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Le cerveau génère spontanément des activités électriques enregistrables à toutes les échelles spatiales, de l'électroencéphalogramme (EEG) jusqu'à la membrane neuronale. La fréquence et l'amplitude de ces activités varient en fonction des états de vigilance. Afin de comprendre comment cette activité synaptique endogène sculpte à chaque instant l'intégration des événements exogènes, j'ai mis au point une nouvelle stratégie expérimentale in vivo visant à comparer les réponses neuronales à divers stimuli, en présence et en absence d'activité endogène. J'ai généré, chez le rat, une activité de type éveil ou sommeil puis, j'ai induit un état isoélectrique durant lequel toute activité spontanée était supprimée. J'ai montré que la suppression de l'activité synaptique dans les neurones du cortex somatosensoriel induisait une diminution de sensibilité neuronale et un accroissement de la régularité des réponses. La persistance d'une excitabilité neuronale dans cet état de coma profond m'a conduit à poursuivre mes recherches avec le service de réanimation neurologique afin d'explorer, chez des patients placés dans un tel coma, la réactivité corticale à des stimulations sensorielles. J'ai démontré chez l'homme et l'animal la persistance de potentiels évoqués sensoriels dans l'EEG et les neurones corticaux. Ces réponses apparaissaient plus tardivement, avec une amplitude plus importante et une plus grande fiabilité d'un essai à l'autre. Ainsi, il apparaît que l'activité synaptique spontanée, qui caractérise le fonctionnement " normal " du cerveau, a essentiellement comme effet d'augmenter la sensibilité des neurones ainsi que la variabilité statistique des réponses à l'environnement. / The brain spontaneously generates electrical activities, which can be recorded at all the spatial level, from the electroencephalogram (EEG) to the neuronal membrane. The frequency and the amplitude of these activities vary with the states of vigilance. To understand how this endogenous synaptic activity sculpts the integration of exogenous events, I developed a new in vivo experimental strategy to compare the cortical neuronal responses to various stimuli in the presence and absence of endogenous activity. I generated a waking-like or sleep-like synaptic activity in the rat. Then, I induced an isoelectric state in which spontaneous activity was completely suppressed. I showed that the suppression of synaptic activity in somatosensory cortex neurons resulted in a decrease in neuronal sensitivity and an increase in the regularity of responses to repeated identical stimuli. The persistence of neuronal excitability while the animal was immersed in a deep comatose led me to continue my research in collaboration with the neurological intensive care unit to explore the sensory-evoked cortical responses in patients exhibiting an isoelectric EEG. I demonstrated in humans and animals the persistence of sensory-evoked potentials in the EEG and individual cortical neurons. These cortical responses occurring in the absence of spontaneous brain activity had an augmented latency, a larger amplitude and a higher trial-to-trial reliability. It thus seems that the primary effect of the sustained background synaptic activity, the hallmark of a "normal" functioning of the brain, is to increase the sensitivity of neurons and the statistical variability of responses to the environment.

Résumé : Il semble que le cerveau atténuerait les stimuli provenant de nos actions par rapport aux stimuli d’origine externe, ceci afin d’augmenter la pertinence des informations environnementales. Lors de la production d’un mouvement, la copie de la commande motrice serait utilisée pour anticiper les conséquences sensorielles. Les conséquences sensorielles prédites permettraient ainsi d’atténuer les réafférences réelles du mouvement. Plusieurs évidences montrent que l’activité corticale liée aux réafférences somatosensorielles et auditives est atténuée lorsque celles-ci résultent de nos propres mouvements par rapport à lorsqu’elles proviennent d’une cause externe. L’étude présentée dans ce mémoire a investigué l’existence d’une atténuation des réafférences visuelles lors d’un mouvement d’atteinte du bras vers une cible. L’expérience consistait en une tâche de pointage de la main vers une cible visuelle, pendant laquelle l’activité EEG des sujets était enregistrée. L’intervalle de temps entre la position réelle de la main et le curseur visuel associé à celle-ci était manipulé. De fait, le retour visuel était fourni soit en temps réel soit avec un retard de 150 ms. Le délai créait ainsi un décalage entre les conséquences visuelles prédites et réelles du mouvement. Les résultats montrent que l’amplitude de la composante N1 du Potentiel Évoqué Visuel (PEV) associé au retour visuel de la main était réduite dans le cortex pariétal lorsque le retour visuel était fourni en temps réel par rapport à lorsqu’il était présenté en retard. Conséquemment, ces données suggèrent que les réafférences visuelles du membre en mouvement sont atténuées au niveau cortical lorsqu’elles correspondent aux prédictions. L’association des résultats comportementaux et électrophysiologiques supportent également d’autres études qui montrent que les processus sensorimoteurs sont plus fins que la perception consciente. À la lumière de la littérature, la modulation de la composante N1 enregistrée aux électrodes pariéto-occipitales suggère l’implication des régions pariétales dans l’intégration des retours sensoriels et des prédictions motrices. En discussion, nous proposons que les retours visuels liés au contrôle en ligne du membre soient modulés au niveau pariétal en raison des prédictions motrices cérébelleuses, à l’instar des retours tactiles. / Abstract : It is well established that the cortical processing of somatosensory and auditory signals is attenuated when they result from self-generated actions as compared to external events. This phenomenon is thought to result from an efference copy of motor commands used to predict the sensory consequences of an action through a forward model. The present work examined whether attenuation also takes place for visual reafferent signals from the moving limb during voluntary reaching movements. To address this issue, EEG activity was recorded in a condition in which visual feedback of the hand was provided in real time and compared to a condition in which it was presented with a 150 ms delay, thus creating a mismatch between the predicted and actual visual consequences of the movement. Results revealed that the amplitude of the N1 component of the visual ERP evoked by hand visual feedback over the parietal cortex was significantly smaller when presented in real time as compared to when it was delayed. These data suggest that the cortical processing of visual reafferent signals is attenuated when they are correctly predicted, likely as a result of a forward model.

La Sclérose Latérale Amyotrophique est une maladie neurodégénérative de l'adulte caractérisée par la perte des neurones moteurs. Considérée comme une maladie affectant uniquement les voies motrices, des études ont apporté des preuves de l'atteinte précoce et parallèle des voies sensitives mais également des interneurones, pouvant précéder et mener à l'hyperexcitation des neurones moteurs. Bien que l'activité des motoneurones soit étroitement associée à celle des afférences sensitives et des interneurones, l'effet de ces derniers sur l'excitation des motoneurones et leur participation à la propagation des atteintes n'ont jamais été étudiées dans la maladie. Le but de cette thèse était d'une part, de confirmer et de caractériser anatomiquement et fonctionnellement les atteintes sensitives au niveau spinal et cortical chez les patients au stade précoce de la maladie et, d'autre part, d'évaluer l'effet induit par de tels influx sur l'activité des motoneurones mais également à travers des interneurones de la moelle cervicale et lombaire. L'originalité du projet de recherche était de se focaliser sur des muscles proximaux cliniquement non-atteints dont les motoneurones " pré-symptomatiques " reçoivent des influx sensitifs provenant de muscles distaux cliniquement atteints. Nous avons montré que : 1) malgré leur réduction, les afférences sensitives induisent l'hyperexcitation des motoneurones ; 2) l'état et l'excitabilité de ces noyaux moteurs sont inchangés à travers les afférences corticospinales alors qu'ils sont hyperexcités par les afférences périphériques ; 3) l'activité du système propriospinal cervical et lombaire, ainsi que l'inhibition récurrente sont renforcées. / Amyotrophic Lateral Sclerosis is an adulthood neurodegenerative disease characterized by loss of motor neurons. Considered as a purely motor pathways disease, some investigations brought evidences for early and parallel sensory pathway impairments and for interneuron impairments that could precede and lead to motor neuron hyperexcitation. Although motoneuron activity is closely associated to sensory afferents and interneurons, their effects onto motoneuron excitation and their involvement in impairment spreading have not been studied yet. The aim of this thesis was on one hand, to confirm and characterize anatomically and functionally sensory impairment at spinal and cortical level in patients at the early stage of the disease and, on the other hand, to assess effects induced by these inputs onto motoneuron activity and through cervical and lumbar interneurons. Research project originality was to focus on proximal muscles clinically unaffected of which « presymptomatic » motoneurons receive sensory inputs from distal muscles clinically affected. We showed that: 1) despite their reduction, sensory inputs induce an hyperexcitation of motoneurons; 2) excitability and state of these motoneuron pools are normal through corticospinal afferents but are hyperexcited by peripheral afferents; 3) activity of cervical and lumbar propriospinal system and recurrent inhibition are reinforced.

Les interfaces cerveau-machine (ICM) ouvrent des voies de communication alternatives entre le cerveau et son environnement. Elles peuvent être utilisées pour supplanter une fonction biologique défaillante ou pour permettre de nouveaux modes d’interaction à l’utilisateur. Les ICM de sortie, dont le fonctionnement se base sur la lecture de données biologiques, nécessitent la mesure de signaux de contrôle stables dans le temps et dans la population. La recherche de tels signaux et leur calibration sont des étapes clefs dans la conception d’une ICM. Cette étude s’intéresse en premier lieu aux ICM utilisant les potentiels évoqués visuels comme signaux de contrôle. Un modèle est proposé pour la prédiction individuelle de ces potentiels en régime permanent, c’est-à-dire lorsqu'ils sont issus d’une stimulation périodique. Ce modèle utilise une sommation linéaire corrigée en amplitude de la réponse à des stimulations visuelles discrètes pour prédire quantitativement la nature et la localisation spatiale de la réponse à des stimulations répétées. Les signaux modélisés sont ensuite utilisés en temps réel comme base de comparaison pour décoder les signaux électroencéphalographiques d’une ICM. Dans une deuxième partie, un paradigme est proposé pour le développement d’ICM cognitives, c’est-à-dire permettant la mesure de fonctions cérébrales de haut niveau. L’originalité du paradigme réside dans la volonté de mesurer la cognition en continu plutôt que son influence sur des événements discrets. Une expérience visant à discriminer différents états d’attention visuelle soutenue est proposée, avec l’ambition d’une mesure en temps réel pour le développement de systèmes de neurofeedback. / Brain-computer interfaces (BCIs) offer alternative communication pathways between the brain and its environment. They can be used to replace a defective biological function or to provide the user with new ways of interaction. Output BCIs, which are based on the reading of biological data, require the measurement of control signals as stable as possible in time and in the population. Identification and calibration of such signals are crucial steps in the conception of a BCI.The first part of this study focuses on BCIs using visual evoked potentials (VEPs) as control signals. A model is proposed to predict steady-state VEPs individually, i.e. to predict the response of a given subject’s brain to periodic visual stimulations. This model uses a linear summation of transient VEPs and an amplitude correction for quantitative prediction of the shape and spatial organization of the brain response to repeated stimulations. The simulated signals are then used as a basis of comparison for real-time decoding of electroencephalographic signals in a BCI.In the second part of this study, a paradigm is proposed for the development of cognitive BCIs, i.e. for the real-time measuring of high-level brain functions. The originality of the paradigm lies in the fact that correlates of cognition are measured continuously, instead of being observed on discrete events. An experiment with the purpose of discriminating between several levels of sustained visual attention is proposed, with the ambition of real-time measurement for the development of neurofeedback systems.

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

Le but de cette thèse est d'étudier la neurobiologie du conditionnement de peur à l'odeur chez le rat adulte. Nous avons d'abord cherché si cet apprentissage s'accompagnait de plasticité dans les voies olfactives en enregistrant les potentiels évoqués par la stimulation électrique du bulbe olfactif dans l'amygdale et le cortex piriforme, avant et après apprentissage. Une facilitation synaptique entre le bulbe olfactif et l'amygdale et le cortex piriforme postérieur a été mise en évidence suite à l'apprentissage, suggérant un rôle de ces structures dans cette tâche. Nous avons ensuite étudié les conséquences du même conditionnement réalisé en période néonatale sur l'apprentissage adulte. Un déficit d'apprentissage à l'âge adulte corrélé à une absence d'activation de l'amygdale et du cortex piriforme postérieur lors de la séance d'acquisition (cartographie au 2-DG) a été observé. Cette étude souligne l'importance critique des expériences précoces sur la mémoire émotionnelle adulte.

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

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Il existe plusieurs théories du contrôle moteur, chacune présumant qu’une différente variable du mouvement est réglée par le cortex moteur. On trouve parmi elles la théorie du modèle interne qui a émis l’hypothèse que le cortex moteur programme la trajectoire du mouvement et l’activité électromyographique (EMG) d’une action motrice. Une autre, appelée l’hypothèse du point d’équilibre, suggère que le cortex moteur établisse et rétablisse des seuils spatiaux; les positions des segments du corps auxquelles les muscles et les réflexes commencent à s’activer. Selon ce dernier, les paramètres du mouvement sont dérivés sans pré-programmation, en fonction de la différence entre la position actuelle et la position seuil des segments du corps. Pour examiner de plus près ces deux théories, nous avons examiné l’effet d’un changement volontaire de l’angle du coude sur les influences cortico-spinales chez des sujets sains en employant la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) par-dessus le site du cortex moteur projetant aux motoneurones des muscles du coude. L’état de cette aire du cerveau a été évalué à un angle de flexion du coude activement établi par les sujets, ainsi qu’à un angle d’extension, représentant un déplacement dans le plan horizontal de 100°. L’EMG de deux fléchisseurs du coude (le biceps et le muscle brachio-radial) et de deux extenseurs (les chefs médial et latéral du triceps) a été enregistrée. L’état d’excitabilité des motoneurones peut influer sur les amplitudes des potentiels évoqués moteurs (MEPs) élicitées par la TMS. Deux techniques ont été entreprises dans le but de réduire l’effet de cette variable. La première était une perturbation mécanique qui raccourcissait les muscles à l'étude, produisant ainsi une période de silence EMG. La TMS a été envoyée avec un retard après la perturbation qui entraînait la production du MEP pendant la période de silence. La deuxième technique avait également le but d’équilibrer l’EMG des muscles aux deux angles du coude. Des forces assistantes ont été appliquées au bras par un moteur externe afin de compenser les forces produites par les muscles lorsqu’ils étaient actifs comme agonistes d’un mouvement. Les résultats des deux séries étaient analogues. Un muscle était facilité quand il prenait le rôle d’agoniste d’un mouvement, de manière à ce que les MEPs observés dans le biceps fussent de plus grandes amplitudes quand le coude était à la position de flexion, et ceux obtenus des deux extenseurs étaient plus grands à l’angle d’extension. Les MEPs examinés dans le muscle brachio-radial n'étaient pas significativement différents aux deux emplacements de l’articulation. Ces résultats démontrent que les influences cortico-spinales et l’activité EMG peuvent être dissociées, ce qui permet de conclure que la voie cortico-spinale ne programme pas l’EMG à être générée par les muscles. Ils suggèrent aussi que le système cortico-spinal établit les seuils spatiaux d’activation des muscles lorsqu’un segment se déplace d’une position à une autre. Cette idée suggère que des déficiences dans le contrôle des seuils spatiaux soient à la base de certains troubles moteurs d’origines neurologiques tels que l’hypotonie et la spasticité. / According to a dominant theory, the motor cortex is directly involved in pre-programming motor outcome in terms of movement trajectories and electromyographic (EMG) patterns. In contrast, the equilibrium point theory suggests that the motor cortex sets and resets the spatial thresholds, i.e., the positions of body segments at which muscles and reflexes begin to act. Movement parameters thereby emerge without pre-programming, depending on the difference between the actual and the threshold position of the body segments. To choose between these two theories of motor control, we investigated corticospinal influences associated with voluntary changes in elbow joint angle in healthy individuals using transcranial magnetic stimulation (TMS) of the brain site projecting to motoneurons of the elbow muscles. In order to minimize the influence of motoneuronal excitability on the evaluation of corticospinal influences, motor evoked potentials (MEPs) elicited by TMS were obtained during the EMG silent period produced by a brief muscle shortening prior to the TMS pulse. MEPs were obtained at a flexion and an extension elbow angle actively established by subjects. MEPs were recorded from 2 elbow flexors (biceps and brachioradialis) and 2 extensors (medial and lateral heads of triceps). Flexor MEP amplitude was bigger at the elbow flexion position in the case of the biceps and extensor MEPs were bigger at the extension position in both extensors studied (reciprocal pattern). MEPs observed in the brachioradialis did not differ at the two elbow orientations. A similar difference in corticospinal influences at the two elbow positions was often preserved when the tonic activity of elbow muscles was equalized by compensating the passive muscle forces at the two positions with a torque motor. Thus, corticospinal influences and EMG activity were de-correlated and it can be concluded that the corticospinal system is not involved in pre-determining the magnitude of motor commands to muscles. Results suggest that the corticospinal system resets the spatial thresholds for muscle activation when segments move from one position to another. This implies that deficits in spatial threshold control may underlie different neurological motor problems (e.g., hypotonia and spasticity).