David Katz a fait l’observation que le mouvement entre la peau et l’objet est aussi important pour le sens du toucher que la lumière l’est pour la vision. Un stimulus tactile déplacé sur la peau active toutes les afférences cutanées. Les signaux résultants sont très complexes, covariant avec différents facteurs dont la vitesse, mais aussi la texture, la forme et la force. Cette thèse explore la capacité des humains à estimer la vitesse et la rugosité de surfaces en mouvements. Les bases neuronales de la vitesse tactile sont aussi étudiées en effectuant des enregistrements unitaires dans le cortex somatosensoriel primaire (S1) du singe éveillé. Dans la première expérience, nous avons montré que les sujets peuvent estimer la vitesse tactile (gamme de vitesses, 30 à 105 mm/s) de surfaces déplacées sous le doigt, et ceci sans indice de durée. Mais la structure des surfaces était essentielle (difficulté à estimer la vitesse d’une surface lisse). Les caractéristiques physiques des surfaces avaient une influence sur l’intensité subjective de la vitesse. La surface plus rugueuse (8 mm d’espacement entre les points en relief) semblait se déplacer 15% plus lentement que les surfaces moins rugueuses (de 2 et 3 mm d’espacement), pour les surfaces périodiques et non périodiques (rangées de points vs disposition aléatoire). L’effet de la texture sur la vitesse peut être réduit en un continuum monotonique quand les estimés sont normalisés avec l’espacement et présentés en fonction de la fréquence temporelle (vitesse/espacement). L'absence de changement des estimés de vitesse entre les surfaces périodiques et non périodiques suggère que les estimés de rugosité devraient aussi être indépendants de la disposition des points. Dans la deuxième expérience, et tel que prévu, une équivalence perceptuelle entre les deux séries de surfaces est obtenue quand les estimés de la rugosité sont exprimés en fonction de l'espacement moyen entre les points en relief, dans le sens de l'exploration. La troisième expérience consistait à rechercher des neurones du S1 qui pourraient expliquer l’intensité subjective de la vitesse tactile. L’hypothèse est que les neurones impliqués devraient être sensibles à la vitesse tactile (40 à 105 mm/s) et à l’espacement des points (2 à 8 mm) mais être indépendants de leur disposition (périodique vs non périodique). De plus, il est attendu que la fonction neurométrique (fréquence de décharge/espacement en fonction de la fréquence temporelle) montre une augmentation monotonique. Une grande proportion des cellules était sensible à la vitesse (76/119), et 82% d’entres elles étaient aussi sensibles à la texture. La sensibilité à la vitesse a été observée dans les trois aires du S1 (3b, 1 et 2). La grande majorité de cellules sensibles à la vitesse, 94%, avait une relation monotonique entre leur décharge et la fréquence temporelle, tel qu’attendu, et ce surtout dans les aires 1 et 2. Ces neurones pourraient donc expliquer la capacité des sujets à estimer la vitesse tactile de surfaces texturées. / David Katz showed that movement between the skin and an object is as important for touch as light is to vision. Moving tactile stimuli activate all of the cutaneous afferents involved in discriminative touch. The resultant signals are complex, varying with multiple factors including speed and also texture, local shape, and force. This thesis explored the human ability to estimate the speed and roughness of moving tactile stimuli. The neuronal basis underlying tactile speed perception was investigated using single unit recordings from primary somatosensory cortex (S1) in awake monkeys. In the first psychophysical experiment, we showed that subjects (n=26) can scale tactile speed (range, 30-105 mm/s), and this, contrary to previous studies, in a situation in which the duration of each trial was constant across all speeds tested. Surface structure was, in contrast, essential since subjects had difficulty scaling the speed of a smooth surface. Moreover, the physical characteristics of the surfaces influenced tactile speed perception. The roughest surface (8 mm raised-dot spacing) seemed to move 15% slower than the smoother surfaces (2 and 3 mm spacing), and this independently of dot disposition (periodic: rectangular array of raised dots vs non periodic: random dots). The effects of surface texture on speed were reduced to a single continuum when the estimates were normalized by dot spacing and plotted as a function of temporal frequency (speed/dot spacing). The absence of any difference in speed scaling as a function of dot disposition (periodic vs non periodic) suggested that tactile roughness should also be independent of dot disposition. A second psychophysical experiment (n=15) confirmed our hypothesis, showing perceptual equivalence for the periodic and non periodic surfaces when these were matched for dot spacing in the direction of the scan. The third experiment investigated the neuronal mechanisms that underlie subjective tactile speed perception, by recording the responses of cutaneous neurones in the hand representation of S1 cortex to the displacement of textured surfaces under the finger tips of two awake rhesus monkeys. The hypothesis was that neurones implicated in tactile speed perception should be sensitive to tactile speed (similar range to that used in the human experiments) and dot spacing, but be independent of dot disposition (periodic vs non periodic). Furthermore, we predicted that the neurometric function (discharge frequency/dot spacing as a function of temporal frequency) would show a monotonic relation. A large proportion of S1 neurones were sensitive to speed (76/119); 82% of these were also sensitive to texture. Speed sensitivity was widely distributed across the three areas that comprise the cutaneous hand representation, areas 3b, 1, and 2. Of 94 neurons fully tested (periodic and nonperiodic surfaces), the large majority of speed-sensitive cells (60/64) showed a significant monotonic relation with temporal frequency for both surfaces when discharge frequency was normalized by dot spacing. The neurones with the strongest relation to temporal frequency were concentrated in caudal S1, areas 1 and 2, and likely contribute to the human ability to scale tactile speed.

L'objectif de ce projet est l’étude de la plasticité des circuits corticaux dans le contexte de l'apprentissage des souris « sauvages » et modèles du syndrome de l’X fragile. Des études sur l'efficacité de la combinaison d'enregistrement des potentiels de champ locaux extracellulaires avec la stimulation laser UV (LSPS) pour cartographier les réseaux ont été réalisées. Nous avons trouvé des enregistrements de champs extracellulaires qui pourraient être utilisés pour détecter les réponses synaptiques évoquées par LSPS. Nos résultats indiquent une méthode alternative pour obtenir des cartes complètes de réseaux intracorticaux excitateurs. Ensuite, nous avons développé un paradigme d'apprentissage associatif sensoriel et étudié ses effets sur les réseaux intracorticaux excitateurs du cortex baril. Ex vivo un affaiblissement des projections excitatrices entre les couches 4 et 2/3 qui dans les colonnes de vibrisses C a été observée. Enfin, nous avons utilisé ces mêmes approches dans une souris modèle du syndrome de l'X fragile (FXS). Pour étudier les liens entre les déficits sensoriels, l'apprentissage associatif et les altérations fonctionnelles des réseaux sensoriels, nous avons utilisé un modèle de souris mutantes dans lequel la pathologie FXS était ciblée sur la couche 4 du cortex somatosensoriel. Il a été constaté que les souris WT présentaient une dépression similaire, alors qu'elle était absente FXS. En conclusion, les études sur les mutants sensoriels de type sauvage ont mis en lumière les conséquences de l'apprentissage sur les réseaux corticaux sensoriels et les liens entre la plasticité des réseaux corticaux sensoriels et les capacités cognitives. / The aim of this project is to study the plasticity of the cortical circuits in the context of the learning of wild type mice and models of Fragile X Syndrome. First, investigations into the efficacy of recording combination of extracellular local field potentials with UV laser stimulation (LSPS) to map networks were performed. We found extracellular field records could be used to detect the synaptic responses evoked by LSPS. Our results indicate an alternative method for obtaining complete maps of excitatory intracortical networks. Next, we developed a sensory associative learning paradigm and studied its effects on excitatory intracortical networks the barrel cortex. Ex vivo a weakening of the excitatory projections between layers 4 and 2/3 which in the columns of vibrissae C was observed and declined function of the speed of the behavioural response. Finally, we used these same approaches in a Fragile X Syndrome (FXS) model mouse. To study the links between sensory deficits, associative learning, and functional alterations of sensory networks, we used a model of mutant mice in which the FXS pathology was targeted to the layer 4 of the somatosensory cortex. Our hypotheses were that behavioural conditioning would change the cortical sensory circuits of the FXS sensory mutant and that the abnormal plasticity of these circuits would in turn affect the performance. It was found the WT mice exhibited a similar depression, whereas it was absent FXS. In conclusion, wild type mouse and FXS sensory mutant studies shed light on the consequences of learning on sensory cortical networks and on the links between plasticity of sensory cortical networks and cognitive abilities.

Lorsque les rongeurs explorent leur environnement, ils contactent activement les objets environnants avec leurs vibrisses qui sont ainsi défléchies selon des séquences spatiotemporelles complexes. Le système vibrissal est néanmoins capable d'extraire des informations pertinentes de ces stimulations pour générer un comportement tactile-dépendant. Une question se pose alors: Comment l’information multivibrissale globale est-elle encodée? La représentation corticale des vibrisses au sein du cortex somatosensoriel primaire (S1) du rongeur est dotée de structures anatomiquement remarquables, nommées "tonneaux", au niveau de la couche IV, qui sont organisées de la même manière que les vibrisses sur le museau de l’animal. A chaque "tonneau" correspond une colonne corticale, unité de traitement de l’information, qui reçoit en priorité les informations provenant la vibrisse principale (VP) correspondante. Des enregistrements extracellulaires réalisés dans notre équipe chez le rat ont révélé que les réponses des neurones du cortex S1 et du thalamus sont non seulement sensibles à la direction de déflection locale de leur VP, mais aussi à la direction d'un mouvement global de l’ensemble de leurs vibrisses. Afin de mieux comprendre la manière dont le réseau cortical traite ces scènes tactiles globales, nous avons construit un poste expérimental permettant d’enregistrer en temps réel l’activité du cortex S1 chez la souris par imagerie sensible au potentiel, tout en appliquant des stimuli tactiles complexes à l'aide d'une matrice de 24-stimulateurs vibrissaux. Nous avons de plus développé une méthode permettant d’aligner les données fonctionnelles ainsi obtenues par rapport la carte cytoarchitecturale du réseau cortical sous-jacent. Nous avons ainsi étudié premièrement la distribution spatiale de la sélectivité à la direction de déflection locale d’une vibrisse au niveau d’une colonne corticale. Les réponses aux différentes directions étaient localisées de manière légèrement distincte, autour du centre de la colonne, mais selon une organisation différente de celle précédemment décrite chez le rat. Nous avons montré par la suite que la sélectivité à la direction globale est spatialement organisée dans le cortex "en tonneaux" à l’échelle supra-colonnaire. Les colonnes correspondant aux vibrisses rostrales étant plus sélectives à la direction globale que les colonnes associées aux vibrisses caudales. En outre, les colonnes correspondant aux vibrisses dorsales répondent préférentiellement aux directions globales ventrales, tandis que les colonnes associées aux vibrisses ventrales répondent préférentiellement aux directions globales caudales. Enfin, les réponses induites par des directions globales caudo-ventrales étaient en moyenne les plus fortes pour toutes les colonnes. Nous avons montré que la répartition spatiale de la sélectivité à la direction globale peut être expliquée ni par la saillance prédominante de la position de départ de la séquence de stimulation multivibrissale (effet de bord), ni par la sommation linéaire des réponses aux déflections de quelques vibrisses. Les réponses aux stimulations globales de l'ensemble des vibrisses sont en effet fortement sous-linéaires, indépendamment de la direction de la stimulation. Brièvement, nous montrons ici que sortir de la vision classique du système vibrissal permet une meilleure compréhension de la façon dont les différentes caractéristiques des stimuli complexes sont traitées et de la manière dont les propriétés émergentes du cortex, comme la sélectivité à la direction globale, sont construites. / While rodents explore their environment they actively contact surrounding objects with their array of whiskers, resulting in a complex pattern of multiwhisker deflections. Despite this complexity, the whisker system is able to extract relevant information from the spatiotemporal sequence of deflections to generate touch-dependent behavior. The question that arises is: How is global multiwhisker information encoded? Whiskers are mapped onto layer 4 of the primary somatosensory cortex (S1) as discrete units named “barrels”. Each barrel-related vertical column processes information coming primarily from its corresponding principal whisker (PW). Previous experiments in our lab done with extracellular recordings have revealed that neurons in the rat S1 and thalamus not only show a preferred direction for the local deflection of the PW but also for the direction of a global motion across the whisker pad. To further understand how the cortical network processes global tactile scenes, we built a set-up that enables to perform voltage sensitive dye imaging of the mouse barrel cortex while applying precise tactile stimuli using a 24-multi-whisker stimulator. We further developed a technical method to map the recorded functional data onto the cortical structure. We first studied whether local direction selectivity is spatially distributed within the barrel-related column. Responses to different directions were slightly segregated on space close to the barrel center, but the distribution differed from the one previously described in rat S1, namely a pinwheel-like structure. We then showed that global direction selectivity is spatially organized in the barrel cortex. Columns related to rostral whiskers were more selective to the global direction than columns related to caudal whiskers. Moreover, the columns related to dorsal whiskers preferred ventral global directions, while the columns related to ventral whiskers preferred caudal global directions. Overall the responses to the caudo-ventral global directions were the strongest in average for all the columns. We showed that the spatial distribution of the global direction selectivity can be explained neither by the high salience of the starting position of the deflections on the whiskerpad (a border effect), nor by the linear summation of the responses to deflections of several whiskers. Responses to the global motion of the whisker array are indeed highly sublinear independently of the direction of stimulation. In conclusion, we show here that stepping aside from the classical view of the whisker-to-barrel cortex system allows a better understanding of how different features of complex stimuli are processed and how the emergent properties of the cortex, like the global direction selectivity, are built-up.

Le problème inverse en électroencéphalographie (EEG) est la localisation de sources de courant dans le cerveau utilisant les potentiels de surface sur le cuir chevelu générés par ces sources. Une solution inverse implique typiquement de multiples calculs de potentiels de surface sur le cuir chevelu, soit le problème direct en EEG. Pour résoudre le problème direct, des modèles sont requis à la fois pour la configuration de source sous-jacente, soit le modèle de source, et pour les tissues environnants, soit le modèle de la tête. Cette thèse traite deux approches bien distinctes pour la résolution du problème direct et inverse en EEG en utilisant la méthode des éléments de frontières (BEM): l’approche conventionnelle et l’approche réciproque. L’approche conventionnelle pour le problème direct comporte le calcul des potentiels de surface en partant de sources de courant dipolaires. D’un autre côté, l’approche réciproque détermine d’abord le champ électrique aux sites des sources dipolaires quand les électrodes de surfaces sont utilisées pour injecter et retirer un courant unitaire. Le produit scalaire de ce champ électrique avec les sources dipolaires donne ensuite les potentiels de surface. L’approche réciproque promet un nombre d’avantages par rapport à l’approche conventionnelle dont la possibilité d’augmenter la précision des potentiels de surface et de réduire les exigences informatiques pour les solutions inverses. Dans cette thèse, les équations BEM pour les approches conventionnelle et réciproque sont développées en utilisant une formulation courante, la méthode des résidus pondérés. La réalisation numérique des deux approches pour le problème direct est décrite pour un seul modèle de source dipolaire. Un modèle de tête de trois sphères concentriques pour lequel des solutions analytiques sont disponibles est utilisé. Les potentiels de surfaces sont calculés aux centroïdes ou aux sommets des éléments de discrétisation BEM utilisés. La performance des approches conventionnelle et réciproque pour le problème direct est évaluée pour des dipôles radiaux et tangentiels d’excentricité variable et deux valeurs très différentes pour la conductivité du crâne. On détermine ensuite si les avantages potentiels de l’approche réciproquesuggérés par les simulations du problème direct peuvent êtres exploités pour donner des solutions inverses plus précises. Des solutions inverses à un seul dipôle sont obtenues en utilisant la minimisation par méthode du simplexe pour à la fois l’approche conventionnelle et réciproque, chacun avec des versions aux centroïdes et aux sommets. Encore une fois, les simulations numériques sont effectuées sur un modèle à trois sphères concentriques pour des dipôles radiaux et tangentiels d’excentricité variable. La précision des solutions inverses des deux approches est comparée pour les deux conductivités différentes du crâne, et leurs sensibilités relatives aux erreurs de conductivité du crâne et au bruit sont évaluées. Tandis que l’approche conventionnelle aux sommets donne les solutions directes les plus précises pour une conductivité du crâne supposément plus réaliste, les deux approches, conventionnelle et réciproque, produisent de grandes erreurs dans les potentiels du cuir chevelu pour des dipôles très excentriques. Les approches réciproques produisent le moins de variations en précision des solutions directes pour différentes valeurs de conductivité du crâne. En termes de solutions inverses pour un seul dipôle, les approches conventionnelle et réciproque sont de précision semblable. Les erreurs de localisation sont petites, même pour des dipôles très excentriques qui produisent des grandes erreurs dans les potentiels du cuir chevelu, à cause de la nature non linéaire des solutions inverses pour un dipôle. Les deux approches se sont démontrées également robustes aux erreurs de conductivité du crâne quand du bruit est présent. Finalement, un modèle plus réaliste de la tête est obtenu en utilisant des images par resonace magnétique (IRM) à partir desquelles les surfaces du cuir chevelu, du crâne et du cerveau/liquide céphalorachidien (LCR) sont extraites. Les deux approches sont validées sur ce type de modèle en utilisant des véritables potentiels évoqués somatosensoriels enregistrés à la suite de stimulation du nerf médian chez des sujets sains. La précision des solutions inverses pour les approches conventionnelle et réciproque et leurs variantes, en les comparant à des sites anatomiques connus sur IRM, est encore une fois évaluée pour les deux conductivités différentes du crâne. Leurs avantages et inconvénients incluant leurs exigences informatiques sont également évalués. Encore une fois, les approches conventionnelle et réciproque produisent des petites erreurs de position dipolaire. En effet, les erreurs de position pour des solutions inverses à un seul dipôle sont robustes de manière inhérente au manque de précision dans les solutions directes, mais dépendent de l’activité superposée d’autres sources neurales. Contrairement aux attentes, les approches réciproques n’améliorent pas la précision des positions dipolaires comparativement aux approches conventionnelles. Cependant, des exigences informatiques réduites en temps et en espace sont les avantages principaux des approches réciproques. Ce type de localisation est potentiellement utile dans la planification d’interventions neurochirurgicales, par exemple, chez des patients souffrant d’épilepsie focale réfractaire qui ont souvent déjà fait un EEG et IRM. / The inverse problem of electroencephalography (EEG) is the localization of current sources within the brain using surface potentials on the scalp generated by these sources. An inverse solution typically involves multiple calculations of scalp surface potentials, i.e., the EEG forward problem. To solve the forward problem, models are needed for both the underlying source configuration, the source model, and the surrounding tissues, the head model. This thesis treats two distinct approaches for the resolution of the EEG forward and inverse problems using the boundary-element method (BEM): the conventional approach and the reciprocal approach. The conventional approach to the forward problem entails calculating the surface potentials starting from source current dipoles. The reciprocal approach, on the other hand, first solves for the electric field at the source dipole locations when the surface electrodes are reciprocally energized with a unit current. A scalar product of this electric field with the source dipoles then yields the surface potentials. The reciprocal approach promises a number of advantages over the conventional approach, including the possibility of increased surface potential accuracy and decreased computational requirements for inverse solutions. In this thesis, the BEM equations for the conventional and reciprocal approaches are developed using a common weighted-residual formulation. The numerical implementation of both approaches to the forward problem is described for a single-dipole source model. A three-concentric-spheres head model is used for which analytic solutions are available. Scalp potentials are calculated at either the centroids or the vertices of the BEM discretization elements used. The performance of the conventional and reciprocal approaches to the forward problem is evaluated for radial and tangential dipoles of varying eccentricities and two widely different skull conductivities. We then determine whether the potential advantages of the reciprocal approach suggested by forward problem simulations can be exploited to yield more accurate inverse solutions. Single-dipole inverse solutions are obtained using simplex minimization for both the conventional and reciprocal approaches, each with centroid and vertex options. Again, numerical simulations are performed on a three-concentric-spheres model for radial and tangential dipoles of varying eccentricities. The inverse solution accuracy of both approaches is compared for the two different skull conductivities and their relative sensitivity to skull conductivity errors and noise is assessed. While the conventional vertex approach yields the most accurate forward solutions for a presumably more realistic skull conductivity value, both conventional and reciprocal approaches exhibit large errors in scalp potentials for highly eccentric dipoles. The reciprocal approaches produce the least variation in forward solution accuracy for different skull conductivity values. In terms of single-dipole inverse solutions, conventional and reciprocal approaches demonstrate comparable accuracy. Localization errors are low even for highly eccentric dipoles that produce large errors in scalp potentials on account of the nonlinear nature of the single-dipole inverse solution. Both approaches are also found to be equally robust to skull conductivity errors in the presence of noise. Finally, a more realistic head model is obtained using magnetic resonance imaging (MRI) from which the scalp, skull, and brain/cerebrospinal fluid (CSF) surfaces are extracted. The two approaches are validated on this type of model using actual somatosensory evoked potentials (SEPs) recorded following median nerve stimulation in healthy subjects. The inverse solution accuracy of the conventional and reciprocal approaches and their variants, when compared to known anatomical landmarks on MRI, is again evaluated for the two different skull conductivities. Their respective advantages and disadvantages including computational requirements are also assessed. Once again, conventional and reciprocal approaches produce similarly small dipole position errors. Indeed, position errors for single-dipole inverse solutions are inherently robust to inaccuracies in forward solutions, but dependent on the overlapping activity of other neural sources. Against expectations, the reciprocal approaches do not improve dipole position accuracy when compared to the conventional approaches. However, significantly smaller time and storage requirements are the principal advantages of the reciprocal approaches. This type of localization is potentially useful in the planning of neurosurgical interventions, for example, in patients with refractory focal epilepsy in whom EEG and MRI are often already performed.

Le problème inverse en électroencéphalographie (EEG) est la localisation de sources de courant dans le cerveau utilisant les potentiels de surface sur le cuir chevelu générés par ces sources. Une solution inverse implique typiquement de multiples calculs de potentiels de surface sur le cuir chevelu, soit le problème direct en EEG. Pour résoudre le problème direct, des modèles sont requis à la fois pour la configuration de source sous-jacente, soit le modèle de source, et pour les tissues environnants, soit le modèle de la tête. Cette thèse traite deux approches bien distinctes pour la résolution du problème direct et inverse en EEG en utilisant la méthode des éléments de frontières (BEM): l’approche conventionnelle et l’approche réciproque. L’approche conventionnelle pour le problème direct comporte le calcul des potentiels de surface en partant de sources de courant dipolaires. D’un autre côté, l’approche réciproque détermine d’abord le champ électrique aux sites des sources dipolaires quand les électrodes de surfaces sont utilisées pour injecter et retirer un courant unitaire. Le produit scalaire de ce champ électrique avec les sources dipolaires donne ensuite les potentiels de surface. L’approche réciproque promet un nombre d’avantages par rapport à l’approche conventionnelle dont la possibilité d’augmenter la précision des potentiels de surface et de réduire les exigences informatiques pour les solutions inverses. Dans cette thèse, les équations BEM pour les approches conventionnelle et réciproque sont développées en utilisant une formulation courante, la méthode des résidus pondérés. La réalisation numérique des deux approches pour le problème direct est décrite pour un seul modèle de source dipolaire. Un modèle de tête de trois sphères concentriques pour lequel des solutions analytiques sont disponibles est utilisé. Les potentiels de surfaces sont calculés aux centroïdes ou aux sommets des éléments de discrétisation BEM utilisés. La performance des approches conventionnelle et réciproque pour le problème direct est évaluée pour des dipôles radiaux et tangentiels d’excentricité variable et deux valeurs très différentes pour la conductivité du crâne. On détermine ensuite si les avantages potentiels de l’approche réciproquesuggérés par les simulations du problème direct peuvent êtres exploités pour donner des solutions inverses plus précises. Des solutions inverses à un seul dipôle sont obtenues en utilisant la minimisation par méthode du simplexe pour à la fois l’approche conventionnelle et réciproque, chacun avec des versions aux centroïdes et aux sommets. Encore une fois, les simulations numériques sont effectuées sur un modèle à trois sphères concentriques pour des dipôles radiaux et tangentiels d’excentricité variable. La précision des solutions inverses des deux approches est comparée pour les deux conductivités différentes du crâne, et leurs sensibilités relatives aux erreurs de conductivité du crâne et au bruit sont évaluées. Tandis que l’approche conventionnelle aux sommets donne les solutions directes les plus précises pour une conductivité du crâne supposément plus réaliste, les deux approches, conventionnelle et réciproque, produisent de grandes erreurs dans les potentiels du cuir chevelu pour des dipôles très excentriques. Les approches réciproques produisent le moins de variations en précision des solutions directes pour différentes valeurs de conductivité du crâne. En termes de solutions inverses pour un seul dipôle, les approches conventionnelle et réciproque sont de précision semblable. Les erreurs de localisation sont petites, même pour des dipôles très excentriques qui produisent des grandes erreurs dans les potentiels du cuir chevelu, à cause de la nature non linéaire des solutions inverses pour un dipôle. Les deux approches se sont démontrées également robustes aux erreurs de conductivité du crâne quand du bruit est présent. Finalement, un modèle plus réaliste de la tête est obtenu en utilisant des images par resonace magnétique (IRM) à partir desquelles les surfaces du cuir chevelu, du crâne et du cerveau/liquide céphalorachidien (LCR) sont extraites. Les deux approches sont validées sur ce type de modèle en utilisant des véritables potentiels évoqués somatosensoriels enregistrés à la suite de stimulation du nerf médian chez des sujets sains. La précision des solutions inverses pour les approches conventionnelle et réciproque et leurs variantes, en les comparant à des sites anatomiques connus sur IRM, est encore une fois évaluée pour les deux conductivités différentes du crâne. Leurs avantages et inconvénients incluant leurs exigences informatiques sont également évalués. Encore une fois, les approches conventionnelle et réciproque produisent des petites erreurs de position dipolaire. En effet, les erreurs de position pour des solutions inverses à un seul dipôle sont robustes de manière inhérente au manque de précision dans les solutions directes, mais dépendent de l’activité superposée d’autres sources neurales. Contrairement aux attentes, les approches réciproques n’améliorent pas la précision des positions dipolaires comparativement aux approches conventionnelles. Cependant, des exigences informatiques réduites en temps et en espace sont les avantages principaux des approches réciproques. Ce type de localisation est potentiellement utile dans la planification d’interventions neurochirurgicales, par exemple, chez des patients souffrant d’épilepsie focale réfractaire qui ont souvent déjà fait un EEG et IRM. / The inverse problem of electroencephalography (EEG) is the localization of current sources within the brain using surface potentials on the scalp generated by these sources. An inverse solution typically involves multiple calculations of scalp surface potentials, i.e., the EEG forward problem. To solve the forward problem, models are needed for both the underlying source configuration, the source model, and the surrounding tissues, the head model. This thesis treats two distinct approaches for the resolution of the EEG forward and inverse problems using the boundary-element method (BEM): the conventional approach and the reciprocal approach. The conventional approach to the forward problem entails calculating the surface potentials starting from source current dipoles. The reciprocal approach, on the other hand, first solves for the electric field at the source dipole locations when the surface electrodes are reciprocally energized with a unit current. A scalar product of this electric field with the source dipoles then yields the surface potentials. The reciprocal approach promises a number of advantages over the conventional approach, including the possibility of increased surface potential accuracy and decreased computational requirements for inverse solutions. In this thesis, the BEM equations for the conventional and reciprocal approaches are developed using a common weighted-residual formulation. The numerical implementation of both approaches to the forward problem is described for a single-dipole source model. A three-concentric-spheres head model is used for which analytic solutions are available. Scalp potentials are calculated at either the centroids or the vertices of the BEM discretization elements used. The performance of the conventional and reciprocal approaches to the forward problem is evaluated for radial and tangential dipoles of varying eccentricities and two widely different skull conductivities. We then determine whether the potential advantages of the reciprocal approach suggested by forward problem simulations can be exploited to yield more accurate inverse solutions. Single-dipole inverse solutions are obtained using simplex minimization for both the conventional and reciprocal approaches, each with centroid and vertex options. Again, numerical simulations are performed on a three-concentric-spheres model for radial and tangential dipoles of varying eccentricities. The inverse solution accuracy of both approaches is compared for the two different skull conductivities and their relative sensitivity to skull conductivity errors and noise is assessed. While the conventional vertex approach yields the most accurate forward solutions for a presumably more realistic skull conductivity value, both conventional and reciprocal approaches exhibit large errors in scalp potentials for highly eccentric dipoles. The reciprocal approaches produce the least variation in forward solution accuracy for different skull conductivity values. In terms of single-dipole inverse solutions, conventional and reciprocal approaches demonstrate comparable accuracy. Localization errors are low even for highly eccentric dipoles that produce large errors in scalp potentials on account of the nonlinear nature of the single-dipole inverse solution. Both approaches are also found to be equally robust to skull conductivity errors in the presence of noise. Finally, a more realistic head model is obtained using magnetic resonance imaging (MRI) from which the scalp, skull, and brain/cerebrospinal fluid (CSF) surfaces are extracted. The two approaches are validated on this type of model using actual somatosensory evoked potentials (SEPs) recorded following median nerve stimulation in healthy subjects. The inverse solution accuracy of the conventional and reciprocal approaches and their variants, when compared to known anatomical landmarks on MRI, is again evaluated for the two different skull conductivities. Their respective advantages and disadvantages including computational requirements are also assessed. Once again, conventional and reciprocal approaches produce similarly small dipole position errors. Indeed, position errors for single-dipole inverse solutions are inherently robust to inaccuracies in forward solutions, but dependent on the overlapping activity of other neural sources. Against expectations, the reciprocal approaches do not improve dipole position accuracy when compared to the conventional approaches. However, significantly smaller time and storage requirements are the principal advantages of the reciprocal approaches. This type of localization is potentially useful in the planning of neurosurgical interventions, for example, in patients with refractory focal epilepsy in whom EEG and MRI are often already performed.

Dans le cerveau, les astrocytes sont les cellules gliales les plus abondantes et elles jouent divers rôles, y compris le maintien des synapses tripartites et la régulation du débit sanguin cérébral (DSC). Le monoxyde d’azote (NO) est une molécule de signal endogène qui a un impact sur la régulation de l'activité synaptique et du DSC. Des études antérieures ont démontré que le NO est produit dans les cellules endothéliales et les neurones par la synthase du monoxyde d’azote endothéliale (eNOS) et neuronale (nNOS), respectivement. Cependant, la source de production de NO dans les astrocytes reste incertaine. Par conséquent, nous proposons que la voie de signalisation NOS constitutive puisse coexister dans les astrocytes et puisse être activée par différents neurotransmetteurs. L'objectif de cette thèse est d'identifier les sources et les activateurs de la production de NO dans les astrocytes corticaux de la souris. L'identification des isoformes constitutives de NOS effectuée au moyen de la microscopie électronique et d'immunohistochimie a révélé l’expression des eNOS et nNOS dans les astrocytes. Des préparations de culture d'astrocytes et de tranches de cerveau marquées avec du diacétate de 4-amino-5-méthylamino-2',7'-difluorescéine (DAF-FM), un indicateur de NO perméable aux cellules qui devient imperméable une fois à l’intérieur ont été réalisées. Cette fonctionnalité a été mise à profit pour évaluer la production de NO exclusivement dans les astrocytes en utilisant la microscopie confocale à uni- et multi-photons. De plus, des agonistes cholinergiques ou glutamatergiques qui ont la capacité d’augmenter la concentration de Ca2+ intracellulaire peuvent induire une production du NO in vitro et ex vivo dans les astrocytes, qui est supprimée en présence de l'inhibiteur de NOS non sélectif, L-NG -Nitro-arginine. Fait intéressant, la réponse NO à l’acétylcholine était absente chez les souris eNOS-/-, tandis que l'acide trans-1-aminocyclopentane-1,3-dicarboxylique (t-ACPD) a peu affecté la production de NO chez les souris nNOS-/-. Ces résultats impliquent que les eNOS et nNOS astrocytaires peuvent être déclenchés par des cascades d'activation distinctes (cholinergique et glutamatergique métabotrope). En outre, les études sur la mobilisation cytosolique du Ca2+ indiquent l'importance du réticulum endoplasmique comme réservoir de Ca2+ pour la production de NO, et suggèrent aussi une voie de signalisation astrocytaire qui, une fois activée par le t- ACPD, provoque l'efflux de Ca2+ médié par le récepteur à la ryanodine, qui à son tour active les nNOS adjacents et conduit à la production de NO. Par ailleurs, la superfusion de préparations in vitro et ex vivo avec du N-Méthyl-D-aspartate (NMDA) a provoqué une augmentation du NO tant dans les souris eNOS-/- que nNOS-/-, ce qui indique l'implication des eNOS et nNOS astrocytaires. La production de NO a été atténuée par l'inhibition du complexe PSD-95 / nNOS ce qui suggère que le récepteur NMDA astrocytaire rend fonctionnelle la cassette de signalisation NR2B/PSD-95/nNOS. En conclusion, nos résultats démontrent que : i) les astrocytes corticaux expriment à la fois eNOS et nNOS; ii) la nNOS cytosolique colocalise avec les récepteurs 2 et 3 de la ryanodine, alors que les nNOS membranaires colocalisent avec le récepteur NMDA contenant le NR2B; iii) la stimulation neuronale a la capacité d'induire la production de NO par les eNOS et nNOS astrocytaires par des voies de signalisation différentes; iv) l'activation des nNOS cytosoliques nécessite une activation des récepteurs à la ryanodine. Collectivement, ces données suggèrent une production de NO compartimentée et spécifique après une stimulation neuronale probablement dans le but de réguler finement et de façon polarisée les fonctions astrocytaires. Ce travail fournit un nouvel aperçu des conséquences physiologiques pour les fonctions neuronales et vasculaires et améliore notre compréhension de la fonction NO astrocytaire dans le cerveau. / In the brain, astrocytes are the most abundant glial cells and play various roles including maintenance of tripartite synapses and regulation of CBF. An endogenous signal molecule that has a potential to have an effect on regulation of both synaptic activity and CBF is nitric oxide (NO). Previous studies have demonstrated that NO is produced in endothelial cells and neurons by endothelial nitric oxide synthase (eNOS) and neuronal nitric oxide synthase (nNOS), respectively. However, the source of NO production in astrocyte remains uncertain. Therefore, we propose that constitutive NOS signalling pathways may exist in astrocyte and can be activated by different neurotransmitters. The aim of this thesis is to identify the sources and activators of NO production in mouse cortical astrocytes. Identification of constitutive NOS isoforms done by means of electron microscopy and immunohistochemistry revealed the expression of both eNOS and nNOS in astrocytes. All preparations were performed in astrocyte cultures and brain slice preparations labeled with 4- amino-5-methylamino-2',7'-difluorescein (DAF-FM) diacetate, a cell-permeant NO indicator that becomes cell-impermeable once inside cells. Therefore, I took advantage of this feature to evaluate NO production exclusively in astrocytes using single and multi-photon confocal microscopy. We then tested whether cholinergic and glutamatergic agonists that have the capacity to increase intracellular Ca2+ concentration can induce an increase in astrocytic NO. Both in vitro and ex vivo, NO production levels indicate that cholinergic and glutamatergic stimulations can induce astrocytic NO increases, which was abolished by the non-selective NOS inhibitor L- NG -Nitro-arginine. Moreover, the NO response to ACh was absent in eNOS-/- mice, while trans-1-aminocyclopentane-1,3-dicarboxylic acid (t-ACPD) barely affected NO production in nNOS-/- mice. These results imply that astrocytic eNOS and nNOS can be triggered discretely by distinct activation cascades (cholinergic and metabotropic glutamatergic). Furthermore, studies on cytosolic Ca2+ mobilization point out the importance of the endoplasmic reticulum (ER) Ca2+ as key in the mechanism of NO production, and suggests a signalling pathway that t-ACPD causes IP3Rs to elicit RyRs-mediated Ca2+ efflux, which in turn, activates adjacent nNOS and leads to NO production. Furthermore, superfusion of in vitro and ex vivo preparations with N-Methyl-D-aspartate (NMDA) evoked an increase in NO in eNOS-/- and nNOS-/- mice. The NO production was attenuated through removal of PSD-95/nNOS complex. This result posits that astrocytic NMDA receptor may comprise the functional NR2B/PSD- 95/nNOS signalling cassette. In conclusion, our findings demonstrate that: i) cortical astrocytes express both eNOS and nNOS; ii) nNOS colocalizes with ryanodine receptor 2 and 3, whereas membrane nNOS colocalizes with NR2B-containing NMDA receptor; iii) neuronal stimulation has the capacity of inducing eNOS- and nNOS-produced NO in astrocytes via different activation signalling; iv) activation of cytosolic nNOS requires the activation of ryanodine receptors. Collectively, these data suggest a compartmentalized and specific NO production following neuronal stimulation probably for a fine and polarized regulation of astrocytic functions. This work provides new insight into physiological consequences for neuronal and vascular functions and ameliorates our understanding of astrocytic NO function in the brain.