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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.

L’autisme constitue un trouble neurodéveloppemental dont l’étiologie demeure inconnue. Les données en neuroimagerie des dernières années chez les autistes convergent vers l’observation d’une altération du transfert de l’information corticale entre les différentes régions du cerveau, plutôt qu’une atteinte sélective des structures cérébrales. Quelques modèles théoriques ont été postulés afin d’expliquer ces observations, sans toutefois unifier l’ensemble des observations. Les résultats de la littérature à ce sujet sont souvent hétérogènes et plusieurs disparités méthodologiques existent entre les études. Les conditions d’enregistrement variables et l’hétérogénéité des populations d’étude présentant souvent de multiples comorbidités limitent également leur comparaison. L’objectif de cette thèse était donc d’étudier la connectivité cérébrale de participants adultes avec autisme sans déficience intellectuelle, âgés entre 18 et 35 ans, par rapport à celle des participants neurotypiques, à l’aide d’un outil de mesure offrant une vision complémentaire à la neuroimagerie : la cohérence de l’électroencéphalographie (EEG). La cohérence de l’EEG est une méthode qui fournit de l’information quant à la synchronisation dans le temps entre paires de signaux électriques enregistrés à des sites néocorticaux distincts et constitue essentiellement une mesure de la connectivité fonctionnelle entre régions corticales. Dans cette thèse, nous avons exercé un contrôle rigoureux afin de s’assurer que nos résultats ne soient pas influencés par des variables confondantes et nous avons évalué nos participants durant le sommeil paradoxal (premier article) et lors de deux moments d’activation spontanés pendant lesquels le cortex est activé mais non sollicité, l’éveil calme yeux fermés, en soirée et au matin (deuxième article). Nous avons également évalué la relation entre les indices de cohérence significatifs à l’éveil dans le groupe avec autisme, en relation avec leurs symptômes cliniques aux questionnaires d’évaluation comportementale ADI-R et ADOS-G. Plusieurs des résultats significatifs obtenus dans cette recherche se sont avérés communs aux différents moments d’activation étudiés. En effet, l’observation d’une cohérence EEG supérieure impliquant l’aire visuelle gauche durant les états d’éveil ainsi que durant le SP semblent corroborer une certaine facilitation des régions visuelles chez les autistes par rapport au groupe contrôle. La présence d’une cohérence frontale gauche diminuée chez les participants autistes par rapport aux neurotypiques concorde avec les observations anatomiques et cliniques suggérant un déficit des fonctions cognitives impliquées dans cette région. La cohérence inter-hémisphérique frontale significativement diminuée chez les autistes par rapport aux contrôles à l’éveil du matin supporte pour sa part une altération des fibres calleuses qui pourrait être modulée par les changements développementaux associés à l’âge. Finalement, des corrélations significatives impliquant le nombre de symptômes cliniques et la cohérence EEG chez les autistes pourraient suggérer que des signes d’altération de la connectivité ont un impact sur le comportement diurne et la symptomatologie autistique. L’ensemble des résultats de cette thèse a donc permis d’approfondir les connaissances scientifiques concernant les dynamiques de connectivité cérébrale dans l’autisme et supportent l’hypothèse d’une organisation cérébrale atypique, distincte des neurotypiques, tant à l’éveil qu’au sommeil. / Autism is a neurodevelopmental disorder of unknown etiology. Converging neuroimaging data in the last years suggest that alteration in communication between regions within the autistic brain is governed by the cognitive functions associated with these regions rather than by their sheer physical distance. Some theoretical models were postulated to explain these observations, without unifying all of them. Results of the literature on this matter are often heterogeneous and several methodological disparities exist between the studies, moments and conditions of recording, and the heterogeneousness of the populations often presenting multiple comorbidity limit their interpretation. The objective of this thesis was to compare the brain connectivity of adult participants with autism (18-35 years old) without intellectual deficiency to neurotypical participants, by means of a measurement tool offering a complementary vision to the neuroimaging: the electroencephalography (EEG) coherence. The EEG coherence is a method which evaluates the synchronization in time between pairs of electrod signals recorded at different neocortical sites and constitutes essentially a measure of the functional connectivity between cortical regions. In this thesis, we exercised a rigorous control to make sure that our results are not influenced by staggering variables and we recorded our participants during REM sleep (first paper) and during two spontaneous moments of activation while the cortex is activated but not requested, waking resting state with closed eyes, during evening and morning (second paper). We also estimated the correlation between the significant EEG coherence results observed during waking state in the autism group, with their clinical symptoms on the behavioural questionnaires ADI-R and ADOS-G. Several of the significant results obtained in this research were common to all studied moments of brain activation. Indeed, the observation of a superior EEG coherence involving the left visual area during the waking states as well as during the REM sleep confirms a certain facilitation of the visual regions in the autistic group compared to the control group. The presence of a left frontal coherence decreased in the participants with autism compared to the neurotypicals supports anatomical and clinical observations suggesting a deficit of the cognitive functions involved in this region. The significantly decreased frontal inter-hemispheric coherence in the autistic group compared to the controls in the morning waking recording supports an alteration in the callosal fibers which could be modulated by developmental changes associated with age. Finally, significant correlations involving the number of clinical symptoms and the EEG coherence of autistic participants could suggest that alteration of connectivity has an impact on the diurnal behavior and the symptomatology. Thus the results of this thesis add to the scientific knowledge concerning the dynamics of cerebral connectivity in autism and support the hypothesis of an atypical brain organization, distinct from neurotypicals, both in the waking as in the sleep states.

Résumé : L’interaction entre la douleur et le système moteur est bien connue en clinique et en réadaptation. Il est sans surprise que la douleur est un phénomène considérablement invalidant, affectant la qualité de vie de ceux et celles qui en souffrent. Toutefois, les bases neurophysiologiques qui sous-tendent cette interaction demeurent, encore aujourd’hui, mal comprises. Le but de la présente étude était de mieux comprendre les mécanismes corticaux impliqués dans l’interaction entre la douleur et le système moteur. Pour ce faire, une douleur expérimentale a été induite à l’aide d’une crème à base de capsaïcine au niveau de l’avant-bras gauche des participants. L'effet de la douleur sur la force des projections corticospinales ainsi que sur l’activité cérébrale a été mesuré à l’aide de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) et de l’électroencéphalographie (EEG), respectivement. L’analyse des données EEG a permis de révéler qu'en présence de douleur aiguë, il y a une augmentation de l’activité cérébrale au niveau du cuneus central (fréquence têta), du cortex dorsolatéral préfrontal gauche (fréquence alpha) ainsi que du cuneus gauche et de l'insula droite (toutes deux fréquence bêta), lorsque comparée à la condition initiale (sans douleur). Également, les analyses démontrent une augmentation de l'activité du cortex moteur primaire droit en présence de douleur, mais seulement chez les participants qui présentaient simultanément une diminution de leur force de projections corticales (mesurée avec la TMS t=4,45, p<0,05). Ces participants ont également montré une plus grande connectivité entre M1 et le cuneus que les participants dont la douleur n’a pas affecté la force des projections corticospinales (t=3,58, p<0,05). Ces résultats suggèrent qu’une douleur expérimentale induit, chez certains individus, une altération au niveau des forces de projections corticomotrices. Les connexions entre M1 et le cuneus seraient possiblement impliquées dans la survenue de ces changements corticomoteurs. / Abstract : The interaction between pain and the motor system is well-known in clinic. For instance, it is well documented that pain significantly complicates the rehabilitation of the patients. The aim of the present study was to better understand the cortical mechanisms underlying the interaction between pain and the motor system. Nineteen healthy adults participated in the study. The effect of pain (induced with a capsaicin cream) on brain activity and on the corticomotor system was assessed with electroencephalography (EEG) and transcranial magnetic stimulation (TMS), respectively. For EEG, 15 non-overlapping, 2-seconds artifacts were randomly selected for each participant. Intracranial source current density and functional connectivity was determined using sLORETA software. When participants experienced experimentally-induced inflammatory pain, their resting state brain activity increased significantly in the central cuneus (theta frequency), left dorsolateral prefrontal cortex (alpha frequency), and both left cuneus and right insula (beta frequency; all ts >3.66; all ps<0.01). A pain-evoked increase in the right primary motor cortex (M1) activity was also observed (beta frequency), but only among participants who showed a simultaneous reduction in the strength of the corticospinal projections (quantified using the recruitment curves obtained with TMS; t=4.45, p<0.05). These participants further showed greater beta motor-cuneus connectivity than participants for whom pain did not affect M1 somatotopy (t=3.58, p<0.05). These results suggest that pain-evoked increases in M1 beta power are intimately tied to alterations in corticospinal system. Moreover, we provide evidence that beta motor-cuneus connectivity is related to the corticomotor alterations induced by pain.

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

La transmission cholinergique, et notamment muscarinique, joue un rôle déterminant dans le système nerveux central au niveau de la modulation de la plasticité neuronale. La libération d'ACh dans le cortex visuel est concomitante à la présentation de stimuli visuels. Par son action sur la transmission neuronale corticale, l'ACh module à long terme les réponses à de nouveaux stimuli sensoriels. Dans la présente étude, l'implication du système cholinergique au niveau du développement cortical et de la plasticité inductible chez l'adulte a été étudiée par les techniques d'imagerie optique des signaux intrinsèques et d'immunohistochimie chez le rongeur. Ces deux techniques de cartographie de l'activité corticale nous ont permis d'évaluer, d'une part, l'impact modulatoire de l'acétylcholine (ACh) et de ses récepteurs muscariniques (mAChRs, M1 à M5) sur l'organisation fonctionnelle du cortex visuel chez des souris déficitaires pour les mAChRs et, d'autre part, l'impact de la libération d'ACh lors d'un entraînement visuel, sur le nombre, la nature neurochimique et la localisation au niveau des couches corticales des neurones corticaux activés. L'implication du système cholinergique sur la cartographie du cortex visuel primaire a été étudiée sur les souris génétiquement modifiées délétères (knock out : KO) pour différentes combinaisons de sous-types de mAChRs. L'imagerie des signaux intrinsèques, basée sur les changements de réflectance corticale de la lumière survenant lors de la consommation d'oxygène par les neurones activés, a permis de déterminer, lors de stimulations visuelles, les différentes composantes des propriétés des neurones du cortex visuel. La taille des champs récepteurs des neurones est diminuée lors de l'absence du récepteur M1 ou de la combinaison M1/M3. Le champ visuel apparent est augmenté chez les souris M2/M4-KO mais diminué chez les M1-KO. La finesse des connectivités neuronales (évaluée par la mesure du scatter du signal) est réduite lors de l'absence des récepteurs M2/M4. Finalement, chez les animaux M1/M3-KO, une diminution de l'acuité visuelle est observée. L'effet à long-terme d'un entraînement visuel couplé à une stimulation des neurones cholinergiques sur la distribution et la nature des neurones immunoréactifs au c-Fos, c'est-à-dire les neurones activés, a été évalué. Puisque cette stimulation combinée est en mesure de produire des modifications comportementales, notamment au niveau de l'acuité visuelle, il devenait intéressant de s'attarder aux modifications neuroanatomiques et de déterminer quels éléments de l'équilibre excitateur/inhibiteur sont compromis chez ces animaux. Les résultats obtenus démontrent que les animaux ayant reçu une combinaison de l'entraînement cholinergique et visuel présentent une augmentation du marquage c-Fos comparativement aux animaux n'ayant reçu que la stimulation cholinergique. D'autre part, chez ces animaux, il est possible d'observer des modifications de l'équilibre excitateur/inhibiteur qui correspond au potentiel plastique de la région. En conclusion, ces études démontrent un rôle important du système cholinergique dans le développement, la maturation et la plasticité du système visuel cérébral. / The cholinergic transmission, including the muscarinic receptors, plays a role in the central nervous system modulating neuronal plasticity. ACh is released in the visual cortex during the presentation of visual stimuli. By its action on cortical neuronal transmission, ACh modulates long-term responses to new sensory stimuli. In the present study, the involvement of the cholinergic system in cortical development and inductible plasticity in adults was investigated by optical imaging of intrinsic signals and immunohistochemistry in rodents. These two mapping techniques of cortical activity allowed us to evaluate 1) the modulatory effect of acetylcholine (ACh) and its muscarinic receptors (mAChRs, M1 to M5) on the functional organization of the visual cortex in mice deficient of mAChRs and 2) the impact of ACh release during a visual training on the number, neurochemical nature and location of activated neurons in the cortical layers. The involvement of the cholinergic system on the mapping of the primary visual cortex was studied in mice knockout (KO) for different combinations of mAChRs subtypes. Intrinsic signals imaging, based on fluctuations in cortical light reflectance during oxygen consumption by activated neurons, was used to assess the various properties of neurons in the visual cortex during visual stimulation. The size of the neuronal receptive fields is reduced in the absence of M1 receptor or the combination M1/M3. The apparent visual field is increased in M2/M4-KO mice but decreased in M1-KO. The sharpness of neuronal connectivity (assessed by the measure of the scatter) is reduced in the absence of M2/M4 receptors. Finally, in M1/M3-KO animals, a decrease in visual acuity was observed. The effect of long-term visual training coupled with the stimulation of cholinergic neurons on the distribution and nature of immunoreactive neurons in c-Fos, the activated neurons, was evaluated. Since this combined stimulation is able to produce behavioral changes, especially in terms of visual acuity, it was interesting to focus on neuroanatomical modifications and determine which elements of the excitatory / inhibitory balance were compromised in these animals. The results showed that animals which received a combination of visual and cholinergic training presented an increase in c-Fos labeling compared to animals that received only the cholinergic stimulation. Moreover, in these animals, it is possible to observe changes in the excitatory / inhibitory balance which corresponds to the potential of plasticity in the region. In conclusion, these studies demonstrate an important role of the cholinergic system in the development, maturation and plasticity of the cerebral visual system.

Ce mémoire s'intéresse à la détection de mouvement dans une séquence d'images acquises à l'aide d'une caméra fixe. Dans ce problème, la difficulté vient du fait que les mouvements récurrents ou non significatifs de la scène tels que les oscillations d'une branche, l'ombre d'un objet ou les remous d'une surface d'eau doivent être ignorés et classés comme appartenant aux régions statiques de la scène. La plupart des méthodes de détection de mouvement utilisées à ce jour reposent en fait sur le principe bas-niveau de la modélisation puis la soustraction de l'arrière-plan. Ces méthodes sont simples et rapides mais aussi limitées dans les cas où l'arrière-plan est complexe ou bruité (neige, pluie, ombres, etc.). Cette recherche consiste à proposer une technique d'amélioration de ces algorithmes dont l'idée principale est d'exploiter et mimer deux caractéristiques essentielles du système de vision humain. Pour assurer une vision nette de l’objet (qu’il soit fixe ou mobile) puis l'analyser et l'identifier, l'œil ne parcourt pas la scène de façon continue, mais opère par une série de ``balayages'' ou de saccades autour (des points caractéristiques) de l'objet en question. Pour chaque fixation pendant laquelle l'œil reste relativement immobile, l'image est projetée au niveau de la rétine puis interprétée en coordonnées log polaires dont le centre est l'endroit fixé par l'oeil. Les traitements bas-niveau de détection de mouvement doivent donc s'opérer sur cette image transformée qui est centrée pour un point (de vue) particulier de la scène. L'étape suivante (intégration trans-saccadique du Système Visuel Humain (SVH)) consiste ensuite à combiner ces détections de mouvement obtenues pour les différents centres de cette transformée pour fusionner les différentes interprétations visuelles obtenues selon ses différents points de vue. / This master thesis revolves around motion detection in sequences recorded from a fixed camera. This situation is challenging since we must ignore insignificant recurring motions such as oscillating branches, shadows, or waves on the surface of the water. Those must be classified as belonging to the background and static. Most motion detection techniques used nowadays are based on the simple and low level principle of background modeling and subtraction. These techniques are simple and fast but they reach their limit when they have to deal with complex or noisy images (from snowy, rainy, sunny weather, etc.). This research consist of proposing a technique aiming to improve those algorithms by mimicking two essential characteristics of the Human Visual System (HVS). To obtain a clear vision of an object (static or mobile) and then to analyse and identify it, our eye doesn't analyse the scene continuously but operates through several sweeping motions, or saccades, across the object. During each moment when the eye stays fixed, the image is projected on the retina and then interpreted as described by log-polar coordinates, where the center is the point fixed by the eye. Low level detection treatment should then operate on this transformed image which is centered on a particular point of view of the scene. The second step (the trans-saccadic integration of the HVS) is to combine all those data gathered from different points of view.

Les mouvements sont le résultat de contractions musculaires dont l’organisation spatio-temporelle est régie par des structures cérébrales et médullaires. Etudier les circuits qui les sous-tendent est une étape indispensable pour renforcer nos connaissances des mécanismes à l’origine de la commande des mouvements volontaires et pour mieux comprendre la pathophysiologie des mouvements anormaux. Les muscles squelettiques sont innervés par les motoneurones alpha de la moelle épinière qui à leur out sont influencés par des neurones des aires corticales motrices. Cette voie descendante constitue la voie corticomotoneuronale (CM) et est responsable de l’exécution des mouvements volontaires. Le cortex moteur primaire est considéré comme une structure clé, au cœur du système, permettant l’intégration complexe de nombreuses influences multi-régions pour conduire aux comportements moteurs adéquats. Les interactions qui existent entre les différents groupes de neurones au sein de M1 influent en dernier lieu sur la sortie motrice. De la balance complexe entre ces influences inhibitrices et excitatrices, locales ou à distance va dépendre l’état d’excitabilité des cellules CM contrôlant les différents muscles. L'objectif de ce travail de thèse était d'étudier comment évoluent certains de ces mécanismes excitateurs ou inhibiteurs du cortex moteur primaire lorsque la commande motrice volontaire d’un muscle de l’index est modifiée. Nous avons étudié le rôle de ces mécanismes dans les changements d’excitabilité de la voie CM qui accompagnent la contraction tonique volontaire du muscle premier interosseus dorsalis (FDI) en comparant une tâche simple mais peu naturelle : l’abduction de l'index, une tâche naturelle plus complexe: la pince pouce-index et la condition de repos musculaire. Nous avons également étudié l’effet de la commande motrice sur l’interaction entre deux de ces mécanismes inhibiteurs l’un à longue latence, la LICI, l’autre à courte latence, la SICI. Enfin nous avons souhaité évaluer le décours temporel de ces mécanismes dans un cadre pathologique tâche-dépendant: la crampe de l’écrivain. Pour cela, nous avons utilisé la technique d’electromyographie de surface pour enregistrer les potentiels moteurs évoqués par la Stimulation Magnétique Transcrânienne. Nous avons mis en évidence une modulation tâche-dépendante de la LICI. Par rapport à la tâche d’abduction simple, la LICI s’estompait plus tôt lors de la tâche de pince pouce-index, traduisant une désinhibition plus précoce lors d’un mouvement plus complexe. Nous avons observé, et ce pour la première fois dans la littérature, une phase de facilitation nette qui suivait cette désinhibition, et qui était absente lorsque le muscle était au repos. Ces résultats sont également visibles dans un muscle voisin du FDI, non engagé dans la tâche; cela suggère que les mécanismes à l’origine de la facilitation sont impliqués dans l’activité volontaire sans spécificité topographique. L’interaction entre la LICI et la SICI n’a pas été modifiée par la tâche effectuée, laissant penser qu’elle n’est pas impliquée dans les changements d’excitabilité tâche-dépendants. Enfin, il apparaît que la désinhibition est retardée chez les sujets dystoniques quand le muscle est engagé dans un mouvement complexe de pince pouce-index mais pas dans une tâche simple d’abduction de l’index en comparaison à des sujets contrôles. Ces résultats illustrent le fait que lors d’un mouvement plus complexe, l’efficacité des circuits inhibiteurs du cortex moteur primaire est modifiée, ce qui permet de réguler l’activité des cellules CM, afin d’adapter la commande motrice au mouvement souhaité. Le fait que cette désinhibition soit retardée dans une tâche complexe (proche de la tâche affectée) mais pas dans une tâche simple chez les patients atteints d’une crampe de l’écrivain suggère que les mécanismes à l’origine de la désinhibition pourraient participer aux troubles moteurs qui caractérisent la maladie. / Movements are evoked by muscles contractions whose spatial organization is mediated by both spinal and cortical components. It is important to investigate the underlying circuitry of movements to extend our knowledge on how voluntary movement are controlled and to better understand the pathophysiology of movements disorders. The spinal alpha motoneurons innervating distal muscles are controlled at least in parts by corticomotoneuronal neurons located in the motor cortical areas. Among them, the primary motor cortex is considered as a key structure, performing a complex integration of multi-regional influences leading to appropriate motor behaviors. Axons from corticomotoneuronal (CM) cells of the primary motor cortex reach the spinal cord via descending motor pathway. CM neurons are influenced by local or distant, inhibitory and excitatory components which determine the balance of excitability. The aim of this thesis was to explore changes of some of the excitatory and inhibitory mechanisms of motor cortex as a function of the task being performed. We assessed the time course of Long-interval Intracortical Inhibition (LICI), Late Cortical Disinhibition (LCD) and Long interval Intracortical Facilitation (LICF), which are mechanisms that potentially act to modulate the output of CM controlling the first dorsal interosseus (FDI) muscle. We compared three conditions : index finger abduction (a simple but not natural task), precision grip between index and thumb ( amore natural and complex task), and rest. We also evaluated the effect of task on interaction between LICI and Short Interval Intracortical Inhibition (SICI). Finally, we assessed the time course of LICI in patients suffering from writer’s cramp. For this purpose, we used surface electromyography to record motor potentials evoked by Transcranial Magnetic Stimulation.We showed a task-dependent change in late inhibitory and disinhibitory components. Compared with abduction task, the LICI induced during precision grip was shorter, suggesting an early disinhibition in more complex task. The disinhibition was followed by a period of facilitation only during the active tasks, i.e. facilitation was not observed when all muscles were at restat rest. However, long interval intracortical facilitation can be observed in a muscle at rest not engaged in an active task if a neighboring muscle is activated. It is therefore likely that mechanisms underlying facilitation are associated with voluntary contraction albeit with lack of topographic specificity. Interaction between LICI and SICI was not modified between tasks, suggesting that it was not involved in task-dependent changes of cortical excitability. Lastly, disinhibition was shown to be delayed in dystonic patients when the FDI was actively engaged in a precision grip but not in index abduction, compared with control subjects. An explanation might be that mechanisms underlying disinhibition are impaired in thumb-index precision grip (a task similar to that inducing unwanted contractions in writer’s cramp). Task-specidic disruption of LICI and late cortical disinhibition may therefore be at least in part responsible for pathophysiology of dystonia. It is likely that during complex task, the efficacy of LICI, and more generally of motor cortex inhibitory mechanisms, is modified to allow adaptation of CM neurons activity to the functional requirements of the motor task being performed.

Dans ce manuscrit nous proposons une architecture neuronale d'inspiration corticale, capable de développer un traitement émergent de type auto-organisation. Afin d'implémenter cette architecture neuronale de manière distribuée, nous utilisons le modèle de champs neuronaux dynamiques, un formalisme mathématique générique conçu pour modéliser la compétition des activités neuronales au niveau cortical mésoscopique. Pour analyser en détail les propriétés dynamiques des modèles de référence de ce formalisme, nous proposons un critère formel et un instrument d'évaluation, capable d'examiner et de quantifier le comportement dynamique d'un champ neuronal quelconque dans différents contextes de stimulation. Si cet instrument nous permet de mettre en évidence les avantages pratiques de ces modèles, il nous révèle aussi l'incapacité de ces modèles à conduire l'implantation des processus d'auto-organisation (implémenté par l'architecture décrite) vers des résultats satisfaisants. Ces résultats nous amènent à proposer une alternative aux modèles classiques de champs, basée sur un mécanisme de rétro-inhibition, qui implémente un processus local de régulation neuronale. Grâce à ce mécanisme, le nouveau modèle de champ réussit à implémenter avec succès le processus d'auto-organisation décrit par l'architecture proposée d'inspiration corticale. De plus, une analyse détaillée confirme que ce formalisme garde les caractéristiques dynamiques exhibées par les modèles classiques de champs neuronaux. Ces résultats ouvrent la perspective de développement des architectures de calcul neuronal de traitement d'information pour la conception des solutions logicielles ou robotiques bio-inspirées / In this work we propose a cortically inspired neural architecture capable of developping an emergent process of self-organization. In order to implement this neural architecture in a distributed manner, we use the dynamic neural fields paradigm, a generic mathematical formalism aimed at modeling the competition between the neural activities at a mesoscopic level of the cortical structure. In order to examine in detail the dynamic properties of classical models, we design a formal criterion and an evaluation instrument, capable of analysing and quantifying the dynamic behavior of the any neural field, in specific contexts of stimulation. While this instrument highlights the practical advantages of the usage of such models, it also reveals the inability of these models to help implementing the self-organization process (implemented by the described architecture) with satisfactory results. These results lead us to suggest an alternative to the classical neural field models, based on a back-inhibition model which implements a local process of neural activity regulation. Thanks to this mechanism, the new neural field model is capable of achieving successful results in the implementation of the self-organization process described by our cortically inspired neural architecture. Moreover, a detailed analysis confirms that this new neural field maintains the features of the classical field models. The results described in this thesis open the perspectives for developping neuro-computational architectures for the design of software solutions or biologically-inspired robot applications

Les malformations du développement cortical (MDC) résultent d’altérations au niveau de différentes étapes de la corticogénèse telles que la prolifération, la migration et la différenciation neuronale et sont généralement associées à des épilepsies pharmaco-résistantes et à des déficiences intellectuelles sévères. Les causes génétiques des MDC restent encore inconnues dans de nombreux cas, nous avons donc réalisé le séquençage de l’exome entier de nombreux patients présentant des MDC et les analyses ont permis de mettre en évidence l’implication des gènes KIF2A et NEDD4L dans les MDC. Dans le cadre de ma thèse, nous proposons de focaliser sur les conséquences cellulaires et neurodéveloppementales résultant des mutations dans les gènes KIF2A et NEDD4L retrouvées chez les patients atteints de MDC. KIF2A code pour une kinésine-13 qui a pour fonction de réguler la dynamique des microtubules (MT) via son activité MT dépolymérase ATP-dépendante aux niveaux des extrémités des MT. L’approche basée sur la technique d’électroporation in utero nous a permis de mettre en évidence le rôle crucial joué par KIF2A dans la régulation de la neurogénèse, la migration neuronale et le positionnement des neurones dans le cortex. En particulier, nos données révèlent que l’expression des mutants KIF2A responsables de MDC entraîne une augmentation du nombre de cellules à l’état de progéniteurs qui est conséquente à un allongement du temps passé dans le cycle cellulaire. Nos premières données cellulaires et au cours du développement montrent que l’expression des mutants KIF2A induit des altérations dans l’intégrité du fuseau mitotique, dans la progression mitotique et également une localisation anormale de KIF2A au niveau du cil primaire. NEDD4L code pour une E3 ubiquitine ligase qui joue un rôle dans l’ubiquitination de nombreux substrats permettant la régulation de leur dégradation et de leur localisation subcellulaire. Dans un premier temps, nos données cellulaires ont montré que les mutants associées à des MDC ont une sensibilité accrue pour la dégradation par le protéasome. De plus, l’approche d’électroporation in utero a permis de montrer que l’expression des mutants NEDD4L ainsi qu’un excès de NEDD4L WT dérégulent la neurogenèse, le positionnement des neurones et le processus de translocation terminal. Des études complémentaires, incluant le traitement à la rapamycine, ont révélé qu’un excès de NEDD4L WT mène à la dérégulation des voies de signalisations mTORC1 et Dab1 tandis que l’expression des mutants est associée à une dérégulation des voies mTORC1 et Akt. L’ensemble de ces résultats renforce donc dans un premier temps l’importance des protéines liées aux MT dans le développement cortical en décrivant le rôle crucial de la kinésine KIF2A dans des mécanismes tels que la dynamique de migration neuronale et dans la régulation du cycle cellulaire des progéniteurs neuronaux. D’autre part, nous fournissons également de nouvelles données permettant de mieux comprendre le rôle critique de NEDD4L dans la régulation des voies mTOR et de leurs contributions dans le développement cortical. / Malformations of cortical development (MCD) result from alterations in different stages of corticogenesis such as proliferation, migration and neuronal differentiation, and are generally associated with drug-resistant epilepsy and severe intellectual disabilities. The genetics causes of MCD remain largely unknown, we have thus performed the whole-exome sequencing of many patients with MCD and reported the identification of multiple pathogenic missense mutations in KIF2A and NEDD4L genes. Within the frame of my thesis project, we propose to focus on the cellular and neurodevelopmental consequences resulting from KIF2A and NEDD4L mutations shown to be involved in MCD. KIF2A is a member of the kinesin-13 family, which rather than regulating cargos transport along microtubules (MT), regulates MT dynamics by depolymerizing MTs. The in utero electroporation approach allowed us to highlight the crucial role of KIF2A in the regulation neurogenesis, neuronal migration and the neuronal positioning in the cortex. Particularly, our data show that the expression of the KIF2A mutants involved in MDC lead to an increase in the number of cells in proliferative state which is a consequence of a prolonged time spent in the cell cycle. Our first cellular data and during development show that the expression of pathogenic KIF2A mutations induce alterations in the mitotic spindle integrity, in the mitotic progression and also an abnormal localization of KIF2A in the primary cilium. NEDD4L encodes a member of the NEDD4 family of HECT-type E3 ubiquitin ligases known to regulate the turnover and function of a number of proteins involved in fundamental cellular pathways and processes. Firstly, cellular and expression data showed sensitivity of MCD-associated mutants to proteasome degradation. Moreover, the in utero electroporation approach showed that PNH-related mutants and excess wild-type NEDD4L affect neurogenesis, neuronal positioning and terminal translocation. Further investigations, including rapamycin-based experiments, found differential deregulation of pathways involved. Excess wild-type NEDD4L leads to disruption of Dab1 and mTORC1 pathways, while MCD-related mutations are associated with deregulation of mTORC1 and AKT activities. Altogether, these results reinforce the importance of MT-related proteins in cortical development describing the crucial role of KIF2A kinesin in mechanisms such as neuronal migration dynamics and neuronal progenitor’s cell cycle regulation. On the other hand, we also provide new data to better understand the critical role of NEDD4L in the regulation of mTOR pathways and their contributions in cortical development.