La locomotion, comme toute autre forme d'activité physique, mobilise le système nerveux autonome pour faire face à la demande physiologique croissante. Ces réponses autonomes impliquent un couplage entre les activités motrices sympathiques et somatiques. De manière intéressante, à la fois les réseaux locomoteurs spinaux, ainsi que les neurones préganglionnaires sympathiques intermédiolatéraux (IMLs) sont les cibles d’une modulation par le système cholinergique propriospinal. Dans ce contexte, le but de mon travail doctoral a été d'étudier le rôle du système cholinergique propriospinal dans la coordination entre ces deux systèmes. En utilisant une préparation de moelle épinière de rat nouveau-né isolée in vitro, nous avons montré que l’acétylcholine pourrait permettre un couplage entre les réseaux locomoteurs et sympathiques via l’activation de récepteurs muscariniques. En effet, l'oxotrémorine, un agoniste non-sélectif de ces récepteurs, induit une activité rythmique lente bloquée par des antagonistes des récepteurs muscariniques M1, M2, M3 et M4. De plus, l’oxotrémorine permet de révéler des capacités rythmogènes endogènes de la moelle épinière thoracique. Nous avons observé que les motoneurones thoraciques étaient rythmiquement actifs à la fois durant des épisodes de locomotion fictive et lors de l’application d'oxotrémorine. A l’inverse, les IMLs présentaient une activité rythmique uniquement en présence d'oxotrémorine. Cette étude fournit ainsi de nouveaux éléments concernant les processus neuronaux à l'origine du couplage entre les systèmes somatiques et sympathiques. Nous proposons ici que ces mécanismes de synchronisation sont réalisés en partie via un réseau intraspinal pouvant être activé conditionnellement par le système cholinergique propriospinal. / Locomotion, as any other forms of physical activity, mobilizes the autonomic nervous system to match the increasing physiological demand. These autonomic responses mostly rely on the coupling between sympathetic and somatic motor activities. The propriospinal cholinergic system plays an important role in the control of locomotor networks, and several lines of evidences suggest that it may also activate sympathetic preganglionic neurons from the intermediolateral nucleus (IMLs). The aim of my doctoral thesis was to investigate the role of the cholinergic propriospinal system in the coordination between these two systems. Using the in vitro isolated spinal cord from new born rat, we showed that application of acetylcholine synchronized the locomotor and sympathetic networks, via the activation of muscarinic receptors. Indeed, the non-selective agonist oxotremorine induced slow rhythmic activity blocked by M1, M2, M3 and M4 muscarinic receptor antagonists. In addition, oxotremorine revealed endogenous rhythmogenic capabilities of the thoracic segments. This slow oscillatory activity propagated from thoracic ventral roots to lumbar ones, but not the reverse. We observed that thoracic MNs were rhythmically activated during both locomotorlike activity and oxotremorine-induced rhythm. In contrast, IMLs were rhythmically activated solely in the presence of oxotremorine. This study provides new light on the origin of the coupling between the somatic and the sympathetic systems. We propose that synchronizing mechanisms are achieved in part by an intraspinal network which may be activated under the control of the cholinergic propriospinal system.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Choisir entre l'action ou l'inaction est peut-être le type de décision le plus critique auquel un animal peut faire face. Une formalisation simple de ces choix consiste à évaluer les bénéfices attendus (nourriture, argent par exemple) ainsi que les coûts (punitions, pertes de temps ou d'argent) associés à chaque action et d'optimiser le rapport entre récompenses reçues et coûts assumés. Notre motivation à s'engager dans une action donnée dépend donc de la valeur de ce rapport. Dans le domaine de l'économie comportementale, l’optimisation de ce rapport bénéfices/coûts constitue le principe fondamental qui régule et explique le comportement des individus. Dans mes travaux de thèse, j'ai réalisé une implémentation de ces concepts venant de l'économie comportementale en utilisant une forme expérimentalement quantifiable de coûts: l'effort physique. Dans notre vie de tous les jours, si l'on nous demande de choisir entre deux options rapportant les même bénéfices mais demandant différents efforts (par exemple, travailler 3 ou 7 jours par semaine pour le même salaire), nous choisissons habituellement l'option qui nécessite la plus petite dépense d'énergie, en optant donc pour le moindre effort. Néanmoins, l'effort physique a été beaucoup moins étudié en comparaison à d'autres formes de coûts comme le fait de différer la récompense ou d'en augmenter l'incertitude. Le présent travail de recherche a donc pour but de mettre en lumière les bases neurales de la balance récompense / effort dans la prise de décision. Comprendre comment l'effort affecte la dévaluation des potentielles récompenses a un intérêt particulier pour la prise de décisions économiques mais aussi pour la clinique, étant donné que la diminution de la capacité à accepter d'avoir à exercer un effort est un symptôme-clé de nombreuses pathologies comme l'apathie ou la dépression. Nous faisons l’hypothèse que de tels désordres pourraient résulter de deux différents processus comportementaux: (a) une diminution de la sensibilité aux bénéfices futurs et/ou (b) une sensibilité excessive aux coûts potentiels. Ainsi, lorsqu'interrogés sur les raisons pour lesquelles ils ne veulent pas aller au cinéma regarder un film qu'ils apprécient, les patients apathiques peuvent déclarer que (a) le film n'est pas assez bon (soit une plus faible réponse à la valeur attendue), (b) le cinéma est trop loin (soit une plus forte sensibilité à l'effort anticipé). Afin de tester ces hypothèses, nous avons enregistré l'activité de neurones chez le singe pendant des tâches comportementales. Nous avons trouvé que d'une part, la dopamine encode la valeur de l'action future et oriente le comportement vers l'option demandant le moindre effort. D'autre part, la noradrénaline permet à l'individu de faire face à l'effort à venir en réduisant la sensibilité à l'anticipation de l'effort. En utilisant une approche pharmacologique, nous avons démontré que lorsque le niveau de noradrénaline est augmenté, les singes exercent d'avantage d'effort. En outre, nous avons montré que les potentiels locaux de champ dans le cortex pré-frontal ventro-médian, enregistrés dans une tâche comportementale identique, sont modulés par la valeur attendue et prédisent le choix du singe. En résumé, ce travail permet de départager en partie les circuits neuronaux impliqués dans le calcul de la balance récompense / effort, principalement encodée par les neurones dopaminergiques et dans les potentiels locaux de champ au niveau du cortex pré-frontal ventro-médian. Enfin, ce travail souligne le rôle de la noradrénaline dans la mobilisation de l'énergie d'un individu afin de faire face au défi que représente l'effort physique. / There is perhaps no more critical factor for the behaviour of an animal than the way it chooses between action and inaction. A simple way to formalise such choices is to evaluate the predicted benefit (e.g. food, money) and costs (e.g. punishments, losses, delays) associated with each action and optimise the rates at which rewards are received and costs avoided. Our motivation to perform a given action depends upon such value ratio. In the current behavioural economics literature, the optimisation of the benefits/costs ratio stands as the fundamental principle that regulates and explains agents’ behaviour. In my Ph.D. studies, I implement a realistic model of such concepts from behavioural economics by using an empirical type of cost: physical effort. In our everyday life, if we are asked to choose between two options that imply the same reward but different efforts (e.g., working 3 or 7 days per week for the same salary), we usually opt for the alternative that requires the slightest energy expenditure, thus the least effort. However, physical effort has been far less studied compared to other decision costs such as delay or uncertainty. The present Ph.D. work aims at highlighting the neuronal bases of such reward/effort tradeoff. Understanding how effort cost affects the discounting of potential rewards has a clear significance for economic decisions and clinics, since the reduced willingness to exert effort is a key signature of several clinical disorders such as apathy and depression We suggest that disorders such as apathy could result from two different behavioural processes: (a) a decreased responsiveness to future benefits and/or (b) an excessive sensitivity to potential costs. For instance, when asked why they would not go see a movie they like, patients may say that (a) the movie is not good enough (i.e. low responsiveness to expected value) or that (b) the theatre is too far away (i.e. high sensitivity to anticipated effort). To test our hypothesis, we combined behavioural tasks and pharmacological approach with neuron recordings in monkeys, targeting specifically two majors actors of the rewarding and effort system, dopamine and noradrenaline. We found that dopamine and noradrenaline have distinct but complementary roles. On the one hand, dopamine tracks the reward value of future outcomes and orient the behaviour towards the least effortful options. On the other hand, noradrenaline enables subjects to face the effort at hand, reducing the sensitivity to anticipated effort. Using a pharmacological approach, we found that, when we increase noradrenaline, monkeys exerted significantly more effort. Moreover, we have found that local field potentials in the ventromedial prefrontal cortex recorded in the same task encode the expected value and predict action selection. In summary, this Ph.D. work allows to disentangle some of the neuronal circuits implicated in the computation of the reward/effort tradeoff, mainly encoded by dopaminergic neurons and in the local field potential of the ventromedial prefrontal cortex. On the other hand, this work highlights the role of noradrenaline in the energization of behaviour to face the challenge represented by the physical effort.