Chez les mamifères terrestres, l'échantillonnage des odeurs (flairage) est inextricablement lié à la respiration. Le flairage contraint à la fois le décours temporel et l'intensité de l'input olfactif. Or le flaireage est un acte dynamique, il peut varier aussi bien en fréquence qu'en débit. Dans une 1ère partie de mon travail de thèse, nous avoins souhaité caractériser l'impact des variations de fréquence et de débit respiratiore sur l'activité du bulbe olfactif. Pour cela, nous avons mis au point une méthode de double trachéotomie chez le rat anesthésié nous permettant de contrôler précisément les flux d'air ans la cavité nasale. En paralèlle, nous avons enregistrer l'acitivité unitaire et de réseau du bulbe olfactif. Nous montrons que les variations de flairage modulent la représentation neuronale bulbaire des odeurs en modifiant à la fois l'activité de décharge des cellules principales et l'occurence des oscillaations du potentiel de champ local. Dans une 2e partie de ma thèse, nous avons souhaitécomprendre quel pouvait être le rôle du flairage chez un animal qui se comporte. Nous avons posé l'hypothèse qu'un animal pouvait adapter sa façon de flaireer en fonction de la qualité des molécules odorantes. Pour tester cette hypothèse, nous avons mis au point un système d'enregeistrement non invasif de la respiration couplé à une tâche de discrimination olfactive chez le rat. Nous montrons non seulement que les animaux peuvent adapter leur flairage en fonction des molécules odorantes masi également en focntion du contexte dans lequel l'odeur est présentée. L'ensemble de ces résultats s'intègre donc dans la problématique plus générale de l'intégration sensori-motrice.

Le rythme lent lié à la respiration est une caractéristique proéminente de l’activité du bulbe olfactif de rat. Il se définit par des oscillations de grande amplitude du potentiel de champ local, une activité de décharge des cellules mitrales/ à panache (M/P) synchronisée à la respiration et des oscillations lentes de leur potentiel de membrane (OPLM). Des relations spécifiques entre ces activités détermineraient la participation d’une cellule M/P au traitement de l’information olfactive. Jusqu’à présent, il n'existait que très peu de données sur ces relations. L’objectif de cette thèse a été de caractériser les OLPM des cellules M/P et d’étudier les relations qu’elles entretiennent avec l’activité de décharge et l’activité du réseau bulbaire. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis au point une technique d’enregistrements simultanés de l’activité intracellulaire des cellules M/P et du potentiel de champ local du bulbe olfactif chez l’animal anesthésié et libre de respirer. Nous montrons que plusieurs types d’OLPM existent. Des relations spécifiques s’établissent entre ces OLPM et la synchronisation de l’activité de décharge à la respiration. Nous observons également l’existence de relations complexes entre les OLPM et les oscillations du réseau bulbaire. L’ensemble de ces résultats nous permet d’intégrer la dynamique lente, et plus particulièrement celle du potentiel de membrane, à un schéma général du traitement de l’information olfactive et de proposer son implication dans la formation d’assemblée de neurones. / The respiration-related slow rhythm strongly shapes the activity of the olfactory bulb. This rhythm is characterized by high amplitude oscillations in the local field potential, respiration synchronization of mitral/tufted (M/T) cell discharge and slow oscillation of M/T cell membrane potential (OLPM). Specific relationships between these activities could determine the M/T cell participation to olfactory processing. However, little is known on these relationships. The aim of my thesis has been to characterize M/T cell OLPM and to study the relationships between OLPM and both discharge and bulbar network activities. In this way, we recorded simultaneously intracellular activity of M/T cell and local field potential of olfactory bulb in anesthetized freely breathing rat. We showed that several types of OLPM can be distinguished and exhibited specific relationship with the respirations ynchronization of M/T cell discharge activity. We observed also specific and complex relationships between OLPM and local field potential oscillation. Taken together, our results allowed us to integrate slow rhythm, and more particularly OLPM, in the more general scheme of olfactory processing.

Chez les mamifères terrestres, l’échantillonnage des odeurs (flairage) est inextricablement lié à la respiration. Le flairage contraint à la fois le décours temporel et l’intensité de l’input olfactif. Or le flaireage est un acte dynamique, il peut varier aussi bien en fréquence qu’en débit. Dans une 1ère partie de mon travail de thèse, nous avoins souhaité caractériser l’impact des variations de fréquence et de débit respiratiore sur l’activité du bulbe olfactif. Pour cela, nous avons mis au point une méthode de double trachéotomie chez le rat anesthésié nous permettant de contrôler précisément les flux d’air ans la cavité nasale. En paralèlle, nous avons enregistrer l’acitivité unitaire et de réseau du bulbe olfactif. Nous montrons que les variations de flairage modulent la représentation neuronale bulbaire des odeurs en modifiant à la fois l’activité de décharge des cellules principales et l’occurence des oscillaations du potentiel de champ local. Dans une 2e partie de ma thèse, nous avons souhaitécomprendre quel pouvait être le rôle du flairage chez un animal qui se comporte. Nous avons posé l’hypothèse qu’un animal pouvait adapter sa façon de flaireer en fonction de la qualité des molécules odorantes. Pour tester cette hypothèse, nous avons mis au point un système d’enregeistrement non invasif de la respiration couplé à une tâche de discrimination olfactive chez le rat. Nous montrons non seulement que les animaux peuvent adapter leur flairage en fonction des molécules odorantes masi également en focntion du contexte dans lequel l’odeur est présentée. L’ensemble de ces résultats s’intègre donc dans la problématique plus générale de l’intégration sensori-motrice. / In terrestrial mammals, an inextricable link between olfaction and respiration exists due to the periodic sampling of odorant molecules by inhalation. The features of sniffing (or breathing) constrain both the timing and the intensity of the input to the olfactory structures. But rather than being fixed, sniffing in the bahavingrodent is highly dynamic and varies both in frequency and flow rate. During the firs stage of my PhD, I asked to what extent sniffing parameters (frequency and flow rate) variations could affect the olfactory bulb activity. To address this question, I developped a double tracheotomy protocol in anesthetized rats to precisely control and modify the nasal airflow. In parallel, I recorded oldfactory bulbactivities, single-unit activity and local field potentials. We showed that, at the olfactory bulb level, the neutral representation of an odor is highly modified by sampling variations. In fact both the mitral/tufted cell discharge patterns and local field potentials oscilliations were affected by sniffing variations. In the second stage, we wanted to understand the role of sniffing variations in behaving animals. We hypothesized tha t an animal could adapt its sniffing strategy relative to the quality of the odorant molecules. To test this hypothesis, we developped a tool to record sniffing in a non invasive way, and combined it to an olfactory discrimination task in the rat. We showed that animals not only adapted their sniffing relative to the odorant quality but also to the odorant context. Taken together, these results fit into the broader context of sensory-motor integration.

Le rythme lent lié à la respiration est une caractéristique proéminente de l'activité du bulbe olfactif de rat. Il se définit par des oscillations de grande amplitude du potentiel de champ local, une activité de décharge des cellules mitrales/ à panache (M/P) synchronisée à la respiration et des oscillations lentes de leur potentiel de membrane (OPLM). Des relations spécifiques entre ces activités détermineraient la participation d'une cellule M/P au traitement de l'information olfactive. Jusqu'à présent, il n'existait que très peu de données sur ces relations. L'objectif de cette thèse a été de caractériser les OLPM des cellules M/P et d'étudier les relations qu'elles entretiennent avec l'activité de décharge et l'activité du réseau bulbaire. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis au point une technique d'enregistrements simultanés de l'activité intracellulaire des cellules M/P et du potentiel de champ local du bulbe olfactif chez l'animal anesthésié et libre de respirer. Nous montrons que plusieurs types d'OLPM existent. Des relations spécifiques s'établissent entre ces OLPM et la synchronisation de l'activité de décharge à la respiration. Nous observons également l'existence de relations complexes entre les OLPM et les oscillations du réseau bulbaire. L'ensemble de ces résultats nous permet d'intégrer la dynamique lente, et plus particulièrement celle du potentiel de membrane, à un schéma général du traitement de l'information olfactive et de proposer son implication dans la formation d'assemblée de neurones.

Sonder la matière en utilisant des nanoparticules luminescentes nécessite une compréhension de chaque processus pouvant modifier leurs propriétés optiques. Cette thèse se focalise sur l'influence de l'environnement diélectrique sur la luminescence de deux types de nanoobjets : (i) des boites quantiques colloïdales (QDs), et (ii) des nanobâtonnets d'or. L'objectif est d'évaluer les potentialités de ces nanostructures comme sondes locales de l'environnement diélectrique.L'évolution de la dynamique de relaxation de QDs dans différents environnements diélectriques est interprétée en terme d'indice de réfraction effectif local. Cette étude montre qu'une analyse détaillée de la sensibilité des QDs à l'environnement permet de les utiliser comme nanosondes biologiques d'indice de réfraction. Nous présentons également une nouvelle méthode pour l'encapsulation de QDs en matrice diélectrique solide, à travers le dépôt par laser pulsé. Les émetteurs peuvent être protégés par des films minces et subir des perturbations non-destructives et réversibles de leur environnement proche, à l'échelle de la particule unique, tout en analysant la dynamique de fluorescence. Finalement, la sensibilité de la résonance plasmon de nanobâtonnets d'or à l'approche d'une interface diélectrique est également sondée, puis comparée a celle des boites quantiques / Probing systems using luminescent nanoparticles requires the understanding of all the processes that influence the luminescence properties. This thesis focuses on the influence of the dielectric environment on the luminescence of two types of nanoparticles : (i) colloidal quantum dots (QDs), and (ii) gold nanorods. The aim of this work is to evaluate the potential of these nanostructures to act as local probes of the dielectric environment. The evolution of the relaxation dynamics of QDs in various dielectric media is interpreted in terms of local effective refractive index. This work shows that a detailed analysis of the sensitivity of the QDs to the environment allows their use as biological nanoprobes of refractive index. We furthermore present a new method for the encapsulation of QDs in a solid dielectric matrix, using pulsed laser deposition. The emitters can be incorporated in thin films and their local environment can be modified in a reversible and non-destructive way, while the emission dynamics is investigated at the single emitter level. Finally, the sensitivity of the surface plasmon resonance of gold nanorods to an approching dielectric interface is also studied, and compared to the one found for QDs

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

L’incertitude est un processus cognitif communément expérimenté lors d’une prise de décision. Dansle trouble obsessionnel-compulsif (TOC), il est excessif et compromet les capacités décisionnelles del'individu.Ce travail avait comme objectif une meilleure compréhension des aspects physiologiques etphysiopathologiques de l’incertitude, au travers d'une double approche, comportementale etélectrophysiologique. Dans un premier temps, nous avons construit une tâche originale qui permetd'exprimer son incertitude au cours d'une prise de décision. Avec cette "tâche d’incertitude", nousavons exploré les relations entre mémoire de travail et incertitude. Nous avons montré que lescapacités de mémoire de travail prédisaient la propension à l'incertitude chez les volontaires sains alorsque l'incertitude était suivie d'une dégradation des performances mnésiques chez les patients TOC.Puis, nous avons trouvé une relation entre capacités mnésiques et incertitude dans une population depatients épileptiques caractérisée par des déficits mnésiques, confirmant ainsi le rôle des capacitésmnésiques dans la survenue de l'incertitude physiologique.Pour l'étude des corrélats neuronaux, nous avons mesuré l'activité électrophysiologique intracérébraledes régions impliquées dans la prise de décision au cours de la tâche d'incertitude, chez des patientsépileptiques pour les structures corticales et chez des patients TOC pour les structures sous-corticales.Nous avons montré que l'incertitude était associée à : 1/ une diminution d’amplitude des potentielsévoqués des régions préfrontales et prémotrices ; 2/ une moindre synchronisation des bandes defréquence alpha et bêta en temps-fréquence ; 3/ une augmentation de l'amplitude des potentielsévoqués dans le noyau sous-thalamique. Nos résultats suggèrent un défaut d'engagement des structurescorticales impliquées dans la prise de décision au cours de l'incertitude. Enfin, notre travail tend àconfirmer le rôle du noyau sous-thalamique dans la physiopathologie du TOC et dans les mécanismessous-tendant l’incertitude pathologique. / Uncertainty is a cognitive process that frequently influences our decisions in everyday life. Inobsessive-compulsive disorder (OCD), the high level of uncertainty usually alters the decision-makingprocess.This work aimed to a better understanding of physiological and pathophysiological aspects ofuncertainty, by exploring its relationships with working memory abilities and its neural correlates. Anoriginal task derived from a delayed matching-to-sample task was created with the possibility toexpress felt uncertainty during decision-making. With this "uncertainty task", we demonstrated thatbaseline working memory abilities predicted the occurrence of uncertainty in healthy individualswhereas uncertainty was followed by a decrease in working memory abilities in OCD patients. Therole of working memory abilities in the occurrence of uncertainty was further confirmed in a clinicalpopulation of epileptic patients suffering from baseline working memory impairments.For the study of the neural correlates of uncertainty, we measured intracerebral local field potentials(LFPs) in regions involved in decision-making during the uncertainty task. Cortical and subcorticalLFPs were obtained in epileptic and OCD patients, respectively. We showed that uncertainty wasassociated with: 1/ a decreased amplitude of evoked responses in cortical prefrontal and premotorregions, 2/ a reduced synchronization of alpha-beta frequency bands in time-frequency analyses, 3/ anincreased amplitude of evoked responses in the subthalamic nucleus. Our findings suggested adiminished cortical activation in uncertain decision-making and confirmed the role of the subthalamicnucleus in OCD pathophysiology and in the mechanisms underlying the occurrence of pathologicaluncertainty.

Dans le système nerveux central, l'activation d'un groupe de neurones entraine une augmentation locale du débit sanguin pour répondre à leurs besoins métaboliques accrus. Cette relation, connue sous le nom de couplage neurovasculaire (CNV), est essentielle pour utiliser l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) en recherche et en clinique. En effet, grâce au CNV, il est possible d'inférer l'activité neuronale à partir des réponses hémodynamiques mesurées lors des scans d’IRMf. Comprendre précisément le CNV est essentiel pour évaluer de manière fiable les changements fonctionnels dans la moelle épinière, notamment lors de pathologies ou de traitements qui affectent cette région. De plus, une connaissance approfondie du CNV permet de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques ciblant les dysfonctionnements neurovasculaires. Bien que le CNV du cortex cérébral soit bien documenté, les informations concernant le CNV de la moelle épinière restent insuffisantes, comme souligné dans notre revue de littérature (chapitre 2). Ce manque de données sur le CNV de la moelle épinière peut entrainer des suppositions incorrectes si les propriétés du CNV cérébral sont appliquées de manière inappropriée à la moelle épinière. Ainsi, dans cette thèse, nous explorons la régulation du CNV de la moelle épinière en réponse à diverses conditions associées à la douleur, qui influencent généralement le CNV cérébral. Les conditions étudiées incluent l'effet de l’anesthésie à l'isoflurane (chapitre 3), les variations de la pression artérielle systémique (chapitre 4), la dysrégulation des astrocytes (chapitre 5), et les impacts de la douleur lombaire chronique (chapitre 6). Les méthodes comprenaient l'utilisation simultanée d’une multiélectrode et d'une sonde laser Doppler pour mesurer respectivement l'activité neuronale et le débit sanguin local dans la corne dorsale de la moelle épinière chez des rats Wistar, lors de stimulations électriques graduées du nerf sciatique. Nos résultats indiquent que le CNV reste stable malgré l'exposition à l'isoflurane à 1.2%, soutenant l'utilisation de cet anesthésiant général dans les études subséquentes de cette thèse. 6 Nos expérimentations ont révélé que les réponses hémodynamiques locales de la moelle épinière ne sont pas confondues par des changements significatifs de la pression artérielle induits par des stimulations nociceptives, assurant ainsi la constance du CNV. Par ailleurs, dans notre modèle de douleur chronique lombaire, induit par l'injection de l'adjuvant de Freund, connu pour entrainer de la neuroinflammation, nous avons observé que le CNV de la moelle épinière restait stable. Cette stabilité du CNV a été maintenue malgré l'émergence d'une hypersensibilité mécanique primaire et secondaire, révélant une sensibilisation centrale. Cependant, l'inhibition pharmacologique des astrocytes a altéré le CNV en réduisant les réponses hémodynamiques aux stimulations électriques, ce qui met en évidence le rôle crucial des astrocytes dans la modulation du CNV. Toutefois, nous avons observé que le décours temporel des réponses hémodynamiques locales est modifié par l'isoflurane et par les processus reliés à la douleur chronique. Par conséquent, même si la précision des interprétations des résultats de l'IRMf spinale est généralement validée par nos études, les changements de latence que nous avons observés exigent une analyse minutieuse des signaux d'IRMf spinale dans ces contextes spécifiques. De plus, compte tenu de l'impact significatif de la dysrégulation des astrocytes sur le CNV, nous recommandons d’interpréter avec prudence les résultats d'IRMf spinale dans des conditions similaires. En conclusion, cette thèse approfondit notre compréhension du CNV dans la moelle épinière, mettant en lumière l’unicité du CNV spinal par rapport à celui du cerveau. / In the central nervous system, the activation of a group of neurons leads to a local increase in blood flow to meet their increased metabolic needs. This relationship, known as neurovascular coupling (NVC), is crucial for the use of functional magnetic resonance imaging (fMRI) in research and clinical settings. Indeed, NVC allows for the inference of neuronal activity from measurements of hemodynamic responses. Precisely understanding NVC is essential for reliably assessing functional changes in the spinal cord, particularly in pathologies or treatments affecting this region. Moreover, a deep knowledge of NVC enables the development of new therapeutic strategies targeting neurovascular dysfunctions. Although NVC of the cerebral cortex is well-documented, information regarding spinal cord NVC remains insufficient, as highlighted in our literature review (Chapter 2). This lack of data on spinal NVC may lead to incorrect assumptions if cerebral NVC properties are inappropriately applied to the spinal cord. Thus, in this thesis, we explore the regulation of spinal NVC in response to various conditions associated with pain, which generally influence cerebral NVC. The conditions studied include the effect of isoflurane anesthesia (Chapter 3), variations in systemic blood pressure (Chapter 4), dysregulation of astrocytes (Chapter 5), and the impacts of chronic lumbar pain (Chapter 6). The methods included the simultaneous use of multi-electrodes and a laser Doppler probe to measure neuronal activity and local blood flow in the dorsal horn of the spinal cord in Wistar rats during graded electrical stimulations of the sciatic nerve. Our results indicate that NVC remains stable despite exposure to 1.2% isoflurane, supporting the use of this anesthetic in subsequent studies of this thesis. Our experiments revealed that local hemodynamic responses in the spinal cord are not confounded by significant changes in blood pressure induced by nociceptive stimulations, thus ensuring the consistency of NVC. Additionally, in a model of chronic lumbar pain induced by Freund's adjuvant injection, which is known to cause neuroinflammation, NVC remained stable despite the emergence of primary and secondary hypersensitivity, a sign of central sensitization. However, the 8 pharmacological inhibition of astrocytes altered NVC by reducing hemodynamic responses to electrical stimulations, highlighting the crucial role of astrocytes in modulating NVC. However, we demonstrate that the temporal course of local hemodynamic responses is altered by isoflurane and the processes associated with chronic pain. Therefore, although the accuracy of the interpretations of spinal fMRI results is generally validated by our studies, the latency changes of vascular responses in the aforementioned conditions, as well as the impact of astrocyte dysregulation, urge us to interpret these results with caution. In summary, this thesis enhances our understanding of NVC in the spinal cord, while illustrating significant differences with cerebral NVC, except in the essential role of astrocytes.