Dans ce projet de thèse, nous nous sommes intéressés aux mécanismes soustendant la production de forces manuelles dans le contexte du vieillissement chez l’humain. Plus particulièrement, nous avons étudié un phénomène bien documenté relié à la production de force lors d’effort bilatéraux, soit le déficit de force bilatéral (DBL) où la force totale produite pendant des contractions bilatérales est inférieure à la somme des forces produites lors de contractions unilatérales. Ce projet visait donc à mieux cerner le phénomène de DBL en plus d’examiner la présence d’asymétries dans les forces manuelles avec l’âge. Le projet avait également pour but de mieux comprendre les bases neurophysiologiques sous-tendant le DBL et les asymétries dans les forces en lien notamment avec des mesures d’excitabilité et d’inhibition dérivées de la stimulation magnétique transcrânienne (SMT). Deux groupes de participants adultes fortement droitiers, jeunes (n=12 ;4 femmes) et aînés (n=11, 5 femmes) ont été recrutés pour l’étude. Les forces manuelles ont été mesurées par dynamométrie en condition isométrique de pince digitale et de préhension à la fois lors de conditions unilatérales et bilatérales. Diverses mesures dérivées de la SMT (seuil moteur, période silence contra- et ipsilatérale) ont été ensuite effectuées en ciblant le cortex moteur sur chacun des hémisphères. Des indices de latéralité pour caractériser les différences bilatérales ont été calculés tant pour les mesures de forces que les mesures de SMT. Dans la condition unilatérale, la comparaison des indices de latéralité calculées pour les forces (pince et préhension) a montré que les aînés présentaient le même degré d’asymétrie que les jeunes. Lors d’efforts bilatéraux, l’indice bilatéral reflétant le DBL était plus prononcé chez les jeunes (-6 ± 2.2%) que les aînés (-3.2 ± 1.7%), mais cette différence n’était pas statistiquement significative. Pour les mesures de SMT, la comparaison des indices de latéralité n’a pas démontré de différences significatives entre les deux groupes tant pour les mesures d’excitabilité que les mesures d’inhibition transcalleuse. Certaines différences inter-hémisphériques ont été détectées par contre en comparant les mesures brutes (p. ex : potentiels évoqués moteurs facilités). Enfin, des corrélations ont montré que l’indice de latéralité de la pince digitale était relié à l’indice calculée pour la durée de l’inhibition transcalleuse (DIT), de sorte qu’une plus grande asymétrie en faveur de la main droite était associée à un asymétrie de la DIT en faveur du cortex moteur gauche. Quant au DBL, aucune corrélation ne s’est avérée significative avec les indices de latéralité calculés pour les mesures dérivées de la SMT. Par contre, une analyse secondaire incluant seulement les sujets jeunes montrait une corrélation inverse entre le niveau du DBL et le degré de latéralité dans la taille des PEMs facilités, de sorte que les sujets montrant un DBL plus prononcé montraient aussi une plus grande asymétrie corticale de l’excitabilité en faveur du cortex moteur gauche. Une telle relation n’a pas été trouvée chez les aînés. Dans l’ensemble, ces données indiquent qu’avec l’âge il n’existe pas une plus grande asymétrie des forces manuelles lors d’efforts unilatéraux, ni de réduction marquée dans le DBL lors d’efforts bilatéraux. Il ne semble pas exister non plus de plus grandes asymétries avec l’âge dans la plupart des mesures d’excitabilité et d’inhibition transcalleuse. Nos données confirment aussi que le degré d’asymétrie dans la force de la pince est corrélé avec le degré d’asymétrie dans l’inhibition transcalleuse chez nos sujets fortement droitiers. Finalement, concernant le DBL, il semble qu’une plus grande asymétrie de l’excitabilité corticale à gauche, tel que mesuré par la taille des PEMs, soit associée à un déficit plus important lors d’efforts bilatéraux, du moins chez les sujets jeunes.

Au sein des tissus, les cellules sont entourées par une matrice extracellulaire (MEC) dont les propriétés mécaniques influencent de nombreux aspects du comportement cellulaire, tels que la migration ou la différenciation. L’objectif de ce travail était d’explorer les effets de la rigidité de la MEC sur la mitose. En utilisant des hydrogels de polyacrylamide, nous avons observe que des cellules murines et humaines cultivées sur des matrices de rigidités croissantes se divisent plus rapidement. Grace a une analyse protéomique, nous avons mis en évidence que SUN2, une protéine de l’enveloppe nucleaire participe a la régulation de la progression mitotique en réponse a la rigidité de la MEC. Sur une matrice rigide, la stabilité et l’expression de SUN2 augmentent, favorisant ainsi le recrutement de l’actine au niveau cortical lors de la mitose et la progression de la métaphase. L’ensemble de ces résultats révèle l’existence d’un nouveau mécanisme régulant la division cellulaire en fonction de la rigidité de la MEC. Ce mécanisme pourrait notamment jouer un role important dans de nombreux contextes physiologiques et pathologiques associes a une rigidification de la MEC tels que le vieillissement ou l’hypertension artérielle. / Within tissues, cells are surrounded by an extracellular matrix (ECM), whose mechanical properties regulate many aspects of cell behavior, including motility and differentiation. Here we examined the effect of ECM rigidity on cell division. We found that cells divide more rapidly when cultured on substrates with increasing stiffness. We next compared the proteomic content of cells dividing on soft and stiff substrates and we found that ECM rigidity regulates the stability of the LINC complex component SUN2, whose level of expression affects mitotic progression. On rigid substrates, high level of SUN2 promotes cortical actin recruitment, force generation and mitotic progression, while low level of SUN2 delays the onset of anaphase when cells are grown on soft ECM. These results revealed a new mechanism that regulates mitotic progression in response to changes in ECM rigidity.

L’objectif de ce travail était d’étudier certains aspects de la géométrie ou macroarchitecture afin de mieux comprendre la contribution de la géométrie sur le risque de fracture. Pour les os tubulaires, l’apposition périostée tente de compenser la perte osseuse après la ménopause et il existe peu d’études pour les vertèbres. Dans une étude prospective, les dimensions des corps vertébraux augmentent significativement à 3 ans chez les femmes ménopausées ostéoporotiques et que cette augmentation est fortement associée à la taille initiale des os suggérant que les os plus grands ont besoin d’une expansion périostée plus importante pour maintenir la résistance osseuse. Des études antérieures ont suggéré qu’il fallait évaluer la géométrie du rachis dans sa globalité en étudiant le rôle des courbures rachidiennes. Dans une deuxième étude prospective de 3 ans chez des femmes ménopausées ostéoporotiques, la cyphose thoracique est un facteur de risque de fractures vertébrales même après ajustement sur la présence de fractures vertébrales prévalentes. Une troisième étude prospective qui a cherché à identifier les paramètres géométriques associés au risque de fracture de hanche chez les femmes ménopausées ostéoporotiques non traitées montre que l’épaisseur corticale fémorale mesurée par l’outil HSA (Hip Structural Analysis) améliore la prédiction du risque de fracture de hanche indépendamment de la mesure de la densité minérale osseuse (DMO). L’outil géométrique que nous avons développé pour s’affranchir de l’influence de la DMO montre que l’augmentation de la distance intertrochantérienne est associée à une augmentation du risque de fracture indépendamment de la DMO. En revanche l’outil actuel est peu reproductible pour la mesure de la corticale fémorale. / The aim of the study was to study certain aspects of bone geometry or macroarchitecture to understand better the contribution of bone geometry on the risk of fracture. For tubular bones, periosteal apposition can occur to compensate bone loss after the menopause and there is no data concerning the prospective changes in vertebral body dimensions. In a prospective study of women with postmenopausal osteoporosis, vertebral body dimensions increase over 3 years in women and the bigger bones need more periosteal expansion to maintain bone strength. Previous studies showed that whole spine geometry and especially the spinal curvatures need be evaluated to understand the role of vertebral geometry on the risk of fracture. In a second prospective study in postmenopausal osteoporotic women, thoracic kyphosis is a risk factor for vertebral fractures over 3 years, even after adjusting on presence of prevalent fractures. A third prospective study aimed at identifying the geometric parameters associated with an increase risk of hip fracture in postmenopausal osteoporotic women untreated. Femoral cortical thickness measured by HSA tool (Hip Structural Analysis) is associated with an increase risk of hip fracture, independently of bone mineral density (BMD). The geometrical tool which we developed to eliminate the influence of the BMD shows that increase in the intertrochanteric distance is associated with an increase risk of hip fracture.

Le bon fonctionnement cérébral dépend de la production et du positionnement appropriés des neurones, de la formation d’une connectivité neuronale adéquate et exige un équilibre strict de la formation de synapses excitatrice et inhibitrice. Des mutations sur des gènes qui sculptent et entretiennent normalement ces processus peuvent altérer les fonctions neuronales et conduire à divers troubles du développement neurologique chez l'homme, notamment des malformations du développement cortical (MDC). Les MDC sont des causes importantes de retard mental et représentent entre 20 et 40% des cas d'épilepsie résistante aux médicaments chez les enfants. Parmi les nombreux types de MDC, l'hétérotopie nodulaire périventriculaire (HNP) est la forme la plus répandue à l'âge adulte et elle est causée par une glie radiale défectueuse qui résulte en des nodules neuronaux ectopiques tapissant les parois des ventricules latéraux. Environ 88% des patients atteints d'HPN ont une épilepsie focale et la gravité des crises peut varier de légère à rare fréquence et de rémission sans besoin de médicaments antiépileptiques à insoluble. Plusieurs gènes ont été identifiés comme cause génétique de l'HPN chez des patients, notamment FLNA et NR2F1. Aucune corrélation entre l'étendue de l'HNP et la sévérité de l'épilepsie n'a été trouvée, ce qui suggère que des circuits aberrants dans le cortex cérébral normotopique plutôt que des nodules hétérotopiques pourrait expliquer la survenue de crises. Nous avons étudié l'impact in vivo de la perte de ces gènes lors de la dendritogénèse et de la synpatogénèse, ainsi que dans la morphologie et la maturation fonctionnelle des neurones corticaux / Proper brain function depends on the adequate production and positioning of neurons, the formation of correct neuronal connectivity, and requires a strict balance of excitatory and inhibitory synapse formation. Mutations in genes that normally carve and sustain these processes can alter neuronal functions and lead to various neurodevelopmental disorders in humans, including malformations of cortical development (MCD). MCDs are important causes of mental retardation and account for 20% - 40% of drug-resistant epilepsy cases in children. Among the many types of MCD, periventricular nodular heterotopia (PNH) is the most common form in adulthood and is caused by defective radial glia that result in ectopic neural nodules lining the walls of the lateral ventricles. About 88% of PNH patients have focal epilepsy and the severity of seizures can range from mild to rare frequency and remission without the need for antiepileptic drugs to insoluble. Several genes have been identified as a genetic cause of PNH in patients, including FLNA and NR2F1. No correlation between the extent of PNH and the severity of epilepsy was found, suggesting that aberrant circuits in the normotopic cerebral cortex rather than heterotopic nodules could explain the occurrence of seizures. We studied the in vivo impact of the loss of these genes during dendritogenesis and synpatogenesis, as well as in the morphology and functional maturation of cortical neurons.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement d'une sonde ultrasonore afin d'obtenir des nouveaux biomarqueurs de l'os cortical et améliorer la prédiction du risque de fracture. Notre approche se base sur la mesure des ondes guidées ultrasonores dans l'os cortical. La technique de transmission axiale bidirectionelle a été utilisée pour mesurer les modes guidées se propageant dans l'enveloppe corticale des os longs (i.e., le radius). Les propriétés matérielles et structurelles liées à la résistance osseuse ont été obtenues à partir des courbes de dispersion en utilisant un schéma d'inversion. Ainsi, un problème inverse totalement automatique, basé sur une optimisation par algorithmes génétiques et un modèle 2D de plaque libre transverse isotrope, a été développé. Cette procédure d'inversion a d'abord été testée sur des matériaux contrôlés avec des propriétés connues. Puis, la faisabilité d'obtenir des propriétés corticales sur des radii ex vivo a été montrée. Ces estimations ont été validées par comparaison avec des valeurs de référence obtenues avec des techniques indépendantes telles que la micro-tomodensitométrie par rayons X (épaisseur, porosité) et la spectroscopie par résonance ultrasonore (élasticité). Un bon accord a été trouvé entre les valeurs de référence et les estimations d'épaisseur, de porosité et d'élasticité. Enfin, la méthode a été étendue à des mesures in vivo. La validité du modèle en présence de tissus mous a d'abord été démontrée. Puis, les propriétés osseuses ont été obtenues sur des sujets sains. Un bon accord a été trouvé entre l'épaisseur estimée et les valeurs de référence obtenues par tomodensitométrie périphérique haute résolution. / We aimed at developing new ultrasound-based biomarkers of cortical bone to enhance fracture risk prediction in osteoporosis. Our approach was based on the original concept of measuring ultrasonic guided waves in cortical bone. The bi-directional axial transmission technique was used to measure the guided modes propagating in the cortical envelope of long bones (i.e., the radius). Strength-related structural and material properties of bone were recovered from the dispersion curves through an inversion scheme. To this goal, a fully automatic inverse problem based on genetic algorithms optimization, using a 2-D transverse isotropic free plate waveguide model was developed. The proposed inverse procedure was first tested on laboratory-controlled measurements performed on academic samples with known properties. Then, the feasibility of estimating cortical properties of ex vivo radius specimens was assessed. The inferred bone properties were validated by face-to-face comparison with reference values determined by a set of independent state-of-the art technologies, including X-ray micro-computed tomography (thickness, porosity) and resonance ultrasound spectroscopy (stiffness). A good agreement was found between reference values and estimates of thickness, porosity and stiffness. Lastly, the method was extended to in vivo measurements, first, by ensuring the validity of the waveguide model in presence of soft tissues to demonstrate the feasibility of measuring experimental dispersion curves in vivo and infer from them bone properties. Estimated cortical thickness values were consistent with actual values derived from high resolution peripheral computed tomography.

Les processus de plasticité cérébrale entrainés par la perte visuelle restent un domaine méconnu dans le champ des neurosciences. La vision centrale et périphérique, le meilleur compromis évolutionniste entre une bonne résolution spatiale et un volume d’espace échantillonné maximal, sont traitées par des régions différentes du cerveau. Par conséquent, étudier et comprendre l’impact de la perte visuelle centrale ou périphérique dans ces régions constitue une étape cruciale dans l’étude du cerveau visuel. Afin d’étudier ces processus, nous avons utilisé deux modèles de perte visuelle sélective de la vision centrale (la dystrophie maculaire de Stargardt) et périphérique (la rétinopathie pigmentaire), et nous avons évalué l’impact à terme de ces deux types de désafférentation sur la structure et la connectivité fonctionnelle du cerveau. 1. Plasticité structurelle induite par la perte sélective de la vision centrale ou périphérique. Nous avons étudié l’épaisseur corticale (EpCo) et de l’entropie corticale (EnCo, marquer de complexité synaptique) du lobe occipital, région pour laquelle nous disposons d’une cartographie complète des régions cytoarchitectoniques. Nous avons constaté que la perte de la vision centrale induit un amincissement des régions appartenant au flux dorsal, tandis que la perte de la vision périphérique occasionne un amincissement du cortex visuel primaire (CVP), ainsi que des régions du flux ventral et dorsal. Ces effets étaient inattendus si on se rapporte au modèle canonique qui associe la vision centrale au flux ventral et la vision périphérique au flux dorsal. La normalité de l’EnCo dans ces régions, suggère que la complexité synaptique est préservée dans les réseaux neuronaux résiduels. Nous avons identifié des modifications de l’EnCo seulement en cas de perte de la vison centrale, où l’augmentation de l’EnCo dans des régions impliquées dans la reconnaissance des objets pourrait traduire une réponse adaptative à la perte de la haute résolution spatiale de cette partie du champ visuel. Cette augmentation de la complexité synaptique pourrait compenser une éventuelle perte neuronale et être responsable de la normalité de l’EpCo dans ces régions. 2. Plasticité de la connectivité fonctionnelle des régions du cortex visuel primaire recevant les projections de la partie centrale » et périphérique champ visuel Dans cette étude, nous avons exploré et comparé la connectivité fonctionnelle des régions afférentées et desafférentées du CVP de sujets souffrant de dystrophie maculaire de Stargardt et retinitis pigmentosa, avec les régions afféréntées correspondantes du CVP de sujets avec une vision normale. Cette étude a révélé une réorganisation fonctionnelle distincte du CVP afférenté et désafférenté. Ainsi, le CVP qui reçoit les afférences visuelles résiduelles présente une connectivité fonctionnelle accrue avec des régions voisines, probablement afin de favoriser le traitement de l’information visuelle, tandis que le CVP désafférenté augmente sa connectivité fonctionnelle avec des régions plus éloignées, vraisemblablement pour contribuer aux fonctions supérieures et à des processus de type top-down. L’analyse comparative des données morphologiques et fonctionnelles suggère une correspondance des régions amincies du cortex visuel associatif avec des régions qui montrent une diminution de la connectivité fonctionnelle avec le CVP périphérique, et des régions présentant une augmentation de la complexité synaptique avec des régions qui montrent une connectivité fonctionnelle accrue avec le CVP périphérique. Ces données suggèrent que la désafferentation sensorielle du CVP périphérique est plus propice au développement d’une réorganisation cérébrale. Synoptique : Ces travaux révèlent un aspect inattendu de la plasticité cérébrale induite une perte isolée de la vision centrale ou périphérique. La réorganisation s’avère plus complexe que le laisser présager le modèle canonique actuel, vraisemblablement trop simple. / Cerebral plasticity induced by visual loss represents a poorly understood field of neuroscience, with numerous questions that don’t yet have an answer. Central and peripheral vision, the evolutionary compromise between spatial resolution and the sampled space volume, are processed in distinct areas of the brain. Understanding the impact of vision loss in theses regions, is of utmost interest for the study of visual brain. Herein, in two models of retinal disorders affecting central and peripheral vision (namely Stargardt macular dystrophy and retinitis pigmentosa), we specifically investigated the effects of the central and peripheral visual loss on brain morphology and its functional connectivity. 1. Morphological plastic changes induced by central and peripheral visual loss. We explored the effects of visual loss on cortical thickness (CoTks) and cortical entropy (CoEn, marker of synaptic complexity) in the cytoarchytectonic regions of the occipital lobe. Central visual loss associated thinning in dorsal stream regions, while peripheral visual loss in early visual cortex (EVC) and regions belonging both to dorsal and ventral stream. Theses effects were unpredicted by the canonical view “central vision – ventral stream”, “peripheral vision – dorsal stream”. Normal CoEn in theses areas suggests that synaptic complexity is preserved in the remaining networks. Only central visual field loss presented CoEn alterations, namely an increase in areas involved in object recognition, that likely reflects a synaptic complexity enhancement in response to the loss of the high spatial resolution of central vision. The gain in synaptic complexity could mask neuronal loss due to deafferentation and may account for the CoTks normality. 2. Plastic changes in the functional connectivity of central and peripheral EVC. We explored and compared to normally afferented EVC, the functional connectivity of afferented and deafferented parts of EVC and found that central and peripheral visual loss induce different patterns of reorganization. Residually afferented early visual cortex reinforce local connections presumably to enhance the processing of altered visual input, while deafferented EVC strengthen long-range connections presumably to assist high-order functions. Combined structural and functional data indicate that areas with reduced CoTks superpose with several areas presenting reduced functional connectivity with the peripheral EVC and that areas with increased CoEn superpose with several areas presenting increased functional connectivity with afferented peripheral EVC. These data point that alterations of the sensory input to the peripheral field are more prone to induce plastic changes. Overview : Data in the current work provide an interesting perspective about the plasticity following central or peripheral visual field loss and show that it is more complex than the canonical model would have let to presume.

Les modifications de la morphologie du cortex cérébral induites par la maladie d'Alzheimer à ses stades précoces contribuent à l'intérêt croissant à l'égard des biomarqueurs de la morphologie corticale. Ceux-ci permettraient notamment une meilleure compréhension de l'impact de cette pathologie sur l'anatomie cérébrale et une détection plus précoce de la maladie. L'originalité de notre travail par rapport au reste de la littérature est de s'intéresser à la morphologie des surfaces interne (interface substance blanche / substance grise) et externe (interface substance grise / liquide cérébro-spinal) du cortex cérébral. Dans cette perspective, nous avons développé des méthodes d'estimation de la courbure et de la dimension fractale des surfaces corticales. A partir de ces biomarqueurs morphologiques et de l'épaisseur corticale dont la méthode d'estimation a été précédemment développée dans le laboratoire, nous avons exploré l'impact de la maladie d'Alzheimer sur la morphologie du manteau cortical et nous avons évalué leur apport individuel et celui de leur association au diagnostic précoce de la maladie. Nos résultats montrent une influence significative de la pathologie sur la morphologie des sillons et sur celle des circonvolutions des surfaces corticales interne et externe. En termes d'application diagnostique, nous montrons que prises isolément, l'épaisseur corticale présente une meilleure capacité prédictive que la courbure corticale, nous ne constatons en revanche aucune capacité prédictive de la dimension fractale. Par contre, nous montrons que l'utilisation conjointe de l'épaisseur corticale et de la courbure permet une amélioration significative du diagnostic précoce. / Morphological alterations of the cortical mantle in early stage of Alzheimer's disease have led to an increasing interest towards morphological biomarkers of the cerebral cortex. By providing a quantitative measure of the cortical shape, morphological biomarkers could provide better understanding of the impact of the disease on the cortical anatomy and play a role in early diagnosis. Therefore, as a primary goal in this study, we developed cortical surface curvature and fractal dimension estimation methods. We then applied those methods, together with the estimation of cortical thickness, to investigate the impact of Alzheimer's disease on the cortical shape as well as the contribution of cortical thickness and cortical curvature to the early diagnosis of Alzheimer's disease. The originality of this work lies in the estimation of sulcal and gyral curvature of the internal (gray matter/white matter boundary) and external (gray matter/cerebrospinal fluid boundary) cortical surfaces in addition to the fractal dimensions of these boundaries. Our results showed significant impact of Alzheimer's disease on sulcal and gyral shapes of the internal and external cortical surfaces. In addition, cortical thickness was found to have better ability than cortical curvature for the early diagnosis of Alzheimer's disease; no significant ability for the early diagnosis was found using fractal dimension. However, we found significant improvement in early diagnosis by combining cortical thickness and cortical curvature.

Ce travail de thèse a pour objectif d'aider à la compréhension neuropathophysiologique des troubles de l'humeur. Les nombreuses études s'intéressant à ce type de pathologie font face à un manque d'outil objectif de catégorisation de la maladie et donc à des difficultés dans le diagnostic différentiel. Les modifications neurofonctionnelles sont majoritairement basées sur deux modèles : le modèle de l'hypofrontalité, qui explique l'état dépressif par une diminution de l'activité des zones corticales frontales et une augmentation de celle des régions sous-corticales ; et le modèle de l'asymétrie interhémisphérique, intégré aux théories sur la latéralisation des émotions, qui fait du déséquilibre fonctionnel interhémisphérique (hémisphère droit plus actif que le gauche) le corrélat neurologique aux troubles de l'humeur. Malgré tous les efforts d'élimination de biais méthodologiques les chercheurs ne trouvent pas de consensus. Le but de cette recherche est de trouver des indicateurs objectifs du trouble dépressif par des techniques psychophysiques (oculométrie) et neurophysiologiques (excitabilité corticale). Nous avons donc suivi des patients recevant des traitements pharmacologiques ou des cures de stimulation magnétique transcrânienne (TMS) afin d'observer les effets de ces derniers et de voir si des déséquilibres, qu'ils soient intra- ou inter-hémisphériques, peuvent être mis en évidence et alors aider dans le choix du traitement. Nos résultats mettent en évidence la variabilité interindividuelle qui suppose que chaque patient peut présenter une pathophysiologie différente. Par ailleurs, le suivi de patients bipolaires dans les différentes phases thymiques suggère une inversion des déficits entre les phases maniaques et dépressives. Plusieurs corrélats pourraient donc engendrer une humeur dépressive et le choix d'une cure rTMS latéralisée pourrait être guidée par les modifications observées.

Une des caractéristiques les plus singulières de l’activité corticale est son degré élevé de variabilité. Ma thèse dedoctorat s’est focalisée sur l’étude de (i) l’irrégularité des intervalles entre potentiels d’action (PAs)successivement émis par un neurone, et (ii) la variabilité dans l’évolution temporelle de l’activité d’un ensemblede neurones. Premièrement, j’ai étudié l’irrégularité des neurones enregistrés dans le cortex moteur de singesmacaques performant une tâche d’estimation du temps et de préparation à l’action. J’ai montré que l’irrégularitén’est pas un paramètre libre de l’activité neuronale, contrairement au taux de PAs, mais est déterminée par lescontraintes structurelles des réseaux neuronaux. Deuxièmement, j’ai utilisé le modèle de Markov caché (MMC)pour analyser l’activité d’ensembles de neurones enregistrés dans plusieurs aires corticales, sensorielles etmotrices, de singes exécutant une tâche de discrimination tactile. J’ai montré que les processus sensoriels etdécisionnels sont distribués dans plusieurs aires corticales. Les résultats suggèrent que l’action et la décision surlaquelle elle est basée sont reliées par une cascade d’évènements non stationnaires et stochastiques. Finalement,j’ai utilisé le MMC pour caractériser l’activité spontanée d’un ensemble de neurones du cortex préfrontal d’unrat. Les résultats montrèrent que l’alternance entre les états UP et DOWN est un processus stochastique etdynamique. La variabilité apparaît donc aussi bien pendant l’activité spontanée que pendant le comportementactif et semble être contrainte par des facteurs structurels qui, à leur tour, contraignent le mode d’opération desréseaux neuronaux. / A hallmark of cortical activity is its high degree of variability. The present work focused on (i) the variability ofintervals between spikes that single neurons emit, called spike time irregularity (STI), and (ii) the variability inthe temporal evolution of the collective neuronal activity. First, I studied the STI of macaque motor corticalneurons during time estimation and movement preparation. I found that although the firing rate of the neuronstransmitted information about these processes, the STI of a neuron is not flexible and is determined by thebalance of excitatory and inhibitory inputs. These results were obtained by means of an irregularity measure thatI compared to other existing measures. Second, I analyzed the neuronal ensemble activity of severalsomatosensory and motor cortical areas of macaques during tactile discrimination. I showed that ensembleactivity can be effectively described by the Hidden Markov Model (HMM). Both sensory and decision-makingprocesses were distributed across many areas. Moreover, I showed that decision-related changes in neuronalactivity rely on a noise-driven mechanism and that the maintenance of the decision relies on transient dynamics,subtending the conversion of a decision into an action. Third, I characterized the statistics of spontaneous UP andDOWN states in the prefrontal cortex of a rat, using the HMM. I showed that state alternation is stochastic andthe activity during UP states is dynamic. Hence, variability is prominent both during active behavior andspontaneous activity and is determined by structural factors, thus rending it inherent to cortical organization andshaping the function of neural networks.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.