Le toucher joue un rôle prépondérant dans notre vie quotidienne. Il est connu depuis longtemps que l’acuité tactile peut être améliorée par effet de la plasticité cérébrale, suite à entraînement. Une autre forme d’amélioration, indépendante de l’entraînement, peut être obtenue grâce à une simple stimulation mécanique d’une petite région de la peau, appelée stimulation somatosensorielle répétée (RSS). Avant de commencer ce travail de thèse, il avait été montré que la RSS pouvait améliorer l’acuité tactile localement (sur le doigt stimulé) et aussi à distance (sur le visage) mais la topographie de l’amélioration tactile, notamment sur les autres doigts, demeurait inconnue. Également, l’hypothèse d’appliquer la RSS sur une autre région du corps (notamment le visage) et vérifier ses effets à la fois locaux sur le visage, ainsi qu’à distance sur les doigts, n’avait jamais été investiguée. Le but de mon travail de thèse constituait donc à investiguer la topographie de l’amélioration tactile induite par RSS au sein d’une même et entre plusieurs régions du corps. Une première étude a révélé que la RSS d’un doigt est capable d’induire une amélioration tactile locale ainsi qu’à distance entre les deux mains. La deuxième étude a prouvé que la RSS d’une région du visage est capable d’induire une amélioration tactile locale ainsi qu’une amélioration tactile à distance sur la main. De plus, l’effet d’amélioration tactile entre la main et le visage est bidirectionnel. Dans leur ensemble, les données expérimentales constituent une contribution significative à l'étude de la topographie des changements tactiles induits par la RSS / Touch plays a fundamental role in our daily activities. It has long been known that, thanks to brain plasticity, tactile acuity can be improved following training. Another form of tactile improvement, independent from training, can be achieved through a simple mechanical stimulation of a small region of the skin, called repetitive somatosensory stimulation (RSS). RSS of a finger was well known to improve tactile acuity locally (on the stimulated finger) and also remotely (on the face). However, topography of tactile improvement, especially on other unstimulated fingers, was unknown. In addition, the hypothesis of applying the RSS to another body region (notably the face) and investigate the possible effects, both in face and fingers, was not explored. The aim of this work of thesis was therefore investigating the topography of the RSS-induced tactile improvement within and between body regions. One first study revealed that RSS of a finger induces tactile improvement both locally and remotely in fingers. The second study showed that, when applied on the face, RSS is able to induce tactile improvement both locally, on the face, and remotely, in the hand, demonstrating that the tactile improvement between the hand and the face is bidirectional. Overall, the experimental data I provide constitute a significant contribution to the study of the topography of RSS-induced tactile changes

The capability to change and adapt, known as plasticity, is one of the most impressive features of the human brain. It is most pronounced during childhood development. While a child acquires various cognitive skills, the brain matures alongside. Language learning is such a process that occurs naturally across childhood development, supposedly within a sensitive period. Originally, the sensitive period for language acquisition was thought to close at puberty, after which language learning was believed to be near impossible. This view has since been challenged and it is now suggested that there are multiple sensitive periods for various aspects of language acquisition. Some aspects are rather well established, e.g. the vocabulary spurt, while others, e.g. comprehension of complex sentences, are not yet fully understood. I was interested in whether and how these two aspects of language learning could be ad- vanced through training within the framework of sensitive periods and how this related to structural plasticity in the healthy developing brain. First, natural gray matter maturation was examined. The results support the existing literature of different trajectories for each gray matter mea- sure and provide new evidence for the widespread maturational process of cortical thinning to be in progress already at four years of age. Second, a word learning training was applied to investigate underlying plastic changes during an ongoing sensitive period of word learning. I found that language-specific inferior frontal areas, as well as domain-general parietal regions, responded to training with gray matter changes. Third, training-induced plasticity was examined at the onset of a sensitive period for complex syntax comprehension. Here, frontal domain-general regions showed plastic changes, but no language-specific regions were engaged. This study underlines the importance of task demands and the crucial role of general processes (e. g. attention and memory) under- lying higher-order tasks such as language learning. The changes to the gray matter structure as a function of language training during specific points in sensitive periods of language acquisition are discussed and I point out how these findings compliment and extend the current literature on brain plasticity in childhood development in the context of cognitive training.

Le sommeil s’avère crucial pour le bien-être de l’organisme. En particulier, le sommeil est une période privilégiée pour le maintien et la plasticité du cortex. En outre, de nombreuses études ont démontré son importance dans les processus de mise à l’échelle des synapses neuronales, la consolidation mnésique, la régularisation des émotions ainsi que la performance cognitive. La période et la structure du sommeil sont gouvernées par deux processus, soit la pression homéostatique et le rythme circadien. Le rythme circadien endogène, généré par le noyau suprachiasmatique de l’hypothalamus, se maintient synchronisé au rythme jour-nuit environnemental par l’information photique provenant des cellules ganglionnaires intrinsèquement photoréceptrices de la rétine. Par conséquent, la lumière et le fonctionnement de la rétine s’avèrent importants pour le maintien du rythme circadien et, en conséquence, le sommeil. De ce fait, il n’est pas surprenant que la cécité soit reliée à une plus grande fréquence de troubles du sommeil. Ceux-ci proviennent, du moins en partie, de rythmes circadiens non-synchronisés ou en libre cours causé par l’absence d’information photique. La cécité induit aussi une modulation anatomique et fonctionnelle du cortex, en particulier dans les aires visuelles. Cette réorganisation corticale peut, donc, aussi moduler l’activité corticale lors de l’état de sommeil. Les études, qui font l’objet de cette présente thèse, visent à investiguer les effets de la cécité sur la période et la structure du sommeil. En particulier, des données comportementales et physiologiques furent comparées entre un groupe de participants avec cécité, ne reportant aucune perception visuelle résiduelle, et un groupe contrôle de participants ayant une vision normale. La cécité était d’origine congénitale chez la moitié des participants et elle fut acquise plus tard dans la vie chez les autres participants aveugles. Les présentes études rapportent sur la qualité de leur sommeil, le rythme éveil-sommeil, la phase du rythme circadien, ainsi que la macro- et microstructure de leur sommeil. En lien avec les études antérieures, les aveugles démontrent une plus grande fréquence de phases anormales du rythme circadien, de troubles du sommeil et de déstabilisation du rythme éveil-sommeil. De plus, bien que la structure du sommeil demeure généralement présente en absence de vision, certaines modulations électrophysiologiques furent observées. En particulier, des différences dans l’activité corticale lors du sommeil NREM observées entre les aveugles congénitaux et les aveugles tardifs suggèrent que la réorganisation corticale, provenant de la perte de vision, peut être observée lors du sommeil. De plus, la modulation des aires corticales visuelles associée avec la cécité résulte en une absence de certaines composantes caractéristiques des différents stades du sommeil. Notamment, l’oscillation occipitale de fréquence alpha observée lors d’un état de repos et lors de l’endormissement se voit absente chez les aveugles. Les résultats démontrent que la modulation du rythme circadien ainsi que la réorganisation corticale associée avec la cécité agissent sur la période et la structure caractéristique du sommeil. / Sleep is a crucial state for the wellbeing of humans. More specifically, sleep is a privileged period for cortical maintenance and plasticity. Accordingly, numerous studies have demonstrated the importance of sleep in synaptic downscaling processes, memory consolidation, emotional regulation, as well as cognitive performance. The timing and structure of sleep is shown to be governed by two main processes: the homeostatic pressure and the circadian rhythm. In turn, the endogenous circadian rhythm, produced by the suprachiasmatic nucleus of the hypothalamus, is entrained to the day-night environmental cycle by photic input from the intrinsically photoreceptive retinal ganglion cells. Thus, light is necessary for the proper entrainment of the circadian rhythm, and consequently, for sleep. It is, therefore, not surprising that blindness is associated with a greater incidence of sleep disturbances. Specifically, these disturbances can be, in part, explained by abnormal or free-running circadian rhythms resulting from the absence of photic input. Further, absence of visual input also induces anatomical and functional changes throughout the brain, and specifically in the visual cortical areas. Such cortical reorganisation could, potentially, also modulate the cortical activity of sleep. The studies that compose the present thesis aim to expand upon the effects of blindness on the timing and structure of sleep. Specifically, both behavioural and physiological data were collected and compared between a group of blind participants, reporting no conscious light perception, and a control group of normal sighted participants. In the blind group, half of the participants were born blind, while the other half had acquired blindness later in life. The studies report on the various components of sleep, including its quality, the sleep-wake rhythm, the phase of the circadian rhythm, as well as its macro- and microstructure. In line with previous studies, a larger incidence of abnormal circadian phase, sleep disturbances, and reduced sleepiv wake stability were observed in the blind group. Further, although the macro- and microstructure of sleep remains generally present in the absence of vision, certain electrophysiological differences were, nevertheless, observed. Differences in NREM cortical activity observed between the congenitally and late blind participants suggest that the cortical reorganisation associated with the absence of vision may be detected through electrophysiological recordings of sleep. Further, modulations of cortical activity in blindness also resulted in the absence of certain characteristics of the different stages of sleep. Namely, occipital alpha oscillations, typically observed during a quiet resting state and in the transition from wake to sleep, are absent in blind individuals. These results, therefore, demonstrate that both the circadian rhythm abnormalities and the cortical reorganisation that is associated with the absence of vision can influence both the timing and the structure of sleep in blind individuals.

Le toucher a un rôle critique dans notre vie quotidienne pour saisir, manipuler des objets, ou simplement marcher. Les aires primaires somatosensorielles présentent la particularité d'être organisées somatotopiquement, donnant lieu au dénommé Homunculus. Alors que la plupart de notre surface corporelle est représentée suivant un ordre similaire à sa continuité physique, l'Homunculus présente une discontinuité majeure, la main et le visage étant représentés côte à côte. La frontière main-visage a été souvent utilisée comme un repère pour étudier l'une des particularités les plus fascinantes de notre cerveau, sa capacité de réorganisation. En particulier, la plasticité somatosensorielle a été trouvée capable de traverser la frontière main-visage suite à une privation d'afférences. Alors qu'il est connu depuis longtemps que l'augmentation des afférences conduit également à des changements corticaux souvent associés à des bénéfices perceptifs, la possibilité qu'une telle plasticité puisse traverser la frontière main-visage reste inexplorée. Le travail de ma thèse a pour but d'examiner cette question. Une première étude comportementale a révélé que le fait d'augmenter les afférences d'un doigt améliore non seulement l'acuité tactile de ce doigt, mais aussi du visage, suggérant un transfert de changements plastiques au travers de la frontière main-visage. Afin d'examiner ceci, deux études supplémentaires ont été réalisées en utilisant deux techniques complémentaires d'imagerie cérébrales, à savoir l'IRMf et la MEG. En adéquation avec nos hypothèses, une réorganisation des représentations de la main et du visage a été trouvée. Dans l'ensemble, ce travail révèle qu'une plasticité adaptative menant à des bénéfices perceptifs peut se propager sur de larges distances corticales, en particulier au-delà de la frontière main-visage, et par conséquent ouvre une nouvelle fenêtre d'investigation pouvant avoir un réel impact dans la promotion de rééducation / Touch plays a critical role in our daily life to grasp and manipulate objects, or simply walk. The primary somatosensory areas exhibit the striking feature of being somatotopically organized, giving rise to the so-called Homunculus. While most of our body surface is represented following an order similar to its physical continuity, the Homunculus displays a major discontinuity, the hand and the face being represented next to each other. The hand-face border has been widely used as a somatotopic hallmark to study one of the most fascinating features of our brain, its capacity for reorganization. Particularly, somatosensory plasticity was found to cross the hand-face border following deprivation of inputs. While it has long been known that increasing inputs also leads to cortical changes typically associated with perceptual benefits, whether such plasticity can cross the hand-face border remains unknown. My thesis work aimed to investigate this question. A first behavioural study revealed that increasing inputs to a finger improves not only the tactile acuity at this finger, but also at the face, suggesting a transfer of plastic changes across the hand-face border. To investigate this, two additional studies were performed using two complementary brain imaging techniques, namely high-field fMRI and MEG. In agreement with our hypotheses a reorganization of both hand and face representations was found. Altogether, this work reveals that adaptive plasticity leading to perceptual benefits can spread over large cortical distances, in particular across the hand-face border, and thus opens up a new window of investigation that may have a real impact in promoting rehabilitation

Le cortex cérébral est impliqué dans plusieurs fonctions entre autres le traitement des informations sensorielles. Il inclut des zones recevant directement une entrée sensorielle telle que le cortex visuel primaire (V1) qui traite les informations visuelles. Au niveau du V1 des mammifères, chaque neurone présente une combinaison préférentielle de stimuli pour lesquels sa réponse est optimale. Cela dit, chaque attribut de stimulus tel que les fréquences temporelle et spatiale, l’orientation et la direction du mouvement induit une réponse maximale du neurone. Le neurone du V1 est donc sélectif. Cependant, cette sélectivité n’est pas le résultat de l’activité du neurone en question seul, mais plutôt du réseau neuronal dans lequel il est impliqué. L’ensemble des préférences d’un neurone ainsi que le réseau neuronal auquel il appartient demeurent sensiblement inchangés, tant que les facteurs contextuels ne varient que peu ou pas. Toutefois, si les composantes de l’environnement changent de manière imposante, la sélectivité neuronale et l’organisation du réseau original seront modifiées pour induire un nouvel état d’équilibre. C’est la plasticité neuronale. Le but ultime de cette thèse est de comprendre et d’approfondir les connaissances relatives aux mécanismes régissant la sélectivité à l’orientation ainsi que la plasticité dans V1, et ce, par différentes études qui sont organisées, dans cette thèse en trois sections. Les sections (3) et (4) se basent sur une étude pharmacologique qui vise à examiner l’effet de la kétamine sur la sélectivité à l’orientation (section 3) et sur l’adaptation visuelle tout en traitant la connectivité neuronale (section 4). La section (5) vise à examiner l’effet de l’adaptation sur l’affinité des courbes d’accord des neurones. Ce travail a permis d’étudier l’effet de la kétamine et de l’adaptation visuelle sur les propriétés sélectives à l’orientation des neurones ainsi que sur la dynamique des relations fonctionnelles au sein du microcircuit. / The cerebral cortex plays a key role in several functions including the processing of sensory information. It contains areas that receive direct sensory input such as the primary visual cortex (V1) which processes visual information. V1 neurons of mammals are selective for several attributes, such as spatial and temporal frequencies, orientation, and direction of motion. Thus, V1 neurons exhibit selectivities. This neuronal selectivity rests in the convergence of clusters of synapses involved in the network. Neural selectivity and networks are formed during the sensitive period of brain development and is present throughout the animal’s life. However, in V1 during postnatal life, the neuronal selectivity and the neural circuitry are further shaped by experience, thus, rendering it plastic. The main objective of the current thesis is to understand the mechanisms involved in the orientation selectivity as well as the neuroplasticity in V1. To this aim, different investigations, organized in this thesis, in three sections, were carried out. The sections (3) and (4) are based on a pharmacological study that aim to examine the effect of ketamine on orientation selectivity (section 3) and on visual adaptation in relation with neural connectivity (section 4). The study presented in the third section (section 5) investigated the effect of adaptation on the cell’s tuning. Here, we disclose the effects of ketamine and visual adaptation on the cell’s tuning properties as well as on the dynamics of functional relationships between neurons in the microcircuit.

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive. / Sensory cortex is an essential area where sensory perception occurs. Especially visual cortex processes visual information transmitted from the retina through the thalamus. By different neuronal activation the information is segregated and sent to diverse visual area for interpretation. Neurons are the basic unit that transform sensory information into electrophysiological signal, transfer to the cortex and integrate it. Connection between neurons can be modulated depending on the persistent presynaptic activity inducing either a long-term increase or decrease of the post-synaptic activity. Modification in synaptic strength can affect large area and induce reorganization of cortical map (i.e. cortical plasticity) which changes the representation of the visual stimulus and its weight in visual processing. Cortical plasticity can occur during juvenile while forming developmental connection or in adult while acquiring novel information (i.e. learning). The neurotransmitter ACh is involved in many cognitive functions, such as learning or attention and it was demonstrated that lesioning or blocking cholinergic system diminishes cortical plasticity. It was shown that nicotinic, M1 subtype and M2 subtype muscarinic receptors are the major cholinergic receptors abundant in the cortex and implicated during cortical plasticity induction. In a first part, I analyzed visual evoked potentials (VEPs) in V1 of rats during a 4-8h period after coupling visual stimulation to an intracortical injection of ACh agonist carbachol or stimulation of basal forebrain. To clarify the action of ACh on VEP activity in V1, we individually injected muscarinic, nicotinic, α7, and NMDA receptor antagonists just before carbachol infusion. Stimulation of the cholinergic system paired with visual stimulation significantly increased VEP amplitude for long-term. Pre-inhibition of muscarinic, nicotinic and NMDA receptor completely abolished this long-term enhancement, while α7 inhibition induced an instant increase of VEP amplitude. This suggests a role of ACh in facilitating visual stimuli responsiveness which involves nicotinic and muscarinic receptors with an interaction of NMDA transmission in the visual cortex. These mechanisms were similar to long-term potentiation, a neurobiological mechanism of learning. In a second step, I evaluate whether cholinergic modulation of visual neurons results in cortical activity and visual perception changes. Awake adult rats were exposed repetitively for two weeks to an orientation-specific grating with coupling visual stimulation to an electrical stimulation of the basal forebrain. The visual acuity, as measured using a visual water maze before and after coupling visual/cholinergic stimulation was increased. The increase in visual acuity was not observed when visual or basal forebrain stimulation was performed separately nor when cholinergic fibers were selectively lesioned prior to the visual stimulation. There was a long-lasting increase in cortical reactivity of the primary visual cortex shown by c-Fos immunoreactivity of both pyramidal and GABAergic interneuron. These findings demonstrate that when coupled with visual training, the cholinergic system improves visual performance for the trained orientation probably through enhancement of attentional processes and cortical plasticity in V1 related to the ratio of excitatory/inhibitory inputs. Finally, I also investigated the different pharmacological mechanisms involved in the visual enhancement. Pre- and post-pairing visual/cholinergic stimulation VEP were compared with selective administered agonist/antagonist during the pairing. Awaken adult rats were exposed during 10 minutes per day for 1 week to an orientation specific grating with an electrical stimulation of the basal forebrain. Intracortical injection of different pharmacological agents during pairing demonstrated that nicotinic and M1 muscarinic receptors are used to amplify cortical response while M2 muscarinic receptor suppresses GABAergic neurons to disinhibit excitatory neurons. Infusion of GABAergic antagonist supported that inhibitory system is crucial to induce cortical plasticity. These findings demonstrate that visual training coupled with the cholinergic stimulation enhances the cortical plasticity mediated by nicotinic, M1 and M2 muscarinic receptors, which the latter induces a disinhibition by suppressing GABAergic neuron. The cholinergic system is a potent neuromodulatory system. Boosting this system during perceptual learning robustly enhances the sensory perception. Especially, pairing a cholinergic activation with a visual stimulation increases the signal-to-noise ratio, cue detection ability in the primary visual cortex. This cholinergic enhancement increases the strength of thalamocortical afferent to facilitate the treatment of a novel stimulus while decreasing the cortico-cortical signaling to minimize recurrent or top-down modulation. This is mediated by different cholinergic receptor subtypes located in both glutamatergic and GABAergic neurons of the different cortical layers. The mechanisms of cholinergic enhancement are closely linked to attentional processes, long-term potentiation and modulation of the excitatory/inhibitory balance. The present thesis shows that electrical stimulation of the basal forebrain has similar effect with cholinergic agonist release and pairing visual/cholinergic stimulation induces cortical plasticity. Repetitive pairing of visual/cholinergic increases visual discrimination capacity and enhances perceptual ability. This enhancement is followed by an augmentation of neuronal activity demonstrated by c-Fos immunohistochemistry. Immunoreactivity also shows difference in glutamatergic and GABAergic neurons activities between layers. Pharmacological injection during visual/cholinergic pairing suggests that nicotinic and M1 muscarinic receptor can amplify excitatory response while M2 receptor controls GABAergic activation. Altogether cholinergic system activated during visual process induces cortical plasticity and can enhance perceptual ability. Further understanding of this training has the potential to accelerate visual recovery or boost cognitive function.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La stimulation électrique transcrânienne à courant direct (tDCS) est une technique non invasive de neuromodulation qui modifie l’excitabilité corticale via deux grosses électrodes de surface. Les effets dépendent de la polarité du courant, anodique = augmentation de l’excitabilité corticale et cathodique = diminution. Chez l’humain, il n’existe pas de consensus sur des effets de la tDCS appliquée au cortex somatosensoriel primaire (S1) sur la perception somesthésique. Nous avons étudié la perception vibrotactile (20 Hz, amplitudes variées) sur le majeur avant, pendant et après la tDCS appliquée au S1 controlatéral (anodale, a; cathodale, c; sham, s). Notre hypothèse « shift-gain » a prédit une diminution des seuils de détection et de discrimination pour la tDCS-a (déplacement vers la gauche de la courbe stimulus-réponse et une augmentation de sa pente). On attendait les effets opposés avec la tDCS-c, soit une augmentation des seuils (déplacement à droite et diminution de la pente). Chez la majorité des participants, des diminutions des seuils ont été observées pendant et immédiatement suivant la tDCS-a (1 mA, 20 min) en comparaison à la stimulation sham. Les effets n’étaient plus présents 30 min plus tard. Une diminution du seuil de discrimination a également été observée pendant, mais non après la tDCS-c (aucun effet pour détection). Nos résultats supportent notre hypothèse, uniquement pour la tDCS-a. Une suite logique serait d’étudier si des séances répétées de tDCS-a mènent à des améliorations durables sur la perception tactile. Ceci serait bénéfique pour la réadaptation sensorielle (ex. suite à un accident vasculaire cérébral). / Transcranial direct-current stimulation (tDCS) is a non-invasive neuromodulation technique which aims to modify cortical excitability using large surface-area electrodes. tDCS is thought to increase (anodal, a-tDCS) or decrease (cathodal, c-tDCS) cortical excitability. At present, there is no consensus as to whether tDCS to primary somatosensory cortex (S1) modifies somatosensory perception. This study examined vibrotactile perception (frequency, 20 Hz, various amplitude) on the middle finger before, during and after contralateral S1 tDCS (a-, c- and sham, s-). The experiments tested our shift-gain hypothesis which predicted that a-tDCS would decrease vibrotactile detection and discrimination thresholds (leftward shift of the stimulus-response function with increased gain/slope), while c-tDCS would increase thresholds (shift to right; decreased gain). The results showed that weak, a-tDCS (1 mA, 20 min), compared to sham, led to a reduction in both thresholds during the application of the stimulation in a majority of subjects. These effects persisted after the end of a-tDCS, but were absent 30 min later. Cathodal tDCS, vs sham, had no effect on detection thresholds; in contrast, there was a decrease in discrimination threshold during but not after c-tDCS. The results thus supported our hypothesis, but only for anodal stimulation. Our observation that enhanced vibrotactile perception outlasts, albeit briefly, the period of a-tDCS is encouraging. Future experiments should determine whether repeated sessions of a-tDCS can produce longer lasting improvements. If yes, clinical applications could be envisaged, e.g. to apply a-tDCS to S1 in conjunction with retraining of sensory function post-stroke.

La paralysie cérébrale (PC) regroupe un ensemble varié de troubles moteurs, sensoriels et cognitifs, liés à des lésions de la substance blanche (i.e. leucomalacie périventriculaire, PVL) survenant, le plus souvent, après un épisode hypoxo-ischémique autour de la naissance. Afin de reproduire la PVL chez l'animal, nous utilisons une ischémie prénatale (PI) qui induit des lésions des substances blanche et grise. Les rats ischémiés développent des déficits cognitifs visuo-spatiaux et une hyperactivité, également observés chez les patients atteints de PC, liés à des lésions du cortex entorhinal, préfrontal et cingulaire. La PI n'induit que des troubles locomoteurs modérés associés à des signes de spasticité, et une atteinte anatomique et fonctionnelle du cortex somesthésique primaire (S1), tandis que le cortex moteur (M1) reste intact. Ainsi, la PI reproduit les symptômes observés chez les enfants et adultes nés prématurément. La présence de mouvements spontanés anormaux au cours de la 1ère année conduisant à la PC suggère une implication de l'expérience sensorimotrice anormale dans le développement de cette pathologie. La combinaison d'une restriction sensorimotrice (SMR) durant le développement et de la PI induit des troubles cognitifs atténués mais une hyperactivité importante. Les rats combinant PI et SMR présentent des déficits posturo-moteurs drastiques et une spasticité, associés à une dégradation des tissus musculo-squelettiques, comparables à ceux observés chez les patients. Ces troubles moteurs, associés à une désorganisation importante des cartes corticales dans S1 et M1, suggèrent un dysfonctionnement important des boucles d'intégration sensorimotrice. / Cerebral palsy (CP) corresponds to various motor, sensory and cognitive disorders related to white matter damage (i.e. periventricular leucomalacia, PVL) often occurring after perinatal hypoxic-ischemic events. To reproduce PVL in rodents, we used a prenatal ischemia (PI) that induces white and gray matter damage. The ischemic rats exhibit visual-spatial cognitive deficits and hyperactivity, as observed in patients with CP, related to lesions of entorhinal, prefrontal and cingular cortices. Only mild locomotor disorders are induced by PI, associated to signs of spasticity, along with anatomical and functional degradation in the primary somatosensory cortex (S1), while the primary motor cortex (M1) remains unchanged. Thus, PI recapitulates the main symptoms found in children born preterm. Abnormal spontaneous movements (i.e. general movements) observed in infants who develop CP later on suggest that abnormal sensorimotor experience during maturation is key in the development of this catastrophic disease. The combination of a sensorimotor restriction (SMR) and PI in animal induces fewer cognitive deficits but still hyperactivity. Such a combination leads to severe postural and motor disorders, and spasticity, associated with musculoskeletal pathologies, as observed in patients with CP. In addition to motor disorders, drastic topographical disorganization of cortical maps in S1 and M1 suggest a major dysfunction of sensorimotor loops.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal