Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. [59-66]. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2002. / Bibliogr.: f. [62]-78. Publié aussi en version électronique.

Que ce soit par nos yeux ou par nos mains, nous interagissons avec notre environnement par l'intermédiaire de senseurs mobiles. L'utilisation efficace de tels organes, dits « sensorimoteurs », implique de garder trace de leur position tandis que nous les bougeons. Dans le cas contraire, la stabilité perceptive et la préhension dirigée seraient profondément entravées. Cependant, les mécanismes neuronaux qui informent le système nerveux de la position de ces organes restent largement inexplorés. Deux mécanismes impliquant une information retour peuvent théoriquement être en jeu : la copie efférente et/ou le retour sensoriel. Pour évaluer leur contribution, nous avons entraîné des rats à placer une vibrisse dans une plage angulaire prédéterminée sans contact, une tâche dépendant de la connaissance qu'ils ont de la position de leur vibrisse. Nous établissons que le retour sensoriel n'est pas requis pour effectuer cette tâche. Le cortex moteur n'est pas non plus requis, même en l'absence de retour sensoriel. Enfin, nous démontrons que le noyau rouge, qui reçoit des entrées du cortex moteur, du cervelet, des afférences vibrissales, et qui projette vers les motoneurones faciaux est impliqué de façon critique dans l'exécution de cette tâche. Ces résultats démontrent l'existence d'un modèle interne, indépendant du cortex moteur et suffisant au contrôle moteur volontaire. Ils suggèrent en outre que le cervelet pourrait être impliqué en tant qu'élément efférent de ce modèle interne. / Whether through our eyes or our hands, we interact with our environment through mobile sensors. The efficient use of these organs implies to keep track of their position over time. Otherwise, perceptive stability and directed prehension would be profoundly impeded. Yet, the neural mechanisms informing the nervous system about organs' position remain largely unexplored. Two feedback mechanisms may theoretically be at play: efference copy and/or sensory feedback. To assess their contribution, we trained head-restrained rats to place their vibrissae in a predetermined angular range without contact, a task that depends on the knowledge of vibrissa position. We find that sensory feedback is not required to perform the task. The motor cortex is neither required, even in the absence of sensory feedback. Finally, we find that the red nucleus, which receives motor cortex, cerebellar and vibrissa inputs, and projects to facial motoneurons is critically involved in the execution of the task. These results demonstrate the existence of a motor cortex-independent internal model sufficient for voluntary motor control. They further suggest that the cerebellum may be involved as an efferent part of this internal model.

Le système vibrissal des rongeurs est un modèle très utilisé pour l'étude des processus comportementaux et neurobiologiques qui sous-tendent la perception tactile, en particulier pendant l'exploration de la forme d'un objet, sa localisation, ou la rugosité de sa surface. Le but de cette thèse a été d'explorer les stratégies sensori-motrices impliquées dans une tâche de discrimination tactile, ainsi que l'activité neuronale qui sous-tend ce processus.De façon similaire aux doigts humains scannant un objet, les rongeurs peuvent balayer activement des surfaces avec les vibrisses de leur museau (mouvement appelé «whisking»). En laboratoire, les rats discriminent des niveaux de rugosité en faisant du whisking. D'après leurs conditions de vie naturelles, nous avons fait l'hypothèse que ces animaux peuvent discriminer des motifs spatiaux sans whisking. Pour le démontrer, nous avons développé une nouvelle tâche de discrimination dans laquelle les rats contactent des stimuli en courant à haute vitesse dans un couloir, de sorte à ce qu'il n'y a pas assez de temps pour un cycle de whisking. Les rats ont appris à discriminer des barres verticales régulièrement espacées d'une surface sans barres. Les vibrisses et le cortex somatosensoriel primaire sont impliqués dans la discrimination. Les animaux ont été également capables de discriminer les barres régulières de barres irrégulières. Nous avons montré que les rats ne font pas de whisking sur les stimuli, et qu'ils orientent leurs vibrisses du côté du stimulus récompensé environ 60ms après premier contact (Kerekes et al., 2017). Ces résultats montrent que les rats peuvent discriminer des stimuli sans faire de whisking.Dans une deuxième partie, nous avons analysé les mouvements vibrissaux et réponses neuronales thalamo-corticales évoquées chez le rat anesthésié par le passage des stimuli utilisés pendant la tâche. Les résultats préliminaires révèlent des mouvements vibrissaux à haute accélération, encodés différemment par le cortex selon le type de stimulus (barres régulières ou irrégulières). Quatre rats ont été enregistrés pour cette étude: deux d'entre eux ont été entraînés à la tâche de discrimination, et les deux autres ont été entraînés à une tâche non-tactile sur le même labyrinthe. Grâce à ces expériences, nous allons rechercher les effets potentiels de l'apprentissage sur le traitement neuronal des informations tactiles. Le développement combiné de la tâche comportementale et des enregistrements neuronaux sur rat anesthésié et éveillé vont nous permettre d'explorer de nouvelles questions sur la discrimination tactile, tel que le codage de la régularité de motifs spatiaux, et la modulation de ce codage par l'apprentissage. / The rodent whisker system is a widely used model to study behavioral and neurobiological processes underlying tactile perception, in particular during the exploration of an object shape, localization or surface roughness. The general goal of this Ph.D. work was to explore the sensori-motor strategies involved in a tactile discrimination task, as well as the neuronal activity underlying such ability. Similarly to human fingertips scanning an object, rodents are able to sweep their whiskers against surfaces in a rhythmic fashion (a process called whisking) to analyze spatial details. In most laboratory tasks, rats discriminate spatial patterns by whisking on them successively. Based on the life of these animals in the wild, we hypothesized that rodents could discriminate spatial patterns without whisking. To demonstrate this, we developed a novel task inciting the rats to touch the stimuli by running past them at such high speed that the time needed to complete a whisking cycle is not available. Rats learned to discriminate a surface with a series of vertical bars regularly spaced from a smooth surface. Both whiskers and neural activity in the primary somatosensory cortex were involved during the discrimination process. Rats could also discriminate an irregular series from the regular one. We showed that rats do not whisk on the stimuli, and that they orient their whisker arrays towards the rewarded stimulus as soon as 60ms after the first possible contact (Kerekes et al., 2017). These results demonstrate that rats can discriminate stimuli without actively whisking. A second project of this Ph.D. work focused on the analysis of whisker deflections and thalamo-cortical neuronal responses evoked in the anesthetized rat by the stimuli passing on the whiskers mimicking the tactile condition during the task. Preliminary results show the presence of high-acceleration events occurring during whisker stimulation. These events evoked significant cortical responses, that differed according to the stimulus type (irregular or regular series). Four rats have been recorded for this study, two of them were trained on the discrimination task, and the two others were trained on a non-tactile task on the same maze. With this data, we plan to search for potential effects of learning on neuronal treatment of tactile inputs. Both the development of the novel discrimination task and of neuronal recordings in anesthetized and awake rats will allow to tackle new questions on tactile discrimination processes, such as how spatial regularity or irregularity are encoded and how this encoding can be modulated by learning.

Le développement du système nerveux comprend plusieurs phases : neurogénèse, migration cellulaire, croissance des neurites, synaptogénèse et raffinement synaptique. Cette dernière étape de remodelage est cependant mal connue au niveau des mécanismes cellulaires et synaptiques. Par des enregistrements cellulaires en configuration cellule entière voltage imposé, nous avons caractérisé la maturation synaptique de la fibre lemniscale du système somato-sensoriel des vibrisses chez la souris. Nous avons démontré que les neurones du noyau ventral-postérieur-médian (VPM) du thalamus chez une souris âgée de 7 à 9 jours post-natals (JPN) sont innervés par environ 8 fibres et que ce nombre diminue entre 1 et 3 (moyenne de 1.4) après la troisième semaine post-natale (PN). Cette diminution d'innervation sensorielle démontre que la maturation des fibres lemniscales comprend une élimination de synapses. De plus, cette période d'élimination s'accompagne de plusieurs changements synaptiques tels une augmentation du ratio des réponses AMPA/NMDA (Alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-ioxyzole-4-propionic acid (AMPA); N-methyl-D-asparate (NMDA)), une diminution du temps de descente et de la sensibilité à l'ifenprodil (antagoniste des sous-unité NR2B) des réponses NMDA, une augmentation dans la force des premières réponses AMPA et une augmentation du maximum des réponses AMPA et NMDA. La rectification des courants AMPA entrants et la plasticité synaptique à court terme (indice de probabilité de relâchement) ne changent pas au cours de cette période. De manière surprenante, la privation d'expérience sensorielle n'affecte pas l'élimination des synapses ainsi que les changements synaptiques de cette période développementale.

Les rongeurs utilisent leurs vibrisses afin de connaître leur environnement. L’information sensorielle captée par les vibrisses est envoyée à chacun des noyaux trigéminaux sensoriels du tronc cérébral, là où l’inhibition détermine les propriétés des réponses des cellules trigéminothalamiques. Nous avons démontré qu’une inhibition rapide de type « feedforward » provenant des cellules GABAergiques et glycinergiques du noyau spinal interpolaire, détermine la préférence angulaire des neurones du PrV. Nos résultats ont également montré que la direction de stimulation de la vibrisse influence systématiquement la latence du premier potentiel d’action, et que cette latence s’avère être un outil aussi robuste que le taux de décharge pour quantifier la préférence angulaire au PrV. Nous proposons que l’inhibition à la première station-relais du système des vibrisses contribue au filtrage des informations redondantes et à la mise en oeuvre d’un code basé sur la latence pour le transfert des informations sensorielles du thalamus jusqu’au cortex. Lors du second volet de cette étude, nous cherchions à comprendre comment une boucle sensorielle rétroactive peut affecter les motoneurones qui contrôlent le mouvement des vibrisses. Nous avons démontré que cette boucle n’est pas exclusivement excitatrice, tel que rapporté précédemment par Nguyen et Kleinfeld (2005) mais qu’elle peut aussi inhiber les motoneurones qui contrôlent la protraction des vibrisses. Nos résultats indiquent que la latence du réflexe dans cette boucle est de 11 à 13 ms, ce qui concorde avec la latence du réflexe estimé chez le rat en exploration libre lorsqu’il touche un objet. Des techniques de marquage rétrograde combinées avec de l’hybridation in situ ont révélé que les motoneurones des muscles intrinsèques des vibrisses reçoivent des informations des prémotoneurones glutamatergiques et GABAergiques/glycinergiques situés dans le noyau trigéminal oralis. Par contre, les motoneurones qui contrôlent la rétraction du coussinet facial reçoivent seulement les entrées excitatrices des cellules glutamatergiques du noyau spinal interpolaire qui projettent au Po. En somme, nos études montrent que l’inhibition d’origine trigéminale joue un grand rôle dans le tri des informations sensorielles et le mouvement des vibrisses. / Rodents use their vibrissae to explore the environment. Sensory information gathered by the vibrissae is forwarded to each of the sensory trigeminal nuclei in the brainstem, where inhibition shapes response properties of trigeminothalamic cells. We found that fast feedforward inhibition of PrV cells by GABAergic and glycinergic interpolaris cells determines the angular selectivity of PrV neurons. Our results also show that stimulus direction systematically influences the latency of the first action potential, and that first spike latency is as reliable as spike counts to quantify the angular tuning of PrV cells. We propose that inhibition at the first relay station of the vibrissa system contributes to filtering redundant information and to the implementation of a latency code for the transfer of sensory information to thalamus and cortex. In a second study, we examined how sensory feedback loops affect facial motoneurons that control vibrissa movements. We demonstrated that this loop is not exclusively excitatory, as previously reported by Nguyen and Kleinfeld (2005), but that it can inhibit motoneurons that drive vibrissa protraction. Reflex latency in this loop is of the order of 11 to 13 ms, which matches that estimated in freely exploring rats when they contact an object. Retrograde labeling combined with in situ hybridization revealed that motoneurons of the intrinsic vibrissa muscles receive input from glutamatergic and GABAergic/glycinergic premotor neurons located in the trigeminal oralis nucleus. In contrast motoneurons that drive retraction of the mystacial pad only receive excitatory input from glutamatergic cells of the spinal interpolar nucleus that project to Po. In sum, our studies show that inhibition at the very first relay stations of the vibrissa system plays a key role in the selection of sensory information and in fine tuning the motion of the vibrissae.

Chez les rongeurs, le traitement par le cortex à tonneaux de l'information sensorielle en provenance des vibrisses est mal compris. En effet, malgré l'aide fournie par l'organisation de ce cortex en une reproduction stricte de la topographie de l'appareil sensoriel, il a été difficile jusqu'à présent d'identifier de façon indiscutable le système de filtrage linéaire et non-linéaire qu'utilisent les neurones du cortex à tonneaux durant leur traitement des scènes tactiles auxquelles ils sont exposés. Pour mieux identifier ces traitements corticaux, nous avons développé un système de stimulation vibrissale permettant d'appliquer des déflections sur un grand nombre de vibrisses indépendamment, dans toutes les directions possibles et ce à travers une vaste gamme fréquentielle. En utilisant ce dispositif de stimulation multivibrissale durant des enregistrements extracellulaires de l'activité électrique des neurones du cortex à tonneaux de rats anesthésiés, nous avons pu identifier plus précisément le filtrage linéaire des stimulations vibrissales, qui s'avère similaire pour tous les neurones que nous avons pu enregistrer. Par ailleurs, en explorant les aspects non-linéaires du traitement effectué par ces neurones, nous avons noté qu'ils se séparent en deux familles distinctes : d'un côté des neurones "locaux" qui se sont avérés sensibles à des contrastes locaux dans les déflections multivibrissales. De l'autre, des neurones "globaux" capables au contraire de détecter des situations où les déflections sont similaires pour de nombreuses vibrisses. Enfin, en effectuant d'autres enregistrements dans la couche II/III du cortex à tonneaux, cette fois à l'aide d'un microscope deux-photons, nous avons pu noter que les neurones appartenant aux familles locales et globales étaient séparés en groupes spatialement distincts et que la position spatiale des neurones était plus généralement étroitement liée à l'ensemble de leurs propriétés de filtrage des déflections vibrissales.

Lors de l'exploration tactile chez les rongeurs, les mouvements oscillatoires des vibrisses faciales permettent à l'animal d'explorer les objets afin de déterminer leur position, leur forme et leur texture. Dans ces situations naturelles, l'animal est donc confronté à des patterns spatio-temporels complexes des mouvements des vibrisses. Notre hypothèse est que la réponse neuronale corticale étant contextuelle, elle différera selon que les stimuli font partie d'une séquence complexe dans le temps et l'espace ou qu'ils soient présentés isolément. Mon travail de thèse, réalisé à l'UNIC (CNRS, Gif sur Yvette) sous la direction de Daniel Shulz, propose de caractériser les réponses neuronales du système vibrissal à différents niveau de la voie afférente, et leur modulation par le contexte spatio-temporel du stimulus. Afin de générer des stimuli complexes, nous avons développé un nouvel outil de stimulation tactile basé sur une technologie piezo-électrique permettant de générer des stimulations contrôlées et indépendantes de 24 macro-vibrisses sur la face du rat. Cet outil nous a permis d'étudier les propriétés fonctionnelles des champs récepteurs dans le cortex à tonneaux. En plus de la mise en évidence de champs récepteurs multi-vibrissaux dans les différentes couches corticales, une modulation de la structure spatiale du champ récepteur par la direction de déflexion des vibrisses a été observée. Par la suite, nous avons montré que les réponses corticales sont modulées par le contexte sensoriel. En effet, les neurones corticaux présentent une sélectivité à la direction pour un mouvement global impliquant l'ensemble des vibrisses qui est indépendante de la sélectivité locale. Cette sélectivité ne peut être expliquée par des interactions linéaires simples ou par des interactions suppressives non-linéaires d'ordre deux. Des interactions non-linéaires d'ordre supérieur impliquant une intégration de l'ensemble des inputs sous- et supraliminaires de la cellule sous-tendraient la sélectivité au mouvement global du stimulus. Le noyau Ventro-Postéro-Médian thalamique (VPM), principale source des afférences au cortex, intègre déjà une information multi-vibrissale. Nous avons donc émis l'hypothèse d'une contribution des mécanismes sous-corticaux dans l'intégration multi-vibrissale corticale. En effet, notre étude a révélé que les neurones du VPM sont sélectifs au mouvement global des vibrisses cependant en plus faible proportion que dans le cortex. Ce résultat suggère que la sélectivité puisse émerger au niveau de la boucle thalamo-corticale et soit amplifiée dans le cortex par des connexions intra-corticales. Afin de tester cette hypothèse, nous avons étudié l'impact de l'inactivation de la couche VI corticale, sources de la voie cortico-thalamique, sur la sélectivité globale du VPM. Dans ces conditions d'inactivation corticale, nous avons observé une diminution de la sélectivité thalamique. Malgré la description canonique de ce système, associant une vibrisse à un tonneau cortical, et une structure très discrétisée, nous avons montré des réponses du système à des propriétés émergeantes du stimulus nécessitant une intégration multi-vibrissale. Cette intégration est réalisée de manière dynamique par l'action conjointe de la boucle thalamocortico-thalamique et de la connectivité cortico-corticale.

La perception de l'environnement à travers différentes modalités sensorielles est une capacité essentielle à la survie des animaux. La compréhension du fonctionnement de ces différentes modalités ainsi que du mécanisme de leur intégration en une représentation unique est un enjeu majeur en neurosciences ainsi qu'en matière de conception d'architectures de contrôle de robots autonomes. Le rat, par exemple, exploite énormément les informations tactiles fournies par ses vibrisses. Elles lui servent notamment à reconnaître des textures ou des formes, comme à évaluer la taille d'une ouverture... Cette modalité, très étudiée en biologie, n'a été que peu abordée dans le domaine de la robotique. L'audition et la vision fournissent également de riches informations sur l'environnement et ces trois modalités fonctionnent de manière complémentaire. Une des structures intégrant toutes ces modalités est le colliculus supérieur, région sous-corticale commune à la plupart des vertébrés. Cette structure fonctionnant comme un système attentionnel, permet de détecter les stimuli pertinents et de s'orienter vers ceux-ci tout en ignorant les stimuli inutiles. L'objectif de ce travail est de développer les différentes capacités sensorielles (tactile, auditive et visuelle) du robot-rat Psikharpax et de les intégrer en une représentation multi-sensorielle en s'inspirant de ces connaissances biologiques. Nous avons tout d'abord développé un système vibrissal artificiel permettant de reconnaitre des textures sur un robot mobile. Nous avons montré que deux hypothèses biologiques s'affrontant pour expliquer le codage des informations tactiles sont peut-être compatibles. Nous avons ensuite collaboré au développement d'un système auditif binaural permettant la localisation et la séparation de sources. Nous avons montré que les mécanismes permettant la reconnaissance de textures avec le système vibrissal, permettait de reconnaitre des sons avec le système auditif. Puis nous avons développé un système d'attention visuelle en adaptant et en intégrant des modèles neuro-mimétiques de colliculus supérieur et de ganglions de la base avec un mécanisme d'apprentissage par renforcement. Ce modèle inclut des boucles sous-corticales et corticales permettant l'apprentissage des caractéristiques spatiales et non-spatiales des stimuli. Nous avons montré que ce système permettait de générer des saccades oculaires vers des cibles génératrices de récompense. Enfin, nous avons étendu ce modèle d'attention visuelle aux modalités tactile et auditive et montré ses capacités à reproduire les phénomènes d'intégration multi-sensorielle. Nous avons également utilisé ce modèle sur un robot mobile pour générer des comportements d'orientation vers des stimuli multi-sensoriels associés à des récompenses. Nous concluons que ce modèle permet la gestion de stimuli multi-sensoriels de manière assez robuste pour être utilisé sur un robot mobile. Il génère de plus quelques prédictions testables.

La perception menant à une prise de décision implique de multiples aires corticales. Il a été proposé que l'information sensorielle se propage des aires sensorielles primaires, codant principalement la nature du stimulus, aux aires de haut-niveau - plus frontales - codant d'avantage la valence du stimulus ou la décision. Pour mieux comprendre l'intégration corticale des signaux sensoriels, nous avons enregistré les réponses sensorielles évoquées (RSE) simultanément dans différentes aires corticales, tandis que des souris apprenaient une tâche de détection sensorielle. Chez les souris ayant appris la tâche, une RSE est observée dans toutes les aires enregistrées suivant la stimulation de la vibrisse, avec des latences croissantes des aires somatosensorielles primaire (vS1) et secondaire (vS2), vers le cortex moteur primaire des vibrisses (vM1), le cortex pariétal associatif (PtA), l'hippocampe dorsal (dCA1) et enfin le cortex préfrontal médian (mPFC). Nous avons constaté une réduction des RSEs lors des échecs par rapport aux essais réussis dans toutes les aires, sauf vS1. Toutefois, seule l'inactivation de vS1, vS2 ou mPFC affecte significativement la performance des souris. Pendant l'apprentissage de la tâche, une augmentation sélective de la RSE est observée dans le mPFC en corrélation avec la performance. Des enregistrements unitaires dans le mPFC démontrent la nature excitatrice de la réponse sensorielle chez les souris entrainées. Nos résultats confirment ainsi que la réponse sensorielle dans le mPFC reflète l'importance comportementale du stimulus et corrèle avec la prise de décision, tandis que la réponse des aires sensorielles reflète plutôt la nature du stimulus / Sensory perception leading to goal-directed behavior involves multiple, spatially-distributed cortical areas. It has been hypothesized that sensory information flows from primary sensory areas encoding mainly the nature of the stimulus, to higher-order, more frontal, areas encoding the valence of the stimulus or the decision. To further understand the cortical integration of sensory signals, we recorded sensory evoked potentials (SEPs) simultaneously from different areas while mice learned a whisker-based sensory detection task. In mice that have learned the task, the whisker stimulus evoked SEP in all recorded areas with latencies increasing from the whisker primary (wS1) to the secondary somatosensory area (wS2), the whisker motor area (wM1), the parietal area (PtA), the dorsal hippocampus (dCA1) and the medial prefrontal cortex (mPFC). We found a reduction of SEPs during Miss trials compared with Hit trials in all areas except wS1. However, only the local inactivation of either wS1, wS2 or mPFC significantly impaired the mice performance. During training to the detection task, we observed a selective increase of the SEPs in mPFC that correlated with performance. Finally, using high-density extracellular recordings in mPFC, we found that whisker stimulation in trained mice evoked an early increase in the firing rate of putative excitatory neurons (regular spiking units) that was positively correlated with behavioral outcome. Our results support the idea that mPFC could signal the relevance of a sensory stimulus in the context of a well-defined behavior, whereas sensory areas would be more constrained by the nature of the stimulus