules dopaminergiques et ainsi modifier la libération phasique et tonique de dopamine. Cette modification se traduit par une augmentation de la "sensibilité à la valeur", et donc une altération des choix. Un individu sous nicotine chronique se concentre davantage sur les récompenses plus importantes. Nous avons mimé cet effet par une activation optogénétique tonique des neurones dopaminergiques. Ces travaux mettent en lumière les mécanismes qui sous-tendent les changements dans la prise de décision lors d'une exposition aux drogues. / Nicotine addiction is a major societal dilemma: despite the well-known adverse consequences to health, more than one billion persist in the habit. Much addiction research focuses on the motivation to obtain and take drugs and the difficulties of abstinence due to withdrawal effects and learned behaviour. My research focuses on the interactions between the dopaminergic and nicotinic systems in value-based decision-making behaviour, as well as the effects of passively administered nicotine within this framework. Understanding the alterations in the dopamine (DA) system and choice behaviour occurring with drug consumption provides another angle on the addictive state, the general predispositions and vulnerabilities for co morbid disorders. This knowledge could unveil new perspectives towards addiction treatment. Theories of decision-making suggest that individuals analyse potential benefits and costs to guide their actions based on experience. A multitude of studies have drawn links between DA cell activity and such choice behaviour. Dopamine signals attribute to the evaluation of available options to select future actions. The addictive nature of nicotine is well established, but can a much more alarming link be made between its effect on the DA system and fundamental perception of our environment ? Could basic computations underlying choices be significantly modified by drug exposure and/or by the manipulation of nicotinic receptors ? We designed a behavioural paradigm that allows us to assess value-based decision-making in different mouse models and with different manipulations of the cholinergic-dopaminergic circuits. We investigated the role of nicotinic transmission in the exploration/exploitation tradeoff using a beta2 subunit-containing nicotinic acetylcholine receptor knockout mouse model. Using a spatial version of a three-armed bandit task and intra-cranial self-stimulation as reward, we demonstrate that beta2KO mice explore less than the WT. This finding suggests the role of specific nAChRs in the translation of expected uncertainty into motivational value and exploratory decision-making. Secondly, we analysed the effect of chronic nicotine exposure in this decision process. It has been proposed that phasic dopamine release could provide a teaching signal necessary for learning, while tonic dopamine levels could influence the implementation of previously learned behaviours. Here we show that long-term nicotine exposure can alter the spontaneous activity of VTA DA cells and therefore change phasic and tonic DA signalling. These modifications translate into an enhanced value-sensitivity; the ability to discriminate between different values. We replicated this effect through optical stimulation of VTA DA neurons on a high tonic frequency. This illustrates that organisms under chronic nicotine focus on higher rewards. This data sheds a new light on the mechanisms underlying drug-induced changes in decision-making.

Le cervelet, composé d'un cortex et de noyaux, est responsable du contrôle moteur fin des mouvements et de la posture. En combinant une approche génétique (basée sur l'utilisation de lignées de souris transgéniques) avec des traçages anatomiques, des marquages immunohistochimiques et des expériences d'électrophysiologie et d'optogénétique, nous établissons les caractères distinctifs des neurones inhibiteurs des noyaux cérébelleux et en détaillons la connectivité ainsi que les fonctions dans le circuit cérébelleux. Les neurones inhibiteurs glycinergiques des noyaux profonds constituent une population de neurones distincts des autres types cellulaires identifiables par leur phénotype inhibiteur mixte GABAergique/glycinergique. Ces neurones se distinguent également par leur plexus axonal qui comporte une arborisation locale dans les noyaux cérébelleux où ils contactent les neurones principaux et une projection vers le cortex cérébelleux où ils contactent les cellules de Golgi. Ces neurones inhibiteurs reçoivent également des afférences inhibitrices des cellules de Purkinje et pourraient être contactés par les fibres moussues ou les fibres grimpantes.Nous apportons ainsi la première étude d'une transmission mixte fonctionnelle par les neurones inhibiteurs des noyaux cérébelleux, projetant à la fois dans les noyaux et le cortex cérébelleux. L'ensemble de nos données établissent les neurones inhibiteurs mixtes des noyaux cérébelleux comme la troisième composante cellulaire des noyaux profonds. Leur importance dans l'organisation modulaire du cervelet, ainsi que leur impact sur l'intégration sensori-motrice, devront être confirmés par des études optogénétiques in vivo. / The cerebellum is composed of a three-layered cortex and of nuclei and is responsible for the learned fine control of posture and movements. I combined a genetic approach (based on the use of transgenic mouse lines) with anatomical tracings, immunohistochemical stainings, electrophysiological recordings and optogenetic stimulations to establish the distinctive characteristics of the inhibitory neurons of the cerebellar nuclei and to detail their connectivity and their role in the cerebellar circuitry.We showed that the glycinergic inhibitory neurons of the cerebellar nuclei constitute a distinct neuronal population and are characterized by their mixed inhibitory GABAergic/glycinergic phenotype. Those inhibitory neurons are also distinguished by their axonal plexus which includes a local arborization with the cerebellar nuclei where they contact principal output neurons and a projection to the granular layer of the cerebellar cortex where they end onto Golgi cells dendrites. Finally, the inhibitory neurons of the cerebellar nuclei receive inhibitory afferents from Purkinje cells and may be contacted by mossy fibers or climbing fibers.We provided the first evidence of functional mixed transmission in the cerebellar nuclei and the first demonstration of a mixed inhibitory nucleo-cortical projection. Overall, our data establish the inhibitory neurons as the third cellular component of the cerebellar nuclei. Their importance in the modular organization of the cerebellum and their impact on sensory-motor integration need to be confirmed by optogenetic experiments in vivo.

Les projections corticales de retour conduisent l'information vers des relais de traitement de l'information plus précoces. Elles sont essentielles pour la perception sensorielle. En ce qui concerne l'olfaction, l'information sensorielle est constituée d'une multitude de molécules odorantes, et c'est ce mélange complexe qui pénètre dans la cavité nasale. En fonction du contexte, c'est une partie ou une autre de cet ensemble de molécules qui va être importante d'un point de vue comportemental. Les signaux corticaux de retour permettraient de focaliser son attention sur les odeurs pertinentes de l'environnement. Au cours de mon doctorat, j'ai étudié le rôle de la signalisation inhibitrice GABAergique dans ces retours corticaux vers le bulbe olfactif, le premier relais de l'information olfactive. La première partie de mon travail a mis en évidence une modulation métabotropique GABAergique du retour cortical excitateur. Nos expériences caractérisent ensuite l'effet produit par cette modulation sur le bulbe olfactif. Nous avons ainsi démontré que la signalisation GABAergique au niveau de retours corticaux change de manière profonde la réponse du bulbe olfactif aux stimuli olfactifs. Dans un deuxième temps, j'ai trouvé que le cortex olfactif envoie non seulement des projections de retour excitatrices, mais aussi des retours inhibiteurs. Des expériences précisent ensuite la localisation de ce retour GABAergique, ainsi que son impact sur le bulbe olfactif. Nous avons notamment observé qu'en manipulant l'activité de ces fibres GABAergiques, nous pouvions modifier le comportement olfactif. / Cortical feedback conducts information towards earlier relays of information processing. It is instrumental for sensory perception. In the olfactory system, odorants are never experienced in isolation by the nose, and they might be meaningful to the animal or not depending on the context. Feedback inputs onto early processing stages are poised to permit selective attention to the relevant odorants in the olfactory scene. During my thesis work, I focused on understanding the key role that inhibitory GABAergic signaling plays in the cortical feedback to the olfactory bulb in mice.The first part of my work started with the discovery of excitatory transmission between cortical feedback inputs and the olfactory bulb is modulated by metabotropic receptors for GABA. Next, the impact of this regulation on the olfactory bulb network was investigated. We found that GABAergic signaling at cortical feedback axons profoundly changes the response of the olfactory bulb output cells to odor stimulation. In the second part of my thesis, I found that the cortical projections to the olfactory bulb not only comprises of excitatory components, but also inhibitory components. The precise origin of this GABAergic feedback was then determined and its impact on the olfactory bulb network is currently assessed. In particular, we observed that manipulating the activity of this GABAergic feedback perturbs olfactory behavior.