The objective of this thesis was to test the idea that medial thalamic nuclei are part of a "memory circuit" in the brain. Rats received lesions of the anterior (ANT) or medial dorsal (MD) thalamic nuclei and were tested on two spatial tasks, a nonspatial configural task, and spontaneous and amphetamine-induced acitivity. The thalamic rats were impaired on the spatial and conifural tasks, ans some of the thalamic groups were slightly hyperactive after administration of amphertamine. The deficits were not large and could not be unequivocally attributed to the ANT or MD damage. The results question the role of the ANT or MD in the behaviors studied. It is suggested that the deficits obtained after thalamic damage may be nonspecific and it is concluded that the results do not support the notion that thalamic structures have a primary role in memory. / xi, 187 leaves : ill., plates ; 29 cm.

Conventional theories of diencephalic amnesia have focused on a single thalamic region as a critical factor in the origins of anterograde amnesia. A more contemporary view is that different thalamic regions might contribute in unique ways to normal diencephalic functioning and therefore provide distinct contributions to the learning and memory. This study directly compared the effects of AT and MT lesions on a spatial pattern separation task, a spatial working memory task and a conditioned place preference task. AT lesions but not MT lesions produces deficits on the spatial working memory task on a cheeseboard. No group AT, MT or control rats acquired a conditioned place preference on the AT/MT lesion conditioned place preference task. Furthermore, this study determined the effect of systematic procedural variations on control rats in a conditioned place preference control task. The only variation that acquired a condition place preference was a separate arms conditioned place preference with one pre-exposure and three training trials. The results of this study provide new information regarding the role of thalamic lesions in spatial memory and suggests a revision of the current theories regarding learning and memory to incorporate the thalamic involvement that has been highlighted

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. 66-83. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2007. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 158-196).

The medial geniculate body (MGB) is the thalamic nucleus situated between the inferior colliculus (IC) and auditory cortex (AC) in the ascending auditory pathway. It has classically been thought of as a relay station for auditory stimuli; however, we now know that is capable of significantly influencing incoming auditory information. As aging occurs, there is a loss of auditory signal fidelity as well as a disruption in the accurate coding of acoustic information. In order to compensate for the age-related loss of auditory signal quality, additional cortical resources play a role in knowledge-based optimization of input. This top-down processing is mediated in part by cholinergic systems, which direct attention to relevant incoming sensory information. The primary cholinergic input to the MGB is a large cholinergic projection from the pontomesencephalic tegmentum. The PMT is a brainstem structure composed of the pedunculopontine nucleus and laterodorsal tegmental nuclei. These structures provide acetylcholine (ACh) to the auditory thalamus and midbrain thereby playing a role in sustaining attention, sensory gating, and arousal. Acetylcholine may then act at pre- and postsynaptic receptors at the level of MGB and function to assign salience to auditory stimuli. The central goal of these studies is to examine the location of nAChRs in the local MGB circuitry, their subunit composition, physiology, and how these properties are impacted with age. We have found that ACh produces significant excitatory postsynaptic actions on young MGB neurons, likely mediated by β2-containing heteromeric nAChRs. Use of the β2-selective nAChR antagonist, dihydro-β-erythroidine, suggests that loss of cholinergic efficacy may also be due to an age-related subunit switch from high affinity β2-containing nAChRs to low affinity β4-containing nAChRs, in addition to a loss of total nAChR number. This age-related nAChR dysfunction may partially underpin the attentional deficits which contribute to the loss of speech understanding in the elderly. Activation of presynaptic nAChRs potentiated responses evoked by stimulation of excitatory corticothalamic terminals and inhibitory tectothalamic terminals. Conversely, application of ACh appeared to have no consistent effects on paired-pulse responses evoked from stimulation of excitatory tectothalamic terminals and inhibitory projections from the thalamic reticular nucleus. Responses to nAChR activation at excitatory corticothalamic and inhibitory tectothalamic inputs were attenuated by aging. The present findings suggest that the increased output from the cholinergic pedunculopontine neurons onto MGB neurons following presentation of difficult to identify stimuli or arousal increases the strength of tectothalamic inhibitory projections likely improving signal-to-noise ratio and enhancing signal detection, while increasing gain on corticothalamic excitatory signals facilitating top-down identification of the unknown stimulus. Thus, cholinergic inputs to MGB are positioned to maximize sensory processing by dynamically adjusting both top-down and bottom-up mechanisms in conditions of attention/arousal.

In the visual system, retinal axons convey visual information from the outside world to dozens of distinct retinorecipient brain regions. In rodents, two major areas that are densely innervated by this retinal input are the dorsal lateral geniculate nucleus (dLGN) and ventral lateral geniculate nucleus (vLGN), both of which reside in the thalamus. The dLGN is well-studied and known to be important for classical image‐forming vision. The vLGN, on the other hand, is associated with non‐image‐forming vision and its neurochemistry, cytoarchitecture, and retinothalamic connectivity all remain unresolved, raising fundamental questions of its role within the visual system. Here, we sought to shed light on these important questions by studying the cellular and extracellular landscape of the vLGN and map its connectivity with the retina. Using bulk RNA sequencing and proteomics, we identified extracellular matrix proteins that form two molecularly distinct types of perineuronal nets in two major laminae of vLGN: the retinorecipient external vLGN (vLGNe) and the non‐retinorecipient internal vLGN. Using in situ hybridization, immunohistochemistry, electrophysiology, and genetic reporter lines, we found that vLGNe and vLGNi are also composed of diverse subtypes of neurons. In vLGNe, we discovered at least six transcriptionally distinct subtypes of inhibitory neurons that are distributed into distinct adjacent sublaminae. Using trans‐synaptic viral tracing and ex vivo electrophysiology, we found that cells in each these sublaminae receive direct inputs from retina. Lastly, by genetically removing visual input, we found that the organization of these sublaminae is dramatically disrupted, suggesting a crucial role for sensory input in the cytoarchitectural maintenance of the vLGN. Taken together, these results not only identify novel subtypes of vLGN cells, but they also point to new means of organizing visual information into parallel pathways – by anatomically creating distinct sensory channels. This subtype-specific organization may be key to understanding how the vLGN receives, processes, and transmits light‐derived signals in the subcortical visual system. / Doctor of Philosophy / As you look around, even as you read this abstract, your retinas are constantly taking in light, converting it into neural signals, and parsing it into different types of visual features. Those light-derived signals are then transmitted from the eye to dozens of brain areas through the optic nerve. Each of these brain areas is important for specialized visual functions. One of the most major visual areas is a region in the thalamus known as the ventral lateral geniculate nucleus (vLGN). Unlike the type of vision we typically think of which involves "seeing" an image, the vLGN primarily receives non-image-forming visual information from the eye which is important for a whole host of light-derived behaviors that do not involve image forming vision. These non-image-forming functions can impact things ranging from jet lag to eye movement to mood disorders and depression. Yet, despite the dense amount of visual information it receives, and the connections it has with many other brain regions, the vLGN has been largely understudied over the years, leaving many fundamental questions unanswered. Here, we unmasked the molecular and cellular landscape of the vLGN and discovered a rich and diverse set of neuronal cell types in this region. Further, by simultaneously labeling these neuronal types, we found that they stratify into their own layers, revealing a striking level of organization which suggests that the vLGN organizes visual information into parallel channels. These discoveries are important because understanding the composition and structure of the vLGN paves the way to understanding how it receives, processes, and transmits sensory signals in the visual system.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Le sommeil est connu pour réguler plusieurs fonctions importantes pour le cerveau et parmi celles-ci, il y a le blocage de l’information sensorielle par le thalamus et l’amélioration de la consolidation de la mémoire. Le sommeil à ondes lentes, en particulier, est considéré être critique pour ces deux processus. Cependant, leurs mécanismes physiologiques sont inconnus. Aussi, la marque électrophysiologique distinctive du sommeil à ondes lentes est la présence d’ondes lentes de grande amplitude dans le potentiel de champ cortical et l’alternance entre des périodes d’activités synaptiques intenses pendant lesquelles les neurones corticaux sont dépolarisés et déchargent plusieurs potentiels d’action et des périodes silencieuses pendant lesquelles aucune décharge ne survient, les neurones corticaux sont hyperpolarisés et très peu d’activités synaptiques sont observées. Tout d'abord, afin de mieux comprendre les études présentées dans ce manuscrit, une introduction générale couvrant l'architecture du système thalamocortical et ses fonctions est présentée. Celle-ci comprend une description des états de vigilance, suivie d'une description des rythmes présents dans le système thalamocortical au cours du sommeil à ondes lentes, puis par une description des différents mécanismes de plasticité synaptique, et enfin, deux hypothèses sur la façon dont le sommeil peut affecter la consolidation de la mémoire sont présentées. Puis, trois études sont présentées et ont été conçues pour caractériser les propriétés de l'oscillation lente du sommeil à ondes lentes. Dans la première étude (chapitre II), nous avons montré que les périodes d'activité (et de silence) se produisent de façon presque synchrone dans des neurones qui ont jusqu'à 12 mm de distance. Nous avons montré que l'activité était initiée en un point focal et se propageait rapidement à des sites corticaux voisins. Étonnamment, le déclenchement des états silencieux était encore plus synchronisé que le déclenchement des états actifs. L'hypothèse de travail pour la deuxième étude (chapitre III) était que les états actifs sont générés par une sommation de relâches spontanées de médiateurs. Utilisant différents enregistrements à la fois chez des animaux anesthésiés et chez d’autres non-anesthésiés, nous avons montré qu’aucune décharge neuronale ne se produit dans le néocortex pendant les états silencieux du sommeil à ondes lentes, mais certaines activités synaptiques peuvent ii être observées avant le début des états actifs, ce qui était en accord avec notre hypothèse. Nous avons également montré que les neurones de la couche V étaient les premiers à entrer dans l’état actif pour la majorité des cycles, mais ce serait ainsi uniquement pour des raisons probabilistes; ces cellules étant équipées du plus grand nombre de contacts synaptiques parmi les neurones corticaux. Nous avons également montré que le sommeil à ondes lentes et l’anesthésie à la kétamine-xylazine présentent de nombreuses similitudes. Ayant utilisé une combinaison d'enregistrements chez des animaux anesthésiés à la kétamine-xylazine et chez des animaux non-anesthésiés, et parce que l'anesthésie à la kétamine-xylazine est largement utilisée comme un modèle de sommeil à ondes lentes, nous avons effectué des mesures quantitatives des différences entre les deux groupes d'enregistrements (chapitre IV). Nous avons trouvé que l'oscillation lente était beaucoup plus rythmique sous anesthésie et elle était aussi plus cohérente entre des sites d’enregistrements distants en comparaison aux enregistrements de sommeil naturel. Sous anesthésie, les ondes lentes avaient également une amplitude plus grande et une durée plus longue par rapport au sommeil à ondes lentes. Toutefois, les ondes fuseaux (spindles) et gamma étaient également affectées par l'anesthésie. Dans l'étude suivante (Chapitre V), nous avons investigué le rôle du sommeil à ondes lentes dans la formation de la plasticité à long terme dans le système thalamocortical. À l’aide de stimulations pré-thalamiques de la voie somatosensorielle ascendante (fibres du lemnisque médial) chez des animaux non-anesthésiés, nous avons montré que le potentiel évoqué enregistré dans le cortex somatosensoriel était augmenté dans une période d’éveil suivant un épisode de sommeil à ondes lentes par rapport à l’épisode d’éveil précédent et cette augmentation était de longue durée. Nous avons également montré que le sommeil paradoxal ne jouait pas un rôle important dans cette augmentation d'amplitude des réponses évoquées. À l’aide d'enregistrements in vitro en mode cellule-entière, nous avons caractérisé le mécanisme derrière cette augmentation et ce mécanisme est compatible avec la forme classique de potentiation à long terme, car il nécessitait une activation à la fois les récepteurs NMDA et des récepteurs AMPA, ainsi que la présence de calcium dans le neurone post-synaptique. iii La dernière étude incluse dans cette thèse (chapitre VI) a été conçue pour caractériser un possible mécanisme physiologique de blocage sensoriel thalamique survenant pendant le sommeil. Les ondes fuseaux sont caractérisées par la présence de potentiels d’action calcique à seuil bas et le calcium joue un rôle essentiel dans la transmission synaptique. En utilisant plusieurs techniques expérimentales, nous avons vérifié l'hypothèse que ces potentiels d’action calciques pourraient causer un appauvrissement local de calcium dans l'espace extracellulaire ce qui affecterait la transmission synaptique. Nous avons montré que les canaux calciques responsables des potentiels d’action calciques étaient localisés aux synapses et que, de fait, une diminution locale de la concentration extracellulaire de calcium se produit au cours d’un potentiel d’action calcique à seuil bas spontané ou provoqué, ce qui était suffisant pour nuire à la transmission synaptique. Nous concluons que l'oscillation lente est initiée en un point focal et se propage ensuite aux aires corticales voisines de façon presque synchrone, même pour des cellules séparées par jusqu'à 12 mm de distance. Les états actifs de cette oscillation proviennent d’une sommation de relâches spontanées de neuromédiateurs (indépendantes des potentiels d’action) et cette sommation peut survenir dans tous neurones corticaux. Cependant, l’état actif est généré plus souvent dans les neurones pyramidaux de couche V simplement pour des raisons probabilistes. Les deux types d’expériences (kétamine-xylazine et sommeil à ondes lentes) ont montré plusieurs propriétés similaires, mais aussi quelques différences quantitatives. Nous concluons également que l'oscillation lente joue un rôle essentiel dans l'induction de plasticité à long terme qui contribue très probablement à la consolidation de la mémoire. Les ondes fuseaux, un autre type d’ondes présentes pendant le sommeil à ondes lentes, contribuent au blocage thalamique de l'information sensorielle. / Sleep is known to mediate several major functions in the brain and among them are the gating of sensory information during sleep and the sleep-related improvement in memory consolidation. Slow-wave sleep in particular is thought to be critical for both of these processes. However, their physiological mechanisms are unknown. Also, the electrophysiological hallmark of slow-wave sleep is the presence of large amplitude slow waves in the cortical local field potential and the alternation of periods of intense synaptic activity in which cortical neurons are depolarized and fire action potentials and periods of silence in which no firing occurs, cortical neurons are hyperpolarized, and very little synaptic activities are observed. First, in order to better understand the studies presented in this manuscript, a general introduction covering the thalamocortical system architecture and function is presented, which includes a description of the states of vigilance, followed by a description of the rhythms present in the thalamocortical system during slow-wave sleep, then by a description of the mechanisms of synaptic plasticity, and finally two hypotheses about how sleep might affect the consolidation of memory are presented. Then, three studies are presented and were designed to characterize the properties of the sleep slow oscillation. In the first study (Chapter II), we showed that periods of activity (and silence) occur almost synchronously in neurons that are separated by up to 12 mm. The activity was initiated in a focal point and rapidly propagated to neighboring sites. Surprisingly, the onsets of silent states were even more synchronous than onsets of active states. The working hypothesis for the second study (Chapter III) was that active states are generated by a summation of spontaneous mediator releases. Using different recordings in both anesthetized and non-anesthetized animals, we showed that no neuronal firing occurs in the neocortex during silent states of slow-wave sleep but some synaptic activities might be observed prior to the onset of active states, which was in agreement with our hypothesis. We also showed that layer V neurons were leading the onset of active states in most of the cycles but this would be due to probabilistic reasons; these cells being equipped with the most numerous synaptic contacts among cortical neurons. We also showed that slow-wave sleep and ketamine-xylazine shares many similarities. v Having used a combination of recordings in ketamine-xylazine anesthetized and non-anesthetized animals, and because ketamine-xylazine anesthesia is extensively used as a model of slow-wave sleep, we made quantitative measurements of the differences between the two groups of recordings (Chapter IV). We found that the slow oscillation was much more rhythmic under anesthesia and it was also more coherent between distant sites as compared to recordings during slow-wave sleep. Under anesthesia, slow waves were also of larger amplitude and had a longer duration as compared to slow-wave sleep. However, spindles and gamma were also affected by the anesthesia. In the following study (Chapter V), we investigated the role of slow-wave sleep in the formation of long-term plasticity in the thalamocortical system. Using pre-thalamic stimulations of the ascending somatosensory pathway (medial lemniscus fibers) in non-anesthetized animals, we showed that evoked potential recorded in the somatosensory cortex were enhanced in a wake period following a slow-wave sleep episode as compared to the previous wake episode and this enhancement was long-lasting. We also showed that rapid eye movement sleep did not play a significant role in this enhancement of response amplitude. Using whole-cell recordings in vitro, we characterized the mechanism behind this enhancement and it was compatible with the classical form of long-term potentiation, because it required an activation of both NMDA and AMPA receptors as well as the presence of calcium in the postsynaptic neuron. The last study included in this thesis (Chapter VI) was designed to characterise a possible physiological mechanism of thalamic sensory gating occurring during sleep. Spindles are characterized by the presence of low-threshold calcium spikes and calcium plays a critical role in the synaptic transmission. Using several experimental techniques, we verified the hypothesis that these calcium spikes would cause a local depletion of calcium in the extracellular space which would impair synaptic transmission. We showed that calcium channels responsible for calcium spikes were co-localized with synapses and that indeed, local extracellular calcium depletion occurred during spontaneous or induced low-threshold calcium spike, which was sufficient to impair synaptic transmission. We conclude that slow oscillation originate at a focal point and then propagate to neighboring cortical areas being almost synchronous even in cells located up to 12 mm vi apart. Active states of this oscillation originate from a summation of spike-independent mediator releases that might occur in any cortical neurons, but happens more often in layer V pyramidal neurons simply due to probabilistic reasons. Both experiments in ketamine-xylazine anesthesia and non-anesthetized animals showed several similar properties, but also some quantitative differences. We also conclude that slow oscillation plays a critical role in the induction of long-term plasticity, which very likely contributes to memory consolidation. Spindles, another oscillation present in slow-wave sleep, contribute to the thalamic gating of information.

Le présent mémoire corrobore l'hypothèse selon laquelle l'hippocampe, le cortex préfrontal et le noyau reuniens du thalamus constituent un réseau fonctionnel dans lequel le noyau reuniens servirait d'interfacé entre l'hippocampe et le cortex pré frontal. Bien que la voie hippocampo-corticale de ce réseau ait été abondamment étudiée, cela n'est pas le cas pour la voie reuniens-préfrontale. Nous décrivons ici, pour la première fois, la réponse de neurones du cortex préfrontal médian aux stimulations du noyau reuniens. Chez des chats sous anesthésie (kétamine-xylazine), nous avons effectué simulatanément 1) des enregistrements intra- et extracellulaires dans le cortex préfrontal médian et 2) des stimulations du noyau reuniens ou de l'hippocampe à l'aide d'électrodes bipolaires. Nous avons ainsi démontré que la réponse de neurones du cortex préfrontal médian aux stimulations du noyau reuniens est distincte des réponses évoquées par des stimulations hippocampiques, que la voie reuniens-préfrontale est sujette à la plasticité à court terme et qu'une région restreinte du cortex préfrontal médian sert de relai à la voie hippocampo-cortico-thalamique.

Seit den Anfängen empirisch-neurowissenschaftlicher Forschung gilt Sprachkompetenz zuvorderst als eine Leistung der Hirnrinde (Kortex), jedoch wurden v. a. im Zuge sich verbessernder bildgebender Verfahren aphasische Syndrome auch nach Läsionen subkortikaler Hirnregionen, insbesondere der Basalganglien und des Thalamus nachgewiesen. Diese Strukturen liegen in der Tiefe des Gehirns und kommunizieren über weit gefächerte Faserverbindungen mit dem Kortex. In erster Linie werden den Basalganglien senso-motorische Kontrollfunktionen zugewiesen. Dementsprechend werden diverse Erkrankungen, die durch Störungen physiologischer Bewegungsabläufe gekennzeichnet sind (z. B. Morbus Parkinson, Chorea Huntington), auf Funktionsdefekte dieser Strukturen zurückgeführt. Der Thalamus wird häufig als Relaisstation des Informationsaustauschs zwischen anatomisch entfernten Arealen des Nervensystems aufgefasst. Basalganglien und Thalamus werden jedoch auch darüber hinausgehende Funktionen, z. B. zur Bereitstellung, Aufrechterhaltung und Auslenkung von Aufmerksamkeit bei der Bearbeitung kognitiver Aufgaben zugesprochen. In der vorliegenden Arbeit wurde mit elektrophysiologischen Methoden untersucht, ob auf der Ebene von Thalamus und Basalganglien kognitive Sprachleistungen, spezifisch der syntaktischen und semantischen Verarbeitung nachgewiesen werden können und inwieweit sich eventuell subkortikale von kortikaler Sprachverarbeitung unterscheidet. Die Untersuchung spezieller Sprachfunktionen der Basalganglien und des Thalamus ist im Rahmen der operativen Behandlung bewegungsgestörter Patienten mit der sog. Tiefenhirnstimulation (DBS = engl. Deep Brain Stimulation) möglich. Hierbei werden Patienten mit Morbus Parkinson Stimulationselektroden in den Nucleus subthalamicus (STN) implantiert. Bei Patienten mit generalisierten Dystonien erfolgt die Implantation in den Globus pallidus internus (GPI) und bei Patienten mit essentiellem Tremor in den Nucleus ventralis intermedius (VIM). STN und GPI sind Kernareale der Basalganglien, der VIM ist Teil des motorischen Systems. Nach der Implantation besteht die Möglichkeit, direkt von diesen Elektroden elektroenzephalographische (EEG)-Signale abzuleiten und diese mit simultan abgeleiteten Oberflächen-EEG zu vergleichen. In dieser Arbeit wurden DBS-Patienten aus allen genannten Gruppen in Bezug auf Sprachverständnisleistungen untersucht. Neben der Präsentation korrekter Sätze hörten die Patienten Sätze mit syntaktischen oder semantischen Fehlern. In verschiedenen Studien wurden an der Skalp-Oberfläche EKP-Komponenten (EKP = ereigniskorrelierte Potentiale) beschrieben, welche mit der Verarbeitung solcher Fehler in Verbindung gebracht werden. So verursachen syntaktische Phrasenstrukturverletzungen eine frühe links-anteriore Negativierung (ELAN). Dieser Komponente folgt eine späte Positivierung (P600), die mit Reanalyse und Reparaturmechanismen in Verbindung gebracht wird. Semantische Verletzungen evozieren eine breite Negativierung um 400ms (N400). In den thalamischen Ableitungen wurden zwei zusätzliche syntaktische fehlerbezogene Komponenten gefunden, die (i) ~ 80ms nach der Skalp-ELAN und (ii) ~ 70ms vor der Skalp-P600 auftraten. Bei semantischen Verletzungen wurde im Thalamus ein fehlerbezogenes Potential nachgewiesen, welches weitgehend parallel mit dem am Skalp gefundenen Muster verläuft. Aus den Ergebnissen der vorliegenden Studie folgt, dass der Thalamus spezifische Sprachfunktionen erfüllt. Komponenten, die Sprachverarbeitungsprozesse reflektieren, konnten in den Basalganglienstrukturen STN und GPI nicht identifiziert werden. Aufgrund der erhobenen Daten werden zwei getrennte Netzwerke für die Verarbeitung syntaktischer bzw. semantischer Fehler angenommen. In diesen Netzwerken scheint der Thalamus spezifische Aufgaben zu übernehmen. In einem ‚Syntaxnetzwerk’ kommunizieren frontale Hirnstrukturen unter Einbeziehung des Thalamus mit parietalen Hirnstrukturen. Dem Thalamus wurde eine Mediationsfunktion in der syntaktischen Reanalyse zugesprochen. In einem ‚Semantiknetzwerk’ waren keine eindeutig zuordenbaren Prozesse auf thalamischer Ebene nachweisbar. Es wurde eine unscharfe, jedoch aber spezifische Aktivierung des Thalamus über den gesamten Zeitraum der kortikalen semantischen Analyse gezeigt, welche als Integration verschiedener Analysemechanismen gewertet wurde. / Since the beginning of empirical neuroscientific research language competence has been primary localized at the brain cortex. Improved functional neuroimaging techniques were able to localize lesions in structures which caused aphasic syndromes. These syndromes were particularly found after lesions of the basal ganglia and the thalamus These structures are located in the depth of the brain and communicate over widespread fiber connections with the cortex. Sensori-motor control functions are primarily assigned to the basal ganglia. Various diseases, which are characterized by disturbances of physiological courses of motion (e.g. Parkinson’s disease, Chorea Huntington) are attributed to function defects of these structures. The thalamus was originally understood as a simple relay station of information exchange between various cortical areas of the nervous system. However, additional functions were assigned to the basal ganglia and thalamus, e.g. maintenance and deflection of attention while processing of cognitive tasks. Within the present investigation thalamic and basal ganglia achievements in language processing were studied with electro-physiological methods to investigate differences between cortical and subcortical processes. The investigation of special language functions of the basal ganglia and the thalamus is possible in the context of the surgical treatment of movement-disordered patients with "Deep Brain Stimulation (DBS)". Stimulation electrodes have been implanted to patients with Parkinson’s disease into the subthalamic nucleus (STN), patients with generalized dystonia into the globus pallidus internus (GPi), and patients suffering from essential tremor into the ventral intermediate nucleus of the thalamus (VIM). STN and GPi are core areas of the basal ganglia, the VIM is part of the motor system. EEG-signals may be derived directly from these implanted electrodes and be compared to the simultaneously derived signals of a surface EEG. In this thesis DBS patients from all groups mentioned above were examined regarding language understanding achievements. The patients listened to sentences, which were either correct or syntactical or semantical incorrect. Different studies described scalp ERP components (ERP = event related potentials) which occurred after different types of errors in sentences. Thus, syntactic phrase structure violations cause an early left anterior negativity (ELAN). A late positivity (P600) follows this component and was hypothesized as a reflection of syntactical reanalysis and/or repair. Semantic violations evoke a broad negativity around 400ms (N400). In the thalamic EEG two additional syntactic components were identified, which were seen (i) ~ 80ms after the scalp ELAN and (ii) ~ 70ms before the scalp-P600. At thalamic level semantic violations caused a negativity, which parallels largely with the negativity found at the scalp. The results of this study suggest, that the thalamus fulfills specific language functions. In the basal ganglia structures (GPI and STN) no language specific components were found. Due to the collected data two separate networks are suggested for the processing of syntactic and/or semantic errors. In these networks the thalamus seems to fulfill specific tasks. In a "syntax network” frontal brain structures communicate with parietale brain structures via the thalamus. The function of the thalamus in this network is the mediation of the syntactic reanalysis. In a "semantic network” no clearly classified processes were proved at thalamic level, because of a similarity of thalamic and scalp signals. However, during the entire period of the cortical analysis activation of the thalamus was apparent. This activation was rated as integration of different analysis mechanisms.

La sclérose en plaques est une maladie inflammatoire et démyélinisante chronique du système nerveux central présentant une expression clinique très variable d'un patient à l'autre. Face à cette hétérogénéité, l'identification de biomarqueurs issus de la neuro-imagerie capables de refléter les dommages responsables des déficits cognitifs et moteurs retrouvés chez ces patients est cruciale pour l'évaluation de l'efficacité de nouvelles thérapies. Lors de ce travail de thèse, nous avons étudié et mis en avant l'atteinte morphologique (changements de volume et de forme) du thalamus, structure cérébrale centrale, au travers de populations représentant l'ensemble des formes cliniques de la maladie. Nous avons ensuite évalué l'effet d'un traitement lors d'une analyse volumétrique longitudinale menée sur 12 mois. La répétabilité des résultats concernant la mesure du volume thalamique atteste alors de la qualité de la méthode utilisée. / Multiple sclerosis is a chronic inflammatory and demyelinating disease of the central nervous system having a highly variable clinical expression from patient to another. Given this heterogeneity, the identification of neuroimaging biomarkers able to reflect damages responsible for cognitive and motor deficits found in these patients is crucial for evaluating the efficacy of new therapies. In this thesis, we studied and highlighted the morphological damages (changes in volume and shape) of the thalamus , a central brain structure, through populations representing all clinical forms of the disease. We then evaluated the effect of treatment in a longitudinal volumetric analysis conducted over 12 months. Repeatability of thalamic volume results attests the quality of the method used.