Afin de pouvoir apparier de manière précise les couleurs il est essentiel de prendre en compte la sensibilité visuelle à percevoir de petites différences de couleur. Les petites différences de couleur peuvent être mesurées par des ellipses qui décrivent les différences justes observables (just noticeable difference - JND). Ces ellipses décrivent la faculté du Système Visuel Humain à discriminer des couleurs très peu différentes. D'un point de vue mathématique, ces ellipses peuvent être modélisées par une fonction différentielle positive de forme quadratique, caractéristique de ce que l'on appelle communément une métrique Riemannienne. La métrique Riemannienne peut être considérée comme un outil utile pour évaluer l'adéquation, la robustesse et la précision, d'un espace couleur ou d'une métrique couleur, à décrire, à mesurer, correctement les différences de couleur telles qu'elles sont perçues par le Système Visuel Humain. L'un des particularités de cette métrique est qu'elle modélise la plus petite distance qui sépare deux couleurs dans un espace couleur par une ligne géodésique. Selon l'hypothèse de Schrödinger les lignes géodésiques qui partent d'un point neutre d'une surface de luminosité constante décrivent des courbes de teinte constante. Les contours de chrominance (chroma) forment alors des courbes fermées à intervalles constants à partir de ce point neutre situées à une distance constante des lignes géodésiques associées à ces teintes constances. Cette hypothèse peut être utilisée pour tester la robustesse, la précision, des formules mathématiques utilisées pour mesurer des différences couleur (color difference formulas) et pour prédire quelle valeurs peuvent prendre tel ou tel attribut perceptuel, ex. la teinte et la saturation (hue and chroma), ou telle distribution de stimulus couleur, dans n'importe quel espace couleur. Dans cette thèse, nous présentons une méthode qui permet de modéliser les éléments de ligne (lignes géodésiques), correspondants aux formules mathématiques Delta E * ab, Delta E * uv, OSA-UCS Delta EE utilisées pour mesurer des différences couleur, ainsi que les éléments de ligne correspondants à l'approximation infinitésimales du CIEDE2000. La pertinence de ces quatre formules mathématiques a été évaluée par comparaison, dans différents plans de représentation chromatique, des ellipses prédites et des ellipses expérimentalement obtenues par observation visuelle. Pour chacune de ces formules mathématiques, nous avons également testé l'hypothèse de Schrödinger, en calculant à partir de la métrique Riemannienne, les lignes géodésiques de teinte et les contours de chroma associés, puis en comparant les courbes calculées dans l'espace couleur CIELAB avec celles obtenues dans le système Munsell. Les résultats que nous avons obtenus démontrent qu'aucune de ces formules mathématiques ne prédit précisément les différences de couleur telles qu'elles sont perçues par le Système Visuel Humain. Ils démontrent également que les deux dernières formules en date, OSA-UCS Delta EE et l'approximation infinitésimale du CIEDE2000, ne sont pas plus précises que les formules conventionnelles calculées à partir des espaces couleur CIELAB et CIELUV, quand on se réfère au système Munsell (Munsell color order system) / Visual sensitivity to small color difference is an important factor for precision color matching. Small color differences can be measured by the line element theory in terms of color distances between a color point and neighborhoods of points in a color space. This theory gives a smooth positive definite symmetric metric tensor which describes threshold of color differences by ellipsoids in three dimensions and ellipses in two dimensions. The metric tensor is also known as the Riemannian metric tensor. In regard to the color differences, there are many color difference formulas and color spaces to predict visual difference between two colors but, it is still challenging due to the nonexistence of a perfect uniform color space. In such case, the Riemannian metric tensor can be used as a tool to study the performance of various color spaces and color difference metrics for measuring the perceptual color differences. It also computes the shortest length or the distance between any two points in a color space. The shortest length is called a geodesic. According to Schrödinger's hypothesis geodesics starting from the neutral point of a surface of constant brightness correspond to the curves of constant hue. The chroma contours are closed curves at constant intervals from the origin measured as the distance along the constant hue geodesics. This hypothesis can be utilized to test the performance of color difference formulas to predict perceptual attributes (hue and chroma) and distribution of color stimulus in any color space. In this research work, a method to formulate line element models of color difference formulas the ΔE*ab, the ΔE*uv, the OSA-UCS ΔEE and infinitesimal approximation of CIEDE2000 (ΔE00) is presented. The Jacobian method is employed to transfer their Riemannian metric tensors in other color spaces. The coefficients of such metric tensors are used to compute ellipses in two dimensions. The performance of these four color difference formulas is evaluated by comparing computed ellipses with experimentally observed ellipses in different chromaticity diagrams. A method is also developed for comparing the similarity between a pair of ellipses. The technique works by calculating the ratio of the area of intersection and the area of union of a pair of ellipses. Similarly, at a fixed value of lightness L*, hue geodesics originating from the achromatic point and their corresponding chroma contours of the above four formulas in the CIELAB color space are computed by solving the Euler-Lagrange equations in association with their Riemannian metrics. They are compared with with the Munsell chromas and hue circles at the Munsell values 3, 5 and 7. The result shows that neither formulas are fully perfect for matching visual color difference data sets. However, Riemannized ΔE00 and the ΔEE formulas measure the visual color differences better than the ΔE*ab and the ΔE*uv formulas at local level. It is interesting to note that the latest color difference formulas like the OSA-UCS ΔEE and the Riemannized ΔE00 do not show better performance to predict hue geodesics and chroma contours than the conventional CIELAB and CIELUV color difference formulas and none of these formulas fit the Munsell data accurately

La rotation de la Terre oblige les organismes vivants à s’adapter aux modifications cycliques de l’environnement, et tout particulièrement aux changements de lumière et de température. Des unicellulaires à l’Homme, la plupart des espèces ont développé des horloges circadiennes, qui leur permettent d’anticiper les transitions jour-nuit. La lumière constitue le signal majeur pour la synchronisation de l’horloge. En cycles jour-nuit, les drosophiles présentent un profil d’activité locomotrice bimodal, avec un premier pic autour de l’aube et le deuxième au crépuscule. Chez cet insecte, la perception de la lumière est assurée à la fois par un système complexe, constitué des yeux composés, des ocelles et de l’eyelet d’Hofbauer-Buchner. Ces organes contiennent des photorécepteurs (PRs) exprimant six protéines photosensibles différentes, les rhodopsines (Rh1 à Rh6). Une septième rhodopsine (Rh7) a été décrite dans quelques neurones de l’horloge cérébrale. La lumière est également perçue directement dans la plupart des neurones d’horloge grâce à une protéine photosensible, le cryptochrome (Cry). Les différentes études du rôle de la lumière sur l’entraînement de l’horloge ont essentiellement porté sur la voie cry-dépendante, en utilisant de courts flashs lumineux pour recaler l’horloge cérébrale. Notre étude s’est intéressée à l’entraînement de l’horloge via les rhodopsines. Quels types de photorécepteur sont impliqués ? Après l’activation de la cascade de phototransduction et la libération de l’histamine par les photorécepteurs, quels neurones, exprimant les récepteurs à l’histamine Ort et Hiscl1, participent à l’entraînement de l’horloge circadienne ? Une première partie présente l’étude de l’implication des 6 rhodopsines dans l’entraînement circadien. Tout d’abord, nous avons mis en évidence la fonction de photorécepteurs spécifiques (exprimant Rh1 ou Rh6) dans la voie NorpA-dépendante (Saint-Charles et al. J Comp Neurol 2016). Nous avons ensuite généré des lignées de drosophiles n’exprimant aucune ou qu’une seule rhodopsine. Sans rhodopsine ni Cry les mouches sont incapables de se synchroniser sur les cycles jour-nuit, quelle que soit l’intensité lumineuse. En lumière faible, l’input pour l’entraînement vient principalement des photorécepteurs exprimant Rh1 et Rh6. En forte lumière, chacune des 6 rhodopsines des différents photorécepteurs est capable d’entrainer l’horloge, Rh1, Rh5 et Rh6 étant les plus efficaces ( Alejevski et al., in prep). Une deuxième partie présente la caractérisation des voies neuronales connectant directement ou indirectement les PRs à l’horloge cérébrale. L’horloge circadienne de mouches mutantes, à la fois pour le cryptochrome et les 2 récepteurs à l’histamine, est « aveugle » alors que les mutantes pour Cry mais possédant l’un ou l’autre récepteur à l’histamine sont capables de se synchroniser sur les cycles de lumière. La ré-expression chez les mutants de Ort ou Hiscl1 dans les neurones d’horloge ne restaure pas l’entraînement, suggérant ainsi l’absence de connexions directes entre les PRs histaminergiques et les neurones d’horloge. Nos expériences de sauvetage comportemental mettent en évidence des connexions fonctionnelles entre certains interneurones Ort des lobes optiques et les neurones d’horloge. En revanche et de façon inattendue, nous n’observons d’entraînement circadien que lorsque nous ré-exprimons Hiscl1 dans les seuls PRs Rh6. Nos résultats révèlent que les photorécepteurs interviennent dans l’entraînement à la fois comme photorécepteurs et comme interneurones, cibles d’input histaminergique, rappelant ainsi le double rôle des cellules ganglionnaires de la rétine exprimant la mélanopsine chez les mammifères (Alejevski et al. Nat Commun, in revision). / The rotation of the earth forces living organisms to adapt to its cyclic environment, in particular light and temperature changes. From unicellular organisms to humans, almost all species have evolved circadian clocks, which allow them to anticipate day-night transitions and use light as the most powerful synchronizing cue. In light-dark cycles, D. melanogaster flies display a bimodal locomotor activity with peaks around dawn and dusk. To perceive light, Drosophila has evolved a complex visual system, composed of compound eyes, ocelli and Hofbauer-Buchner eyelet. These organs contain photoreceptors (PRs) expressing six different light receptors named rhodopsins (Rh1 to Rh6). In addition, one rhodopsin (Rh7) is found in some of the clock neurons in the brain. Most of the clock cells also express another type of light receptor, Cryptochrome (Cry). Most studies about clock entrainment by light have focused on the Cry-dependent light input, which allows short light pulses to reset the brain clock. The present thesis focuses on the entrainment of the brain clock through rhodopsins. In photoreceptors, rhodopsins capture photons and activate a transduction cascade, where a key player is the phospholipase C (PLC) encoded by norpA. Mutants deficient for Cry and NorpA do not synchronize at low light intensity but still entrain with high light, indicating that an unknown NorpA-independent pathway is also used by the clock. Light induces a depolarization of the PRs, which release histamine as a neurotransmitter, but their role in circadian entrainment is unknown. Which type of rhodopsine-expressing photoreceptors are implicated? After the phototransduction cascade activation and the release of histamine from the photoreceptors, which downstream neurons expressing the histamine-gated chloride channels Ort and Hiscl1 (whose function has been studied in the visual behavior) are involved in the circadian entrainment? The first part of the thesis was to study the function of the 6 PR rhodopsins in circadian entrainment. I first contributed to studying the function of the specific photoreceptors in the NorpA-dependent pathway (Saint-Charles et al. J Comp Neurol 2016). Then, we generated genotypes having either none or only one of the six PR rhodopsins. Mutants with no Cry and none of the 6 PR rhodopsins could not synchronize with light-dark (LD) cycles (low light or high light). In low light, Rh1 and Rh6 were the main light input for entrainment. In high-light, each one of the 6 PR rhodopsins can provide entrainment, with Rh1, Rh5 and Rh6 being the most efficient (Alejevski et al., in prep).The second part of the work was to identify the neuronal pathways that connect the PRs to the brain circadian clock. Flies deficient for Cry and the two histamine receptors are circadianly blind, whereas Cry mutants having either Ort or Hiscl1 are able to entrain. Thus, each one of the two receptors supports circadian entrainment. Rescuing Ort or Hiscl1 in the clock cells could not restore entrainment, indicating that there is no direct histaminergic connection between PRs and clock neurons. Our rescue experiments revealed several pathways in otic lobes that rely on Ort-expressing interneurons to entrain the clock. In contrast and unexpectedly, we observed that the expression of Hiscl1 in PRs but not in interneurons was involved in circadian entrainment. In fact, only Hiscl1 expression in Rh6 PRs mediates entrainment. Our work thus reveals Rh6-expressing PRs as both photoreceptors and histamine-receiving interneurons in the rhodopsin-dependent entrainment pathway, which recalls the role of melanopsin-expressing retinal ganglion cells in the mammalian retina (Alejevski et al. Nat Commun, in revision).

L’optogénétique est une technique prometteuse pour la modulation de l’activité neuronale. Par l’insertion d’une opsine microbienne dans la membrane plasmique de neurones et par son activation photonique, il devient possible de réguler l’activité neuronale avec une grande résolution temporelle et spatiale. Beaucoup de travaux ont été faits pour caractériser et synthétiser de nouvelles opsines. Ainsi, plusieurs variétés d’opsines sont désormais disponibles, chacune présentant des cinétiques et sensibilités à des longueurs d’onde différentes. En effet, il existe des constructions optogénétiques permettant de moduler à la hausse ou à la baisse l’activité neuronale, telles la channelrhodopsine-2 (ChR2) ou la halorhodopsine (NpHR), respectivement. Les promesses de cette technologie incluent le potentiel de stimuler une région restreinte du cerveau, et ce, de façon réversible. Toutefois, peu d’applications en ce sens ont été réalisées, cette technique étant limitée par l’absorption et la diffusion de la lumière dans les tissus. Ce mémoire présente la conception d’une fibre optique illuminant à un angle de 90° à sa sortie, capable de guider la lumière à des structures bien précises dans le système nerveux central. Nous avons conduit des tests in vivo dans le système visuel de souris transgéniques exprimant la ChR2 dans l’ensemble du système nerveux central. Dans le système visuel, les signaux rétiniens sont conduits au corps genouillé latéral (CGL) avant d’être relayés au cortex visuel primaire (V1). Pour valider la capacité de mon montage optogénétique à stimuler spécifiquement une sous-population de neurones, nous avons tiré profit de l’organisation rétinotopique existant dans le système visuel. En stimulant optogénétiquement le CGL et en tournant la fibre optique sur elle-même à l’aide d’un moteur, il devient possible de stimuler séquentiellement différentes portions de cette structure thalamique et conséquemment, différentes représentations du champ visuel. L’activation des projections thalamiques sera enregistrée au niveau de l’aire V1 à l’aide de l’imagerie optique intrinsèque, une technique qui permet d’imager les variations de la concentration d’oxygène et du volume sanguin dans le tissu neuronal, sur une grande surface corticale. Comme l’organisation rétinotopique est maintenue au niveau de l’aire V1, l’espace activé au niveau du cortex révèlera l’étendue spatiale de notre stimulation optogénétique du CGL. Les expériences in vivo démontrèrent qu’en déplaçant la fibre optique dans le CGL, il nous était possible de stimuler différents sous- ensembles de neurones dans cette structure thalamique. En conclusion, cette étude montre notre capacité à développer un système à base de fibre optique capable de stimuler optogénétiquement une population de neurone avec une grande précision spatiale. / Optogentics is a promising technic for neuronal activity modulation. By inserting a microbial opsin in the plasma membrane and by its photonic activation, it is possible to regulate neuronal activity with high temporal and spatial resolution. A lot of work has been done to characterize and synthetize new opsins. Thus, a wide variety of opsins are now available, presenting different kinetics and sensibility to specific wavelengths. Indeed, different opsins can either increase or decrease neuronal activity such as channelrhodopsin-2 (ChR2) or halorhodopsin (NpHR), respectively. This technology has the potential to stimulate a specific region within the brain in a highly reversible manner. However, little work was accomplished in this way, because to limitations due to absorption and scattering of light in biological tissue. This master’s thesis presents the conception of a side-firing optical fiber, capable of guiding light to specific structures within the brain. We conducted in vivo experiments in the visual system of transgenic mice expressing ChR2 in the entire central nervous system. In the visual system, retinal inputs are relayed to the lateral geniculate nucleus (LGN) before reaching the primary visual cortex (V1). To validate the capacity of the designed optogenetic assembly to stimulate specific sub-populations of neurons, we took advantage of the retinotopic organization existing in the visual system. By optogenetically stimulating the LGN and rotating the optical fiber around its axis with a motor, it is possible to sequentially stimulate different portions of this thalamic structure and consequently, different portions of the visual field. Activation of thalamic projections will be recorded in area V1 using intrinsic optical imaging, a technic allowing to image variations of blood oxygenation and blood volume in neuronal tissue over large cortical areas. Activation at the level of the cortex will reveal the spatial extent of the optogenetic stimulation in the LGN as retinotopic organization is maintained in V1 cortical area. In vivo experiments showed that displacing the optical fiber in the LGN allowed stimulation of different neuronal populations within this thalamic structure. In conclusion, this study demonstrates our capacity to develop a fiber-based system capable of optogenetically stimulating neuronal tissue with high spatial precision.

Le tatouage d’images (ou watermarking) consiste à insérer de l’information de copyright, ou d’autres messages de vérification, invisible à l’oeil humain. Parmi toutes les approches possibles, le tatouage psychovisuel est le plus performant. Il consiste à utiliser les connaissances du Système Visuel Humain (SVH) pour en déduire la force du tatouage de manière optimale. Dans cette étude, nous avons proposé une nouvelle méthode de tatouage d'image psychovisuel qui combine les avantages des ondelettes à celle du domaine spatial par l’utilisation d'une représentation en ondelettes à échelle mixée (JNDEM). En considérant la densité des coefficients d'ondelettes dominants, notre système est capable de différencier les zones uniformes, celles incluant des contours, et enfin celles texturées. Nous avons sélectionné les méthodes efficaces de tatouage psychovisuel adaptée à chaque zone, à savoir celle de Chou pour les zones uniformes, de nouveau celle de Chou pour les contours, et finalement celle de Qi pour les textures. Nous avons aussi pris en compte la sensibilité du SVH qui varie avec l’orientation locale de l’image. Nous avons comparé notre JNDEM à quatre autres méthodes de tatouage de la littérature en termes de qualité visuelle et de robustesse. La méthode JNDEM conduit à une grande qualité visuelle mesurée par des tests objectifs et subjectifs. De plus elle est robuste aux attaques. Ce dernier point est d'une grande importance pour les applications réelles. En conclusion, la méthode proposée est le meilleur compromis entre la qualité visuelle et la résistance aux attaques comparée aux quatre autres méthodes testées. / Watermarking consists in inserting copyright information, or other verification messages, invisible to the human eye. Among all the possible approaches, perceptual watermarking is the most efficient. Perceptual image watermarking consists in using knowledge of the Human Visual System (HVS) to choose the strength of the watermark. In this study, we propose a new perceptual image watermarking method (JNDEM ) that combines the advantages of both the wavelet domain and the spatial domain since a mixed-scale wavelet representation is applied. By considering the density of the dominant wavelet coefficients, our scheme is able to differentiate uniform, edge and texture areas. We selected effective Just Noticeable Difference (JND) models from the literature, i.e. luminance and edge masking developed by Chou, and texture masking developed by Qi. We also took into account the HVS sensitivity which varies with the orientation of the image activity. We have compared our JNDEM to four other JND models from the literature in terms of visual quality and of robustness to attacks. Results show that the proposed method yields a high visual quality and is very robust against attacks. This last point is of great importance for real applications. In conclusion, the proposed method is the best trade-off between visual quality and resistance to attacks among the four other tested methods.

Comprendre le comportement du système visuel rétino-thalamo-cortico-colliculaire (i.e. précoce) dans une situation d'images naturelles est d'une importance capitale pour comprendre ce qui se passe ensuite dans le cerveau. Pour comprendre ces comportements, les neurobiologistes ont étudié les voies standard, Parvocellulaires et Magnocellulaires, depuis des décennies. Cependant, il y a aussi la voie non-standard, ou Koniocellulaire, qui joue un rôle modulateur important dans les traitements local, global, et entremêlé, pour atteindre de tels comportements. Particulièrement, l'analyse standard du mouvement réalisée par la voie Magno est alternée avec des réactions rapides, comme la fuite ou l'approche à des mouvements spécifiques, qui sont pré-câblés dans la voie Konio. De plus, l'étude d'une tâche de fixation dans une situation réelle, par exemple quand un prédateur s'approche lentement de sa proie, implique non seulement un mécanisme de mouvement, mais nécessite également l'utilisation de la voie Parvo, qui analyse, au moins, le contraste de l'image. Ici, nous étudions dans un modèle neuronal de calcul bio-inspiré comment ces voies peuvent être modélisées avec un ensemble minimal de paramètres, afin de fournir des résultats numériques robustes lors d'une tâche réelle. Ce modèle repose sur une étude approfondie pour intégrer des éléments biologiques dans l'architecture des circuits, les constantes de temps et les caractéristiques de fonctionnement des neurones. Nos résultats montrent que notre modèle, bien que fonctionnant via des calculs locaux, montre globalement un bon comportement de réseau en termes d'espace et de temps, et permet d'analyser et de proposer des interprétations de l'interaction entre le thalamus et le cortex. À une échelle plus macroscopique, les comportements du modèle sont reproductibles et peuvent être qualitativement comparés à des mesures de fixation oculaire chez l'homme. Cela est également vrai lorsque l'on utilise des images naturelles, où quelques paramètres sont légèrement modifiés, en gardant des résultats qualitativement humains. Les résultats de robustesse montrent que les valeurs précises des paramètres ne sont pas critiques, mais leur ordre de grandeur l'est. Une instabilité numérique ne se produit qu'après une variation de 100% d'un paramètre. Nous pouvons donc conclure que cette approche systémique est capable de représenter les changements de l'attention en utilisant des images naturelles, tout en étant algorithmiquement robuste. Cette étude nous donne ainsi une interprétation possible sur le rôle de la voie Konio, tandis qu'en même temps elle nous permet de participer au débat sur les low et high-roads des flux attentionnel et émotionnel. Néanmoins, d'autres informations, comme la couleur, sont également présentes dans le système visuel précoce, et pourraient être prises en considération, ainsi que des mécanismes corticaux plus complexes, dans les perspectives de ce travail / Understanding the behavior of the retino-thalamo-cortico-collicular (i.e. early) visual system in a natural images situation is of utmost importance to understand what further happens in the brain. To understand these behaviors, neuroscientists have looked at the standard Parvocellular and Magnocellular pathways for decades. However, there is also the non-standard Koniocellular pathway, which plays an important modulating role in the local, global, and intermingled processing carried out to achieve such behaviors. Particularly, the standard motion analysis carried out by the Magno pathway is alternated with rapid reactions, like fleeing or approaching to specific motions, which are hard-wired in the Konio pathway. In addition, studying a fixation task in a real situation, e.g., when a predator slowly approaches its prey, not only involves a motion mechanism, but also requires the use of the Parvo pathway, analyzing, at least, the image contrast. Here, we study in a bio-inspired computational neural model how these pathways can be modeled with a minimal set of parameters, in order to provide robust numerical results when doing a real task. This model is based upon an important study to integrate biological elements about the architecture of the circuits, the time constants and the operating characteristics of the different neurons. Our results show that our model, despite operating via local computations, globally shows a good network behavior in terms of space and time, and allows to analyze and propose interpretations to the interplay between thalamus and cortex. At a more macroscopic scale, the behaviors emerging from the model are reproducible and can be qualitatively compared to human-made fixation measurements. This is also true when using natural images, where just a few parameters are slightly modified, keeping the qualitatively human-like results. Robustness results show that the precise values of the parameters are not critical, but their order of magnitude matters. Numerical instability occurs only after a 100% variation of a parameter. We thus can conclude that such a reduced systemic approach is able to represent attentional shifts using natural images, while also being algorithmically robust. This study gives us as well a possible interpretation about the role of the Konio pathway, while at the same time allowing us to participate in the debate between low and high-roads in the attentional and emotional streams. Nevertheless, other information, such as color, is also present in the early visual system, and should be addressed together with more complex cortical mechanisms in a sequel of this work

L’horloge circadienne permet de régler avec précision les anticipations physiologiques et comportementales face à un environnement perpétuellement oscillant entre jour et nuit. Cette capacité endogène n’est utile que si les processus biologiques restent synchronisés sur le temps solaire. La lumière représente le stimulus le plus efficace pour informer l’horloge des cycles environnementaux.
Chez la drosophile (Drosophila melanogaster) la synchronisation des rythmes veille/sommeil par la lumière est assurée par la molécule photosensible CRYPTOCHROME et par le système visuel. Alors que le cryptochrome agit dans les neurones d'horloges, le système visuel renseigne ces derniers par des voies qui restent à découvrir. La drosophile possède trois organes photorécepteurs, l'oeil composé, les ocelles et l'eyelet de Hofbauer-Buchner, qui expriment chacun une ou plusieurs rhodopsines. La cascade de phototransduction activée par la lumière dépend de la phospholipase C-ß NORPA et conduit à une libération d’histamine.
Dans notre étude, nous avons tenté de caractériser la contribution de chaque rhodopsine dans l’entraînement circadien, mais également de déterminer leur contribution norpA-dépendante en condition de faible lumière.
L’analyse de mutants a montré que les 6 rhodopsines du système visuel constituaient les seules molécules photosensibles capables d’informer l’horloge et que la RH2 et la RH5 seules étaient capables d’entraîner l’horloge en fonction des conditions expérimentales. Nous avons également pu mettre en évidence le fait que les RH1, RH3, RH4 et RH6 utilisaient une voie NORPA-dépendante pour informer l’horloge, alors que la RH2 ne semblait pas le faire. Des doutes subsistent quant à l’existence d’une voie NORPA- dépendante de la RH5 pour informer l’horloge. Nous avons également caractérisé la contribution des récepteurs à l’histamine ORT et HISCL1 dans les processus circadiens: en l'absence de cryptochrome, chacun des deux récepteurs suffit à synchroniser l'horloge et la perte des deux rend les mouches circadiennement aveugles De plus, nous avons constaté que la connexion des photorécepteurs à l’horloge ne se faisait pas directement mais par l’intermédiaire de voies glutamatergiques ou cholinergiques. L’ensemble de ce travail a permis de faire une 1er ébauche des circuits nécessaires à la transmission de l’information lumineuse à l’horloge cérébrale et d’identifier les opsines ainsi que les interneurones impliqués. / The circadian clock allowed physiologic and behavioural anticipation against the day/night oscillation. Light is the most powerful clue for living organism. In the fly Drosophila melanogaster, the rest-activity is synchronized by light and pass through the cryptochrome and the visual system. CRYPTOCHROME act directly in the clock neurons to inform the clock but little is known about the visual system. Drosophila posses tree structures: the ocelli, the compound eye and the eyelet of Hofbauer-Buchner, each structure expressed one or multiple rhodopsins. The phototransduction cascade is activated by light and depend one a phospholipase C-ß NORPA, this lead to histamine realised. Study of mutants show that the 6 rhodopsines represent the only photo-sensible molecule for the clock and the RH2 and the RH5 alone could entrain the clock. We have also find that the RH1, RH3, RH4 and RH6 use a NORPA-dependant way to inform the clock whereas the RH2 does not. Some doubt is still present regarding the RH5 NORPA-dependant way. We have determined that the two-histamines receptor ORT and HISCL1 are involved in the circadian process. Besides, we have shown that there is no direct connexion between the clock and the photoreceptors but the information is relay on a glutamatergique and a cholinegique pathway. This thesis draws the circuit by which the light informed the clock and identified the opsines and the interneurons involved.

Nous avons étudié, chez l'homme, les bases neurales de la perception du relief à partir du mouvement visuel, en utilisant l'Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf). Au cours de ce travail, l'élaboration et l'analyse des protocoles expérimentaux en imagerie sont apparues comme des problèmes à part entière, très liés aux questions neurophysiologiques posées par l'expérimentateur. Dans ce document, nous introduisons la notion de cartographie fonctionnelle afin de mettre en évidence le rôle de l'imagerie fonctionnelle en neurosciences. Nous détaillons ensuite le contexte théorique et expérimental de la perception visuelle du mouvement et des formes. En ce qui concerne les méthodes, nous présentons brièvement la technique d'IRMf. Nous expliquons également les principes du dessin de protocole en imagerie, notamment des protocoles dits événementiels, et nous exposons les méthodes d'analyse du signal IRMf utilisées. Nous décrivons enfin plusieurs expériences: l'une d'elles a été réalisée spécifiquement pour la mise en oeuvre de l'approche événementielle en IRMf; les autres sont des applications dédiées à l'étude du système visuel, présentées dans une perspective méthodologique. Trois séries d'expériences ont été réalisées pour explorer la perception des formes 3D à partir du mouvement. Les deux premières ont été effectuées en vision passive, en présentant aux sujets plusieurs stimuli de mouvement visuel, contenant ou non une information 3D. La troisième fait intervenir une tâche dirigeant l'attention des sujets vers diverses caractéristiques d'une surface 3D en mouvement. La richesse des thèmes abordés au cours de ce travail nous a notamment permis de nous interroger sur la notion de hiérarchie de traitement visuel, la ségrégation des voies dorsale et ventrale et l'influence de l'attention sur l'activité corticale.

Cette étude traite de l'évaluation locale des distorsions perceptuelles, de l'évaluation globale de la qualité visuelle, et de l'influence de l'attention visuelle en évaluation de qualité. Afin d'évaluer localement les distorsions dans les images, nous avons simplifié un modèle existant du système visuel humain en utilisant la transformée en ondelettes et nous avons proposé une meilleure modélisation des effets de masquage par la prise en compte du masquage semi-local. A partir de ces modèles, nous avons conçu et validé des métriques de qualité d'images. Pour les vidéos, nous avons conçu une méthode d'évaluation locale des distorsions temporelles reposant sur un cumul temporel court terme des distorsions spatiales. Celui-ci simule l'évaluation des distorsions via des mécanismes de sélection de l'attention visuelle. Une métrique de qualité s'appuyant sur cette méthode a été conçue et validée. Celle-ci est basée sur un cumul temporel long terme incorporant un comportement asymétrique et un effet de saturation perceptuelle. L'influence de l'attention visuelle sur l'évaluation de la qualité a été analysée à partir des données issues de tests oculométriques réalisés sur des images et sur des vidéos, en exploration libre et en tâche de qualité. Les résultats ont confirmé, entre autres, l'influence de la tâche de qualité sur le déploiement de l'attention visuelle. L'impact de l'attention visuelle sur l'évaluation objective de la qualité a également été étudié en utilisant l'information de saillance réelle. Nous avons montré qu'une simple pondération linéaire des distorsions par l'attention visuelle ne permettait pas d'améliorer clairement les performances des métriques de qualité.

L'identification du codage neuronal dans le thalamus et le cortex cérébral, et en particulier dans l'aire visuelle primaire, se heurte à la complexité du réseau neuronal qui repose sur une diversité étonnante des neurones, sur les plans morphologique, biochimique et électrique, et de leurs connexions synaptiques. À cela s'ajoute une importante diversité des propriétés fonctionnelles de ces neurones reflétant en grande partie la forte récurrence des connexions synaptiques au sein des réseaux corticaux ainsi que la boucle cortico-thalamo-corticale. En d'autres termes, le calcul global effectué dans le réseau thalamo-cortical influence, via des milliers de connexions synaptiques excitatrices et inhibitrices, la spécificité de la réponse de chaque neurone. Dans une première partie, nous avons développé un modèle de bombardement synaptique contextuel reproduisant la dynamique de milliers de synapses excitatrices et inhibitrices convergeant vers un neurone cortical avec l'avantage de pouvoir paramétrer le niveau de synchronisation des synapses afférentes. Nous montrons que le niveau de synchronisation synaptique est relié au taux de corrélation de l'activité neuronale sous-liminaire dans le cortex visuel du chat, avec d'une part un régime où le codage neuronal est très redondant pour des stimulations artificielles classiquement utilisées du type réseau de luminance sinusoïdale, et d'autre part un régime où le codage neuronal est beaucoup plus riche présentant moins de corrélation neuronale pour des stimulations naturelles. Ces résultats indiquent que le taux de corrélation de l'activité neuronale sous-liminaire est un indicateur fonctionnel du régime de codage dans lequel est engagé le cortex cérébral. Dans une seconde partie, nous avons étendu l'exploration du codage neuronal au thalamus, passerelle principale qui transmet les informations sensorielles en provenance de la périphérie vers le cortex cérébral. Le thalamus reçoit un fort retour cortico-thalamique qui résulte du calcul global effectué par les aires corticales. Nous avons étudié son influence en modélisant une voie retino-thalamo-corticale mixant neurones artificiels et neurones biologiques in vitro dans laquelle un bombardement synaptique d'origine corticale est mimé via l'injection de conductances stochastiques excitatrices et inhibitrices en clamp dynamique. Cette approche confère l'avantage de pouvoir contrôller individuellement chacun des neurones thalamiques dans la voie artificielle. Nous montrons qu'un processus de facilitation stochastique à l'échelle de la population s'adjoint au gain cellulaire classique pour contrôler le transfert de l'information sensorielle de la rétine au cortex visuel primaire. Ce processus de facilitation stochastique, qui n'aurait pas pu être discerné à l'échelle de la cellule individuelle, est gouverné par le taux de corrélation inter-neuronale de l'activité neuronale dans le thalamus. À l'inverse des conceptions classiques, -un fort taux de décorrélation- optimise le transfert sensoriel de la rétine au cortex en favorisant la synchronisation des afférences synaptiques. Nous suggérons qu'une décorrélation induite par les aires corticales pourrait augmenter l'efficacité du transfert pour certaines assemblées cellulaires dans le thalamus, constituant ainsi un mécanisme attentionnel à l'échelle des circuits thalamo-corticaux. En parallèle, nous avons développé une méthode d'extraction des fluctuations des conductances synaptiques des neurones à partir d'enregistrements intracellulaires unitaires. Cette méthode devrait permettre de raffiner nos connaissances sur la nature des contextes synaptiques dans lesquels sont immergés les neurones avec des retombées potentielles sur le développement de nouveaux modèles de bombardements synaptiques. En conclusion, nos travaux confirment l'hypothèse d'un codage neuronal basé sur la synchronisation synaptique conditionnée par le niveau de corrélation de l'activité neuronale. Nos travaux sont cohérents avec de nombreuses études sur les processus attentionnels et suggèrent que des mécanismes de corrélation et décorrélation actives, ainsi que des activités oscillatoires, pourraient réguler le transfert de l'information entre les organes sensoriels et les aires corticales.

Durant le développement du système visuel, les cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) envoient des axones qui seront influencés par divers signaux guidant leur cône de croissance, permettant ainsi la navigation des axones vers leurs cibles terminales. Les endocannabinoïdes, des dérivés lipidiques activant les récepteurs aux cannabinoides (CB1 et CB2), sont présents de manière importante au cours du développement. Nous avons démontré que le récepteur CB2 est exprimé à différents points du tractus visuel durant le développement du hamster. L’injection d’agonistes et d’agonistes inverses pour le récepteur CB2 a modifié l’aire du cône de croissance et le nombre de filopodes présents à sa surface. De plus, l’injection d’un gradient d’agoniste du récepteur CB2 produit la répulsion du cône de croissance tandis qu’un analogue de l’AMPc (db-AMPc) produit son attraction. Les effets du récepteur CB2 sur le cône de croissance sont produits en modulant l’activité de la protéine kinase A(PKA), influençant la présence à la membrane cellulaire d’un récepteur à la nétrine-1 nommé Deleted in Colorectal Cancer (DCC). Notamment, pour que le récepteur CB2 puisse moduler le guidage du cône de croissance, la présence fonctionnelle du récepteur DCC est essentielle.. Suite à une injection intra-occulaire d’un agoniste inverse du récepteur CB2, nous avons remarqué une augmentation de la longueur des branches collatérales des axones rétiniens au niveau du LTN (noyau lateral terminal). Nous avons également remarqué une diminution de la ségrégation des projections ganglionnaires au niveau du dLGN, le noyau genouillé lateral dorsal, chez les animaux transgéniques cnr2-/-, ayant le gène codant pour le récepteur CB2 inactif. Nos données suggèrent l’implication des endocannabinoïdes et de leur récepteur CB2 dans la modulation des processus de navigation axonale et de ségrégation lors du développement du système visuel. / Retinal projection navigation towards their visual targets is regulated by guidance molecules and growth cone transduction mechanisms. Here, we show that cannabinoid receptor 2 (CB2R) is widely expressed throughout the visual pathway during development and in cultured retinal ganglion cells (RGCs) and cortical neurons. Both the number of filopodia and the surface area of the growth cone (GC) are modulated by CB2R activity in a PKA-dependant manner. Furthermore, DCC is required for CB2R induced morphological changes of the GC. CB2R agonists induce GC chemorepulsion. Treatments altering CB2R activity change retinal explants projections length. These effects are specific to CB2R as no changes were observed in cnr2 knockout mouse. A single intraocular injection of AM630 increases retinal projection branch length and aberrant projections were also observed. Moreover, we report defect in eye-specific segregation of retinal projections in the dLGN in cnr2-/- mice. These findings highlight the modulatory role of endocannabinoids and their CB2R during axon guidance.