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Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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

Durant le développement, l’innervation d’une zone précise du cerveau par certaines branches axonales est un mécanisme encore mal compris. Afin d’aborder cette question, je me suis intéressée aux axones rétiniens qui innervent deux cibles principales du système visuel : le corps genouillé latéral dorsal (CGLd) et le colliculus supérieur. J’ai étudié le rôle de la protéine de guidage Sémaphorine 6D et de son récepteur Plexine-A1 dans l’innervation spécifique du CGLd par les axones rétiniens. J’ai ainsi découvert que chez les souris Sema6D-/- et Plexine-A1-/-, le tractus optique (formé par les axones rétiniens) entre dans le CGLd au lieu de le contourner et certains axones rétiniens innervent des régions ectopiques de l’autre côté du tractus optique. De plus, l’analyse des souris simple ou double hétérozygotes indique que ces deux protéines interagissent avec un mécanisme dose-dépendant. Grâce à des expériences de perte et de gain de fonction par électroporation rétinienne in utero, j’ai pu montrer la nécessité de Sema6D et de Plexine-A1 dans la rétine pour l’innervation des axones rétiniens et ce via des effets non cellulaire autonomes. Ces résultats révèlent un mécanisme dose-dépendant dans lequel Sema6D et PlexineA1 interagissent et assurent une communication axone-axone permettant l’innervation précise du CGLd par une sous-population d’axones rétiniens. / During development, axons branch at precise points to innervate a specific brain target, yet the mechanisms at hand are still unclear. To address this question, I used retinal axons forming the optic tract that innervate two principal targets of the visual system: the dorsal lateral geniculate nucleus (dLGN) and the superior colliculus. I investigated the role of the guidance receptor Plexin-A1and its ligand Semaphorin-6D (Sema6D) in this targeting process. Here I highlight a new type of phenotype in Plexin-A1-/- or Sema6D-/- mice. In these mice, the optic tract enters in the dLGN instead of circumscribing it and some retinal axons innervate ectopic regions at the other side of the optic tract. Furthermore, the analysis of simple or double heterozygotes mice reveals that Plexin-A1 and Sema6D interact together with a dose-dependent effect. Using loss and gain of function experiments (via retinal in utero electroporation), I showed that both are necessary in the retina for proper retinal innervation through non-cell autonomous effects. All these results reveal for the first time a dose-dependent mechanism, in which Sema6D and Plexin-A1 interact together. They monitor axon-axon communication to allow the correct innervation of the dLGN by a subpopulation of retinal axons.