L'excitabilité est une propriété bien connue des neurones biologiques. Il s'agit d'une réponse de type tout-ou-rien à une perturbation au delà d'un seuil caractéristique appelé seuil excitable. D'autres propriétés importantes existent dans les neurones comme les périodes réfractaires et la sommation temporelle ou spatiale de stimuli d'entrée.L'excitabilité a été étudiée dans certains composants actifs à semiconducteur et notamment les composants à semiconducteurs III-V. Leurs propriétés neuro-mimétiques pourraient permettre de traiter l'information de façon tout-optique avec une grande bande passante et une faible consommation.Grâce aux nouvelles techniques de micro-nano fabrication, il est devenu possible de fabriquer des micropiliers lasers à absorbant saturable. Ces micropiliers pourraient permettre la réalisation de réseaux de micropiliers couplés excitables analogues à des réseaux de neurones photoniques.Dans cette thèse j'ai étudié les propriétés neuro-mimétiques de micropiliers lasers à absorbant saturable intégré. Les principaux résultats de cette thèse sont les suivants : 1) la technique de fabrication des micropiliers a été améliorée conduisant à une augmentation de leur durée de vie et une diminution du seuil laser. 2) des propriétés de base des neurones biologiques, comme l'excitabilité, l'existence des périodes réfractaires, la sommation temporelle, ont été mises en évidence expérimentalement et analysées à l'aide du modèle de Yamada. 3) des effets de propagation d'excitations ont été démontrés dans des structures unidimensionnelles : des lasers ligne et des chaînes de micropiliers couplés.La démonstration des propriétés neuromimétiques de micropiliers lasers à absorbant saturable et la mise en évidence de la propagation d'excitations ouvrent la voie à la réalisation de réseaux de micropiliers couplés pour les traitements neuromimétiques des signaux qui pourront être exploités pour de la logique codée à l'aide de pics excitables ainsi que pour du stockage d'information dans des circuits mémoires tout-optiques. / Excitability is a well known property of biological neurons. In excitable systems, the response to a perturbation above the excitable threshold is of all-or-none type. Other properties exist in neurons such as the refractory periods and temporal or spatial summation of input stimuli.Excitability has been demonstrated in many III-V semiconductor material devices. Thanks to their nonlinear properties it could be possible to realize neuromimetic and all-optical signal processing with high speed and low energy consumption. Thanks to progress in fabrication techniques it is possible to fabricate high quality micropillar laser with saturable absorber. Thus, using micropillars it could be possible to realize neural photonic networks analog to neural networks.In this thesis work, I studied neuron-like properties of a micropillar laser with a saturable absorber. My main results are : 1) fabrication of micropillars has been improved leading to an increase of their robustness and a reduction of the laser threshold. 2) well known properties of biological neurons, such as excitability, existence of refractory periods, temporal summation, have been demonstrated experimentally and have been numerically analyzed with the Yamada model. 3) propagation effects of excitations have been demonstrated in one-dimensional structures : wire lasers and chains of coupled micropillars.The demonstration of neuromimetic properties in micropillar lasers with saturable absorber and the evidence of propagation of excitations pave the way to neuromorphic networks based on coupled micropillars for neuromimetic signal processing like information encoding with excitable pulses and realization of optical memories.

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.

Les travaux réalisés lors de cette thèse ont porté sur le cortex moteur et les troubles de la marche de patients atteints de la maladie de Parkinson (MP). L’atteinte fonctionnelle des aires motrices corticales dans la MP et leur implication dans la physiopathologie des désordres moteurs a surtout été établie à partir de données issues des aires corticales des membres supérieurs. L’analyse électrophysiologique par stimulation magnétique transcranienne réalisée dans ces travaux de thèse a exploré les aires motrices corticales des membres inférieurs et révélé des troubles d’excitabilité différents de ceux classiquement décrits dans les aires corticales des membres supérieurs. En effet, il ressort principalement de l’étude sur le membre inférieur une diminution de la facilitation intracorticale (FIC) alors que la littérature décrit essentiellement pour les aires motrices corticales des membres supérieurs une altération des mécanismes inhibiteurs intracorticaux. Les anomalies corticales mises en évidence sont corrélées avec les paramètres locomoteurs affectés par la maladie, longueur d’enjambée et vitesse de marche. L’analyse des patients avec et sans traitement a permis de montrer que la supplémentation dopaminergique agit à la fois au niveau cortical et locomoteur normalisant partiellement les déficits observés. Les anomalies de FIC des aires corticales motrices des membres inférieurs paraissent donc être impliquées dans la physiopathologie des troubles de la marche dans la MP et pourraient de ce fait constituer un paramètre d’évaluation et un objectif thérapeutique de choix. L’utilisation de la stimulation magnétique transcranienne répétitive couplée à la neuronavigation permettrait d’explorer cette dernière piste. / This thesis aims to study the relationships between motor cortex impairment and locomotor disorders in Parkinsonian patients (PP). Most of the previous studies have focused on the upper limb cortical areas showing the existence of an imbalance in cortical excitability, which mainly evolves towards a state of impaired intracortical inhibition. However, just a few studies have been devoted so far to the exact cortical abnormalities responsible for Parkinsonians’ gait disorders. The transcranial magnetic stimulation (TMS) studies presented here demonstrate that the excitability abnormalities occurring in PP differ between the cortical areas associated with the lower and upper limbs, since defective intracortical facilitation (ICF) processes were mainly detected in the lower limbs cortical areas. Furthermore, these specific excitability abnormalities identified seem to be involve in the genesis of the hypokinetic locomotor component since correlations were established between the ICF level and the shortened stride length (and by correlates, with the reduced velocity). Patients were assessed with and without dopaminergic substitution treatment (DST). We found that DST modified significantly both the cortical excitability abnormalities and the defective locomotor parameters. Impaired facilitatory processes in lower limbs cortical areas may be involved in the pathophysiology of gait disorders in PD. This hypothesis should be addressed in an experiment coupling repetitive TMS and neuronavigation.

Pendant des décennies, la plasticité synaptique a été considérée comme le substrat principal de la plasticité fonctionnelle cérébrale. Récemment, plusieurs études expérimentales indiquent que des régulations à long terme de l’excitabilité intrinsèque participent à la plasticité dépendante de l’activité. En effet, la modulation des canaux ioniques dépendants du potentiel, lesquels régulent fortement l’excitabilité intrinsèque et l’intégration des entrées synaptiques, a été démontrée essentielle dans les processus d’apprentissage. Cependant, la régulation, dépendante de l’activité, du courant ionique activé par l’hyperpolarisation (Ih) et ses conséquences sur l’induction de futures plasticités reste à éclaircir, tout comme la présence d’une régulation de conductances dépendantes du potentiel dans les neurones inhibiteurs. Dans la première partie de ma thèse, nous caractérisons les mécanismes d’induction et d’expression de la plasticité à long terme de l’excitabilité (LTP-IE) dans les interneurons en panier de la région CA1 exprimant la parvalbumine. Dans une seconde partie, le rôle de Ih dans la régulation homéostatique de l’excitabilité neuronale induite par des manipulations de l’activité neuronale dans sa globalité a été étudié. Dans la troisième étude, nous montrons que la magnitude de la Dépression à Long Terme (LTD) détermine le sens de la régulation de Ih dans les neurones pyramidaux de CA1. En conclusion, cette thèse montre qu’à la fois dans les neurones excitateurs et inhibiteurs, les régulations des conductances dépendantes du potentiel aident à maintenir une relative stabilité dans l’activité du réseau. / Synaptic plasticity has been considered for decades as the main substrate of functional plasticity in the brain. Recently, experimental evidences suggest that long-lasting regulation of intrinsic neuronal excitability may also account for activity-dependent plasticity. Indeed, voltage-dependent ionic channels strongly regulate intrinsic excitability and inputs integration and their regulation was found to be essential in learning process. However, activity-dependent regulation of the hyperpolarization-activated ionic current (Ih) and its consequences for future plasticity remain unclear, so as the presence of any voltage-dependent conductances regulation in inhibitory neurons. In the first part of this thesis, we report the characterization of the induction and expression mechanisms of Long-Term Potentiation of Intrinsic Excitability (LTP-IE) in CA1 parvalbumin-positive basket interneurons. In a second part, the role of Ih in the homeostatic regulation of intrinsic neuronal excitability induced by global manipulations of neuronal activity was reported. In the third experimental study, we showed that the magnitude of Long-term Depression (LTD) determines the sign of Ih regulation in CA1 pyramidal neurons. In conclusion, this thesis shows that in both excitatory and inhibitory neurons, activity-dependent regulations of voltage-dependent conductances help to maintain a relative stability in the network activity.

Il existe deux modes principaux d'interaction entre neurones : les synapses chimiques et les synapses électriques qui, bien que minoritaires par rapport aux premières, sont présentes dans de nombreuses régions du cerveau où elles sont impliquées dans la synchronisation de l'activité neuronale. Notre étude théorique, qui combine calculs analytiques et simulations numériques, montre que l'impact des synapses électriques sur la synchronisation neuronale dépend des propriétés d'excitabilité des neurones déterminées par leurs courants ioniques. Ainsi, associées à des synapses inhibitrices, les synapses électriques peuvent donc amplifier ou réduire la synchronisation de manière linéaire. Toutefois, lorsque le couplage inhibiteur est suffisamment fort, des effets non-linéaires apparaissent tels que les synapses électriques renforcent la précision et la robustesse de la synchronisation. Ce travail de thèse révèle ainsi le caractère flexible de la synchronisation par les synapses électriques.

L'optique non linéaire traite les modifications des propriétés optiques d'un matériau induites par la propagation de la lumière. Depuis ses débuts, il y a cinquante ans, des nombreuses applications ont été démontrées dans presque tous les domaines de la science. Dans le domaine de la micro et nano-photonique, les phénomènes non linéaires sont à la fois au cœur d'une physique fondamentale fascinante et des applications intéressantes: ils permettent d'adapter et de contrôler le flux de lumière à une échelle spatiale inferieure à la longueur d'onde. En effet, les effets non linéaires peuvent être amplifiés dans des systèmes qui confinent la lumière dans des espaces restreints et avec de faibles pertes optiques. Des bons candidats pour ce confinement sont les nanocavités à cristaux photoniques (CPs), qui ont été largement étudiées ces dernières années. Parmi la grande diversité des processus non linéaires en optique, les phénomènes dynamiques tels que la bistabilité et l'excitabilité font l'objet de nombreuses études. La bistabilité est bien connue pour ces applications potentielles pour les mémoires et les commutateurs optiques et pour les portes logiques. Une réponse excitable typique est celle subjacente dans le déclanchement du potentiel d'action dans les neurones. En optique, l'excitabilité a été observée il y a une quinzaine d'années. Dans ce travail, nous avons étudié les régimes bistables, auto-oscillants et excitables dans des nanocavités semiconductrices III-V à CP. Afin de coupler efficacement la lumière dans les nanocavités, nous avons développé une technique de couplage par onde évanescente en utilisant une microfibre optique étirée. Grâce à cette technique, nous avons démontré pour la première fois l'excitabilité dans une nanocavité à CP. En parallèle, nous avons accompli la première étape vers la dynamique non linéaire dans un réseau de cavités couplées en démontrant le couplage optique linéaire entre nanocavitités adjacentes. Ceci a été réalisé en utilisant de mesures de photoluminescence en champ lointain. Un ensemble de résonateurs non linéaires couplés ouvre la voie à une famille de phénomènes dynamiques non linéaires très riches, basés sur la rupture spontanée de symétrie. Nous avons démontré théoriquement ce phénomène dans deux cavités couplées par onde évanescente. Les premières études expérimentales de ce régime ont été menées, établissant ainsi les bases pour une future démonstration de la rupture spontanée de symétrie dans un réseau de nanocavités non linéaires couplées.

Nous présentons, dans ce manuscrit, une étude du bruit d'intensité et de l'influence de l'injection optique pour des lasers à îlots quantiques et à bâtonnets quantiques. Ces structures font l'objet de nombreuses attentes mais peu d'études ont été jusqu'à présent réalisées. Nous détaillons les techniques de mesures de bruit et développons une analyse de l'interaction entre les modes d'un laser multifréquences à partir de mesures de bruit. Une modélisation du bruit d'intensité dans les structures à îlots quantiques montre un fonctionnement plus complexe de ces structures en comparaison aux structures massives. Il indique le rôle majeur de la couche dite de mouillage, en accord avec l'étude expérimentale. Les meilleures caractéristiques dynamiques liées à une fréquence de relaxation et un taux d'amortissement plus forts s'accompagne d'un bruit plus faible dans un laser à bâtonnets quantiques comparativement à un laser massif de structure comparable. Un nombre plus réduit de plans de bâtonnets quantiques conduit à de moins bonnes caractéristiques dynamiques alors que cette diminution est connue pour diminuer le seuil laser. L'étude de l'injection optique dans ces structures montre un comportement très proche de celui des lasers monomodes. Peu de régimes sont rencontrés en comparaison à l'injection dans un laser multi-mode massif. Par ailleurs nous montrons l'observation du régime de multi-excitabilité dans ces structures.

L'hypophyse antérieure assure une interface endocrine entre le cerveau et les organes périphériques. En effet, cette glande sécrète de manière pulsatile ses différentes hormones dans la circulation générale sous l'influence de facteurs hypothalamiques déversés épisodiquement dans le système porte de l'éminence médiane. Toutefois, l'influence hypothalamique ne saurait à elle seule expliquer l'harmonisation des sécrétions des cellules d'un même type endocrine, qui sont distribuées de manière hétérogène au sein du parenchyme. Il existe sans doute des mécanismes permettant de coordonner l'activité des cellules endocrines à l'échelle de la glande entière. Au cours de cette thèse, nous avons montré la présence d'un mécanisme de communication intra-hypophysaire permettant un transfert rapide d'information au sein d'un réseau de cellules non-endocrines, les cellules folliculostellaires (FS). Ce travail réalisé sur des tranches épaisses d'hypophyse de rat, modèle qui maintient intacte l'architecture cordonale du tissu, a permis de mettre en évidence l'excitabilité membranaire des cellules FS, propriété jusqu'alors inconnue. Cette excitabilité sert de base à l'initiation de vagues calciques, qui peuvent se propager rapidement via des jonctions gap à des régions éloignées de la glande. Nous avons également étudié la libération d'interleukine-6 (IL-6) par les cellules FS. Cette cytokine est connue pour stimuler l'ensemble des sécrétions hormonales hypophysaires. La production d'IL-6 est stimulée par le PACAP. Ce neuropeptide semble agir directement au niveau du gène, et son effet dépend de l'état des communications intercellulaires au sein du réseau. Les cellules FS pouvant répondre à des stimuli d'origine centrale et périphérique, ainsi que dialoguer avec les cellules endocrines, l'ensemble de ces résultats montre que le réseau de cellules FS pourrait fournir un mécanisme efficace qui coordonnerait le fonctionnement de la glande en fonction des différents états physiologiques

Excitabilité et structures localisées sont des phénomènes universels qui ont été observés dans une grande variété de systèmes. Chacun des deux phénomènes a des propriétés intéressante pour des applications potentielles, surtout dans l'optique. L'excitabilité est la propriété intrinsèque du neurone, elle décrit sa réponse à une stimulation: pour des stimulations en-dessous d'un certain seuil, le neurone reste dans son état de repos mais quand la stimulation dépasse ce seuil, il émet une impulsion dont la taille ne dépend pas de la force de la stimulation. Les structures localisées dans les systèmes optiques sont des pics de surintensité qui coexistent avec un fond homogène sur la section transversale spatialement étendue d'une cavité laser. Dans cette thèse nous avons étudié l'apparition de ces deux phénomènes non-linéaires dans des microcavités à semi-conducteur, pour lesquelles les applications dans le traitement tout-optique de l'information sont prometteuse. En outre, nous avons étudié la possibilité de trouver un nouveau phénomène à l'intersection entre les deux: les structures localisées excitables. D'une part nous avons étudié les propriétés des structures localisées qui se forment dans un laser à solitons. Celui-ci est constitué par deux laser à semiconducteur à cavité verticale (VCSEL) mutuellement couplées dans une configuration de laser avec absorbant saturable (LSA). Nous observons l'émissions aléatoire et localisée d'impulsions que nous affirmons être la première évidence expérimentale de structures localisées excitables. D'autre part nous avons démontré le comportement excitable d'un laser avec signal injecté par la possibilité de contrôler les impulsions excitable grâce à une perturbation externe appropriée. Nous avons également réalisé des simulations numériques qui montrent l'existence des structures localisées excitables dans un modèle de VCSEL avec absorbant saturable.

Le cerveau génère spontanément des activités électriques enregistrables à toutes les échelles spatiales, de l'électroencéphalogramme (EEG) jusqu'à la membrane neuronale. La fréquence et l'amplitude de ces activités varient en fonction des états de vigilance. Afin de comprendre comment cette activité synaptique endogène sculpte à chaque instant l'intégration des événements exogènes, j'ai mis au point une nouvelle stratégie expérimentale in vivo visant à comparer les réponses neuronales à divers stimuli, en présence et en absence d'activité endogène. J'ai généré, chez le rat, une activité de type éveil ou sommeil puis, j'ai induit un état isoélectrique durant lequel toute activité spontanée était supprimée. J'ai montré que la suppression de l'activité synaptique dans les neurones du cortex somatosensoriel induisait une diminution de sensibilité neuronale et un accroissement de la régularité des réponses. La persistance d'une excitabilité neuronale dans cet état de coma profond m'a conduit à poursuivre mes recherches avec le service de réanimation neurologique afin d'explorer, chez des patients placés dans un tel coma, la réactivité corticale à des stimulations sensorielles. J'ai démontré chez l'homme et l'animal la persistance de potentiels évoqués sensoriels dans l'EEG et les neurones corticaux. Ces réponses apparaissaient plus tardivement, avec une amplitude plus importante et une plus grande fiabilité d'un essai à l'autre. Ainsi, il apparaît que l'activité synaptique spontanée, qui caractérise le fonctionnement " normal " du cerveau, a essentiellement comme effet d'augmenter la sensibilité des neurones ainsi que la variabilité statistique des réponses à l'environnement. / The brain spontaneously generates electrical activities, which can be recorded at all the spatial level, from the electroencephalogram (EEG) to the neuronal membrane. The frequency and the amplitude of these activities vary with the states of vigilance. To understand how this endogenous synaptic activity sculpts the integration of exogenous events, I developed a new in vivo experimental strategy to compare the cortical neuronal responses to various stimuli in the presence and absence of endogenous activity. I generated a waking-like or sleep-like synaptic activity in the rat. Then, I induced an isoelectric state in which spontaneous activity was completely suppressed. I showed that the suppression of synaptic activity in somatosensory cortex neurons resulted in a decrease in neuronal sensitivity and an increase in the regularity of responses to repeated identical stimuli. The persistence of neuronal excitability while the animal was immersed in a deep comatose led me to continue my research in collaboration with the neurological intensive care unit to explore the sensory-evoked cortical responses in patients exhibiting an isoelectric EEG. I demonstrated in humans and animals the persistence of sensory-evoked potentials in the EEG and individual cortical neurons. These cortical responses occurring in the absence of spontaneous brain activity had an augmented latency, a larger amplitude and a higher trial-to-trial reliability. It thus seems that the primary effect of the sustained background synaptic activity, the hallmark of a "normal" functioning of the brain, is to increase the sensitivity of neurons and the statistical variability of responses to the environment.