Les vibrisses ou moustaches, sont représentées de façon très précise au niveau cortical. Cette représentation forme une carte qui peut varier selon l’expérience ou l’apprentissage. La plasticité corticale est parfois altérée dans des maladies. C’est le cas du syndrome de l’X-fragile où la protéine FMRP n’est plus produite. Notre hypothèse est double : 1- La plasticité opérant dans le cortex somato-sensoriel primaire lors d’un conditionnement associatif est primordiale pour l’apprentissage. 2- FMRP peut perturber cette plasticité et altérer l’acquisition de la mémoire. Mon travail de thèse s’est déroulé sous la direction du Dr Ingrid Bureau, dans l’Institut de neurobiologie de la Méditerranée UMR901, laboratoire de l’INSERM, sur le campus universitaire de Luminy (Aix-Marseille Université).Après un protocole de conditionnement, les souris ayant appris l’association présentent des réorganisations de la carte corticale sélective manifestées par une surreprésentation des vibrisses appariées au dépend des vibrisses voisines.L’étude a ensuite montré que déjà en condition naïve l’excitabilité des neurones glutamatergiques de la couche 4 est plus importante que chez les souris mutantes, dans lequel la synthèse de FMRP n’est inactivée que dans la couche 4 du cortex somato-sensoriel. Ceci est couplé à une baisse de la probabilité de libération de neurotransmetteur et une baisse de connectivité. Les cartes corticales sauvages et mutantes en condition naïve sont donc en apparence similaires. Après altération de l’expérience sensorielle, nous avons observé une forte augmentation de la force des projections ascendantes de la couche 4 vers la couche 2/3 chez les individus mutants / Whiskers representation is well defined at cortical level. This representation designs a map which can be modified with sensory experiece or learning. Cortical plasticity is sometime affected by diseases such as the fragile-X syndrome where protein FMRP is lacking. Two hypothesis : 1- Plasticity in primary somatosensory cortex play a major role in learning. 2- FMRP can disturb that plasticity and so memory acquisition.After playing an associtiative conditionning protocol, some mice learn the association and cortical map changes in a selective way with a gain of representation for the paired whiskers vs whiskers in neighbourghood.We’ve after shown that in naive conditions, layer 4 glutamatergic neurons present an increase of excitability in mutant mice, in which FMRP synthesis is inactivated only in layer 4 of somatosensory cortex. This phenotype comes with a decrease in neurotransmetor release probability and a decrease in connectivity. This way, WT and mutant cortical maps appear similar in naive conditions. But after sensory alteration we’ve seen a huge increase in strenght of ascending projections from layer 4 to layer 2/3 in mutants. We don’t know yet how to explain thoose deregulations.

Le temps est une dimension essentielle de la vie. Il est nécessaire, entre autres, pour réaliser des mouvements coordonnés, pour communiquer, mais aussi dans la prise de décisions. L’objectif principal de cette thèse était de caractériser le rôle d’un réseau amygdalo-préfronto-dorsostriatal dans la mémorisation et l’encodage du temps chez le rat. Dans un premier temps, nous avons décrit le comportement temporel du rat lors d’une tâche de suppression conditionnée (i.e. la suppression d’une réponse instrumentale d’appui sur levier par la présentation d’un son associé à un stimulus aversif), démontrant ainsi un contrôle temporel fin du comportement dans une situation Pavlovienne aversive. Dans un deuxième temps, nous avons analysé les potentiels de champs locaux (analyse fréquentielle des activités oscillatoires) de notre réseau d’intérêt au début d’un apprentissage associatif et après surentraînement dans la tâche de suppression conditionnée. En effet, le comportement temporel moteur nécessite un grand nombre de séances d’apprentissage pour devenir optimal, alors que l’apprentissage temporel est, lui, très rapide. Cette étude nous a permis de caractériser des corrélats neuronaux temporels au sein de ce réseau, que ce soit au niveau des structures individuelles ou au niveau de l’interaction entre ces structures. De plus, ces corrélats neuronaux sont modifiés selon le niveau d’entraînement des animaux. Enfin, dans une troisième étude, nous avons démontré que des ratons juvéniles (pré-sevrage), qui présentent un cortex préfrontal ainsi qu’un striatum dorsal immatures, peuvent mémoriser et différencier des intervalles de temps, ouvrant donc la question sur le rôle de ce réseau dans l’apprentissage temporel au cours du développement. / Time is an essential dimension of life. It is necessary for coordinating movement, for communication, but also for decision-making. The principal goal of this work was to characterize the role of an amygdalo-prefronto-dorsostriatal network in the memorization and encoding of time in a rat model. Firstly, we described temporal behavior in a conditioned suppression task (i.e. the suppression of an instrumental lever-pressing response for food by the presentation of a cue associated with an aversive event), therefore showing a precise temporal control in Pavlovian aversive conditioning. Secondly, we measured local field potentials in our network of interest at the beginning of associative learning and after overtraining in the conditioned suppression task. In effect, motor temporal behavior requires a large number of training sessions to become optimum, but temporal learning happens very early in training. This study allowed us to characterize, using frequency analysis of oscillatory activities, neuronal correlates of time in this network both at the level of individual structures, but also in their interactions. Interestingly, these neural correlates were modified by the level of training. Finally, we demonstrated that juvenile rats (pre-weaning), with an immature prefrontal cortex and dorsal striatum, can memorize and discriminate temporal intervals, raising questions on the role of this amygdalo-prefronto-dorsostriatal network in temporal learning during development.

La progression de l’espérance de vie observée au cours du XXième siècle a été accompagnée par une augmentation massive de l’incidence des maladies liées à l’âge et en particulier des maladies neurodégénératives. Malheureusement, les thérapeutiques actuelles ciblant principalement les anomalies d’agrégation protéique caractérisant ces maladies, tel que la maladie d’Alzheimer, ont échoué au niveau des essais cliniques. De récentes études épidémiologiques ont suggéré un lien entre la dysfonction métabolique et les maladies neurodégénératives. Par conséquent, une approche alternative pour développer des nouveaux médicaments serait se cibler les voies de signalisation métaboliques perturbées dans les modèles de maladie d’Alzheimer. L’AMPK (AMP activated protein kinase) est une enzyme activée par les bas niveaux d’énergie cellulaire via la détection du taux AMP : ATP. Une fois activée, l’AMPK allonge la durée de vie d’organismes modèles et protège contre le développement de pathologies liées à l’âge telle que les maladies neurodégénératives. De plus, l’AMPK régule l’homéostasie mitochondriale et les réseaux mitochondriaux chez les mammifères. Cependant, il reste à savoir si l’AMPK protège contre le développement de pathologies neurodégénératives via la régulation de la structure mitochondriale. Lors de ces travaux, nous avons utilisé un protocole d’apprentissage et de mémoire chez C. elegans pour mesurer la fonction neuronale. Nous avons montré que les nématodes exprimant le peptide amyloïde Aβ1-42 dans les neurones avait une capacité d’apprentissage détériorée. Ce déficit a pu être restauré par l’activation constitutionnelle de l’AMPK. Nous montrons également que l’activation de l’AMPK améliore les capacités d’apprentissage des nématodes sauvages en induisant la fusion des mitochondries. En effet, les vers mutés pour le gène responsable de la fusion mitochondriale ont une capacité d’apprentissage diminuée, laquelle peut être restaurée par le rétablissement de la fusion mitochondriale, spécifiquement dans les neurones. Des résultats supplémentaires suggèrent que l’AMPK induirait ses effets bénéfiques sur la fonction neuronale en inhibant le facteur de transcription CRTC-1 (CREB-regulated transcriptional co-activator 1). Nos résultats tendent à montrer que cibler le métabolisme cellulaire neuronal représenterait une option thérapeutique viable afin de maintenir les fonctions neuronales dans le cadre de pathologies neurodégénératives. / The dramatic increase in life expectancy during the 20th century was accompanied by a resultant epidemic of age-related pathologies including neurodegenerative diseases. Unfortunately, current therapeutics primarily focusing on protein misfolding aspects of diseases such as Alzheimer’s Disease (AD) have been unsuccessful in the clinical trials. Recent epidemiological studies have suggested a strong association between metabolic dysfunction and neurodegeneration. Therefore, an alternative approach is to target metabolic pathways disrupted in AD models for therapeutics. AMP activated protein kinase (AMPK) is activated in a low energy state via sensing the AMP: ATP ratio. Once active, AMPK promotes longevity in model organism and protects against a wide range of age related diseases including neurodegenerative diseases. In addition, AMPK regulates mitochondrial homeostasis and mitochondrial networks in mammals. However, whether mitochondrial regulation causally links AMPK to protection against neurodegenerative disease is unknown. Here we use a learning and memory protocol in C. elegans as readout of neuronal function. We show that nematodes expressing the toxic amyloid peptide Aβ1-42 in the neurons display impaired learning ability, which can be rescued by constitutive activation of AMPK (CA-AMPK). We further show that CA-AMPK enhances learning ability in wild type nematodes by promoting mitochondrial fusion. Indeed, fusion deficient worms show impaired learning, which can be rescued by restoring mitochondrial fusion specifically in the neurons. Additional results suggest that AMPK might promote its beneficial effects on neuronal function via inhibition of CREBregulated transcriptional co-activator 1 (CRTC-1). Our results show that targeting neuronal metabolism may be a viable therapeutic option to restore neuronal function in the context of neurodegenerative diseases.

Animal episodic-like memory tasks represent important component of episodic memory research. However, currently available episodic-like memory tasks are not based on episodic-like memory or encompass important caveats. In our laboratory, we recently devised a novel one-trial trace association task (OTTAT) to examine one-time associations of temporally discontinuous stimuli. This thesis deals with the improvement of OTTAT protocol by rat strain and compartment divider ('doors') selection which optimally promote the establishment of invariable behaviour of rats in OTTAT. Moreover, the accuracy of one-trial associations is also assessed by determining specificity of "rapid escape" response to conditioned stimulus of given sound characteristics. In Experiment 1, rats (Sprague-Dawley (SD), n = 36; Wistar (WI), n = 17; Long-Evans (LE), n = 8) were habituated 15 min daily for 3 days with standard doors (9 x 11 cm opening) to modified light and dark apparatus. The number of transfers between compartments and values of time spent in dark compartment obtained from 3rd habituation session were evaluated as indicators of invariable behaviour of rats. We found WI rats spend significantly more time in dark compartment than LE (p = 0.002) and SD rats (p = 0.001) and have significantly fewer transfers than LE rats...

The world in which we live is filled with sensory experiences. Language provides us with a manner in which to communicate these experiences with one another. In order to partake in this communication, it is necessary to acquire labels for things we see, hear, feel, smell, and taste. Much is known about how we learn words for things we can see, but this bias in the literature leaves many open questions about words attributed to other modalities. This cumulative dissertation aims to close this gap by investigating how both 10- to-12-month old infants and adults map novel pseudowords onto environmental sounds in an auditory associative word learning task with the aim to explore how humans learn words for things that cannot be seen, such as thunder, siren, and, lullaby. Infants were found, via event-related potentials (ERPs), to be successful at auditory associative word learning, while adults are much stronger learners in multimodal audio-visual conditions. Across the lifespan, sensory modality was found to affect word learning differently in infants than in adults. Where infants benefitted from unimodal auditory word learning, adults were more successful in multimodal audiovisual paradigms. Furthermore, the modality of the object being labelled modulated the temporal onset and the topological distribution of the N400 ERP component of violated lexical-semantic expectation. Lastly, the temporal congruency of presented stimuli affected word learning in adults in an inverted manner to other forms of statistical learning. Word learning is sensitive to age, modality, and means of presentation, providing evidence for various intertwined learning mechanisms and bringing us a step closer towards understanding human linguistic cognition.

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The ability to prioritize information enables us to think and take action without being overwhelmed by external stimuli or internal thoughts and feelings. Neuroticism is associated with altered processing of emotional information but differences in the processing of emotional information may arise from basic differences in information processing, such as altered processes of attention, changes in sensitivity to salient information, or differences in the ability to encode conjunctions of information. Through this thesis, I explore the relationship between neuroticism and processing of non-emotional information, with a particular focus on learning about combinations of information. Associative learning paradigms were used to test ability to learn about combinations of information and neuroticism was observed to be associated with strong non-linear discrimination learning. The tendency to focus on specific details was associated with weak non-linear discrimination learning. A novel model of associative learning is presented, offering an account for how variation in the ability to engage in non-linear discrimination learning might be understood. Mechanisms underlying the association between neuroticism and strong non-linear discrimination learning were explored. Neuroticism was not found to be associated with a tendency to focus on specific details or shifts in attention towards goal relevant information. Neuroticism was not found to be associated with enhanced ability to identify feature conjunctions, altered sensitivity to the relative validity of stimuli or pre-exposure of stimuli. The importance of understanding individual differences in processes of associative and the value of associative learning tasks to look at information processing biases underlying neuroticism are discussed.

Chez l’espèce humaine comme pour de nombreuses autres espèces animales, lorsque des stimuli environnementaux précèdent de façon régulière la présentation d’événements importants pour un individu, ces stimuli vont acquérir sous certaines conditions la capacité à évoquer des comportements dits d’anticipation. Cette capacité est considérée par de nombreux auteurs comme ayant une haute valeur adaptative, favorisant le contact avec des événements appétitifs et permettant l’évitement d’événements aversifs. Ces dernières décennies, deschercheurs ont initié un rapprochement entre le phénomène d’anticipation et le conditionnement Pavlovien. Ce rapprochement repose à la fois sur une similarité dans les caractéristiques des événements mis en jeux mais surtout sur de nombreux effets et phénomènes semblables, amenant ces auteurs à considérer que les comportements ditsd’anticipation, d’une façon générale, reposeraient sur le processus Pavlovien. Leconditionnement Pavlovien offre une littérature extrêmement riche dont l’une des principalesquestions de recherche concerne le problème des conditions à l’apparition du processus.Parmi les hypothèses existantes, l’Hypothèse de l’Information est sans aucun doute l’une desplus importantes par son influence. Selon cette hypothèse, un apprentissage associatifPavlovien n’aura lieu que lorsqu’un événement important sera présenté de façon inattendu à un sujet, et l’apprentissage, ou les associations apprises, ne porteront que sur des stimuli prédictifs de l’événement important (i.e. permettant son anticipation). A travers deux expériences appliquant une procédure de conditionnement rétrograde à une procédure de renforcement conditionné, nous avons cherché à tester les propositions faites par cette hypothèse. Nos résultats vont directement à l’encontre de ces propositions et vont au contraire dans le sens de deux autres propositions théoriques faites sur le conditionnement Pavlovien,illustrées par le modèle SOP et l’Hypothèse du Codage Temporel. Ces deux propositions sont testées au sein d’une troisième et dernière expérience, dont les implications pour ces modèles comme pour la conceptualisation du conditionnement Pavlovien et de l’anticipation de façon générale sont discutées. / In human and non-human animals, environmental stimuli that reliably accompany the presentation of significant events are able after repeated exposures of eliciting anticipatory behaviors. Many authors underlined the adaptive value of anticipatory responses, and suggested a connection with Pavlovian conditioning. Linking anticipatory behaviors to Pavlovian conditioning is supported by the similarity in procedure (i.e. a pairing between a neutral stimulus with a significant event), but also on the common effects and phenomena, and the authors assume that Pavlovian conditioning is the process underlying the anticipation of events. This assumption is at the heart of the Information Hypothesis, and more generally of a functional and predictive perspective of Pavlovian conditioning. According to the Information Hypothesis, Pavlovian conditioning only occurs when an unexpected significant event is presented, and learning (i.e. the formation of association) would be about stimuli that allow the anticipation of the significant event. Using a backward conditioning procedure in a conditioned reinforcement preparation, we tested the assumptions made by the Information Hypothesis. The results found argue against the Information Hypothesis and, in contrast, support the assumption made by two others types of leaning models, illustrated by the Temporal Coding Hypothesis and the SOP model. The Temporal Coding Hypothesis and SOP are tested in a third experiment. Implications for Pavlovian conditioning models and anticipatory behaviors in general are discussed.

Title from first page of PDF document. Includes bibliographical references (p. 22-31).

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