Thèse d'exercice : Médecine. Neurochirurgie : Université de Nantes : 2004. / Bibliogr. f. 152-165 [175 réf.].

Les circuits neuronaux des noyaux de la base sont impliqués dans la planification et la sélection des mouvements, dans des processus motivationnels et de renforcement, mais aussi dans des fonctions plus cognitives telles que les processus d’apprentissages instrumentaux. Le dysfonctionnement de ces noyaux entraîne des troubles moteurs graves, telles les maladies de Parkinson et Huntington, et des pathologies plus psychiatriques, comme les phénomènes de dépendances aux drogues, le syndrome Gilles de la Tourette ou encore les troubles déficitaires de l’attention avec hyperactivité. Le striatum, structure d’entrée du système des noyaux de la base, est composé en large majorité de neurones de projections GABAergiques épineux de taille moyenne (medium spiny neuron, MSN), qui sont subdivisés en deux populations: les neurones striatonigraux et les neurones striatopallidaux. Ces neurones forment des voies fonctionnelles parallèles et distinctes :celles ci prennent naissance au niveau du striatum après réception de l’information émanant du cortex, puis traversent les autres ganglions de la base (Globus Pallidus, Noyau sous-thalamique, Substance noire), qui ensuite aboutissent sur le thalamus qui retourne l’information traitée aux différentes aires corticales concernées. Ces neurones de projections sont morphologiquement identiques et distribués de manière homogène dans l’ensemble du striatum, rendant difficile leur étude spécifique sans outils génétiques.Dans ce travail, nous avons étudié les rôles respectifs de ces deux populations neuronales dans l’apprentissage instrumental séquentiel par une approche optogénétique. Cette technique permet de contrôler optiquement, à une échelle de temps physiologique et de façon réversible, l’activité d’une population de neurones génétiquement ciblée pendant un comportement. Dans un premier temps, nous avons développé des modèles de souris dans lesquelles chacune de ces deux populations est spécifiquement ciblée au moyen du système Cre/LoxP et à l’aide d’injection stéréotaxique de vecteurs viraux permettant l’expression de canaux photosensibles, comme la Channelrhodopsine-2 (ChR2). Une validation de la fonctionnalité de cette protéine dans ces modèles a d’abord été établie ex vivo par des moyens électrophysiologiques (enregistrement de l’activité des neurones sur tranche de cerveau en survie), puis in vivo, par induction d’un comportement rotatoire caractéristique de l’activation unilatérale de ces populations neuronales.Dans un second temps, ces souris ont été étudiées dans un paradigme comportemental lié au striatum dorsal :l’apprentissage instrumental séquentiel. En effet, l’exécution d’une séquence d’actions dans un ordre bien déterminé est fondamentale pour adopter un comportement adapté. Au cours de l’acquisition d’une nouvelle séquence, chacune de ces deux populations de neurones est activée par optogénétique afin de déterminer leur effet dans cet apprentissage. Nous nous sommes particulièrement intéressés à ces neurones dans le striatum dorsolatéral (DLS), car cette région joue un rôle fondamental dans la formation d’une habitude, et plus particulièrement lors d’un apprentissage séquentiel. Ce travail a pu mettre en évidence l’importante implication respective de ces neurones du DLS lors de l’acquisition d’une séquence puisque nous avons montré que l’activation des neurones striatonigraux facilitait l’apprentissage d’une nouvelle séquence, alors que l’activation des neurones striatopallidaux perturbe cet apprentissage. De plus, nos résultats indiquent que la stimulation optogénétique des neurones striatopallidaux entraîne un déficit à différencier et à associer des actions pour former une unité performante, tandis que l’activation des neurones striatonigraux semble fondamentale pour initier et terminer correctement une séquence. Ces résultats contribuent ainsi à la compréhension du rôle des deux voies principales du striatum dorsolatéral lors d’un apprentissage instrumental séquentiel. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le Colliculus Supérieur (SC) est bien connu pour son rôle dans la génération des saccades oculaires. Sa connectivité réciproque avec les Ganglions de la Base (BG) a récemment été mise en évidence, ainsi que son implication active dans les processus de sélection saccadique. Indépendamment du rôle des BG dans la sélection en général, les hypothèses traditionnelles suggèrent que la sélection au sein du SC résulte d'inhibitions latérales réciproques. Notre modèle propose de développer une autre hypothèse, dans laquelle les BG jouent un rôle important pour la sélection des cibles des saccades par un circuit purement sous-cortical SC-BG. En partant du constat que les profils d'activités des populations neuronales du SC peuvent être assimilés à ceux des neurones accumulateurs stochastiques des modèles phénoménologiques de sélection par course, ce nouveau modèle propose que la sélection observée dans le SC résulte non pas d'interactions latérales dans le SC, mais d'un processus de course vers un seuil de sélection dans les couches colliculaires intermédiaires, seuil dynamiquement déterminé par une désinhibition sélective opérée par les BG dans le cadre d'une boucle de rétrocontrôle double des BG vers le SC. Ce modèle reproduit divers profils d'activité neuronaux observés in-vivo, ainsi que les profils de sélection de plusieurs tâches expérimentales relatives à la discrimination entre de nombreux stimuli similaires. Son neuromimétisme lui permet de proposer diverses prédictions sur les substrats neurologiques de ses composants, et les substrats neurologiques de divers phénomènes particuliers de sélection comme les saccades moyennes ou le remote distractor effect. / The Superior Colliculus (SC) is well-known for its role in the generation of ocular saccades. Its reciprocal connectivity with the Basal Ganglia (BG) has recently been highligted, as well as its active involvement in the saccadic selection processes. Yet, the most common hypothesis explaining its role in saccade target selection neglect the potential implication of the BG and focus on unproven networks of lateral reciprocal inhibitions within the SC. We propose a model based on a the SC-BG loop hypothesis, in the framework of a purely subcortical saccade selection process Since the activity profiles of specific SC neurons populations can be seen as equivalent to the stochastic accumulators of the phenomelogical race models, we propose that the selection operated bythe SC is based not on lateral inhibitions within its maps, but on a race to a selection threshold in the intermediate layers of the SC, the threshold being dynamically set by the selective disinhibition of the SC maps by a double closed loops with the BG. Our model is able to reproduce various in-vivo neuronal activity profiles, as well as the selection distributions observed in various experimental setups involving the discrimination between numerous identical stimuli. Our model's neuromimetism level allows us to propose predictions about the neuronal substrates of the model's components, as well as the substrates for various selection phenomenons such as average saccades and the remote distractor effect.

Notre cerveau prend en charge différentes formes d’apprentissage dans ses diverses parties. C’est par exemple le cas des ganglions de la base, un ensemble de noyaux sous-corticaux qui est impliqué dans la sélection de l’action et une forme spécifique de l’apprentissage / mémoire, la mémoire procédurale (mémoire des compétences ou d’expertise). A l’échelle du neurone unique, le support le plus plausible de l’apprentissage et de la mémoire est la plasticité synaptique, le processus par lequel l’efficacité de la communication entre deux neurones change en réponse à un pattern spécifique de conditions environnementales. Parmi les différentes formes de plasticité synaptique, la plasticité dépendante du timing des spikes (STDP) représente le fait que le poids synaptique (l’efficacité de la connexion) change en fonction du temps écoulé entre l’émission des deux potentiels d’action (spikes) présynaptiques et postsynaptiques consécutifs. Si la STDP est une forme de plasticité qui a récemment attiré beaucoup d’intérêt, on ne comprend pas encore comment elle émerge des voies de signalisation / biochimiques qui la sous-tendent. Pour répondre à cette question, nous combinons les approches expérimentales de nos collaborateurs (pharmacologie et électrophysiologie) avec la modélisation de la dynamique des réseaux de signalisation impliquées (décrite par des équations différentielles ordinaires). Après estimation des paramètres, le modèle reproduit la quasi-totalité des données expérimentales, y compris la dépendance de la STDP envers le nombre stimulations pré- et post-synaptiques appariées et son exploration pharmacologique intensive (perturbation des voies de signalisation par des produits chimiques). En outre, contrairement à ce qui était largement admis dans la communauté des neurosciences, notre modèle indique directement que le système endocannabinoïde contrôle les changements du poids synaptique de façon bi-directionnelle (augmentation et diminution). De plus, nous étudions comment une série de facteurs comme la recapture du glutamate régule la STDP. Notre modèle représente une première étape pour l’élucidation de la régulation de l’apprentissage et de la mémoire au niveau du neurone unique dans les ganglions de la base. / Our brains support various forms of learning in their various subparts. This is for instance the case of the basal ganglia, a set of subcortical nuclei that is involved in action selection and a specific form of learning / memory, procedural memory (memory of skills or expertise). At the scale of single neurons, the most plausible support of learning and memory is synaptic plasticity, the process by which the efficiency of interneuronal communication changes in response to a pattern of environmental conditions. A recent focus of research is on spike-timing dependent plasticity (STDP), whereby the relative timing of activations (spikes) of connected pre- and postsynaptic neurons, determines the synaptic weight (the efficiency of synaptic connection). Notwithstanding, the dependence of STDP on underlying signaling pathways is not yet fully understood. To address this issue, we combine experimental approaches by our collaborators (pharmacology and electrophysiology) with modeling of the implicated signaling network (described by Ordinary-Differential Equations). After parameter estimation, the model reproduces much of experimental data, including the dependence of STDP on the number of paired stimuli of pre- and postsynaptic neurons and intensive pharmacological exploration (where signaling molecules are perturbed by chemicals). Furthermore, in opposition to what was widely believed in the neuroscience community, our model directly indicates that the endocannabinoid system supports bidirectional changes of the synaptic weight (increase and decrease). Moreover, we study how a range of factors including glutamate uptake regulates STDP. We expect our model to be a starting point to the elucidation of the regulation of learning and memory in the basal-ganglia at the single neuron level.

La souris scrambler (Dab1scm) est un mutant ataxique cérébelleux qui présente une mutation naturelle du gène mdab1, codant pour une protéine intracellulaire nécessaire à la voie de signalisation de la rééline. Cette protéine joue un rôle crucial dans la mise place et la plasticité des structures laminées telles que le cortex cérébral, l’hippocampe ou le cervelet. Notre objectif a été de caractériser le phénotype comportemental et neurochimique de la souris scrambler au cours du développement post-natal et à l’âge adulte. Les premiers signes de l’ataxie cérébelleuse sont observables dès 8 jours et sont majorés au cours des 2ème et 3ème semaines de vie post-natale. A l’âge adulte, la souris se caractérise par un trouble important de la coordination motrice et une hyperactivité locomotrice exacerbée et stéréotypée (comportement de rotation) lorsque l’animal est placé en milieu aquatique. Les tests du labyrinthe aquatique de Morris et de l’alternance spontanée mettent en évidence des déficiences possiblement causées par un trouble du guidage visuo-moteur et la désinhibition comportementale. Chez ces souris, l’activité métabolique régionale évaluée par le marquage de la cytochrome oxydase est relativement préservée dans le cervelet ; elle est en revanche altérée dans diverses régions du tronc cérébral qui lui sont associées ainsi que dans l’hippocampe et certaines régions corticales. Le comportement de rotation stéréotypé et l’hyperactivité causés possiblement par un déséquilibre neurochimique acétylcholine/dopamine a été évalué dans un rotamètre avec ou sans injection préalable d’un antagoniste des récepteurs D2. Parallèlement, l’innervation cholinergique du système nerveux central, révélée par l’activité de l’acétylcholinestérase était diminuée dans la substance noire pour laquelle nous avons observé une désorganisation et une perte partielle des neurones dopaminergiques. Bien que les atteintes multiples compliquent l’étude structuro- fonctionnelle de ce mutant, nos résultats ont permis de préciser le phénotype scrambler en le comparant aux autres mutants de la voie de la rééline. Ces mutants font l’objet aujourd’hui d’un intérêt croissant pour la modélisation non seulement de l’ataxie mais également de certaines maladies neurologiques et neuro-psychiatriques comme l’autisme et la schizophrénie / The Dab1scm scrambler mice is a cerebellar ataxic mutant spontaneously mutated for a gene encoding a protein of the reelin signaling pathway involved in the development and the plasticity of laminated structures such as the neocortex, the hippocampus, and the cerebellum. Our objective was to characterize the behavioral and neurochemical phenotype of the scrambler mice during postnatal developmental and adult stages. The first signs of cerebellar ataxia are observable as early as 8 days and increase during the 2nd and 3rd weeks of postnatal life. Adult mouse is characterized by a significant disturbance of motor coordination and a locomotor hyperactivity which increases ans becomes stereotyped (circling) when the animal was placed in water. Morris water maze and spontaneous alternation highlight deficiencies possibly caused by disorder of visuomotor control and disinhibitory processes. Brain regional metabolic activity measured by cytochrome oxidase is relatively preserved in the mutant cerebellum. However, it is impaired in various connected regions of the brainstem as well as in the hippocampus and some cortical regions. Circling behavior and hyperactivity, possibly caused by a neurochemical imbalance between acetylcholine and dopamine, were evaluated in a rotameter with or whithout prior injection of D2 receptor antagonist. In parallel, cholinergic innervation of the central nervous system measured by acetylcholinesterase activity is lower in the substantia nigra for which a partial disruption and loss of dopaminergic neurons is observed. Although the multiple alterations complicate the structuro-fonctional study of this mutant, results have clarified the scrambler phenotype by comparison with others mutants of the reelin pathway. This mutants are now subject to a growing interest in not only ataxia modeling but also some neurological and neuropsychiatric diseases

Dans le contexte de l'énaction et dans une approche globale de la perception, nous nous sommes intéressés à étudier calcul neuronal permettant de comprendre les relations entre les structures dans le cerveau et leurs fonctions. Nous avons d'abord examiné les problèmes calculatoires liés à la discrétisation des équations différentielles qui régissent les systèmes étudiés et aux schémas d'évaluation synchrones et asynchrones. Nous nous sommes, ensuite, intéressés à un niveau fonctionnel élémentaire: la transformation de représentations sensorielles spatiales en actes moteurs temporels dans le cadre du système visuo-moteur. Nous avons proposé un modèle minimaliste d'encodage automatique des cibles visuelles de saccades qui se concentre sur le le flux visuel de la rétine vers le colliculus supérieur. Ce modèle, basé sur sur des règles locales simples au sein d'une population homogène, permet de reproduire et d'expliquer plusieurs résultats d'expériences biologiques ce qui en fait un modèle de base efficace et robuste. Enfin, nous avons abordé un niveau fonctionnel plus global en proposant un modèle de la boucle motrice des ganglions de la base permettant d'intégrer des flux sensoriels, moteurs et motivationnels en vue d'une décision globale reposant sur des évaluations locales. Ce modèle met en exergue un processus adaptatif de sélection de l'action et d'encodage de contexte via des mécanismes originaux lui permettant en particulier de constituer la brique de base pour les autres boucles cortico-basales. Les deux modèles présentent des dynamiques intéressantes à étudier que ce soit d'un point de vue biologique ou d'un point de vue informatique computationnel / Within the context of enaction and a global approach to perception, we focused on the characteristics of neural computation necessary to understand the relationship between structures in the brain and their functions. We first considered computational problems related to the discretization of differential equations that govern the studied systems and the synchronous and asynchronous evaluation schemes. Then, we investigated a basic functional level : the transformation of spatial sensory representations into temporal motor actions within the visual-motor system. We focused on the visual flow from the retina to the superior colliculus to propose a minimalist model of automatic encoding of saccades to visual targets. This model, based on simple local rules (CNFT and logarithmic projection) in a homogeneous population and using a sequential processing, reproduces and explains several results of biological experiments. It is then considered as a robust and efficient basic model. Finally, we investigated a more general functional level by proposing a computational model of the basal ganglia motor loop. This model integrates sensory, motor and motivational flows to perform a global decision based on local assessments. We implemented an adaptive process for action selection and context encoding through an innovative mechanism that allows to form the basic circuit for other cortico-basal loops. This mechanism allows to create internal representations according to the enactive approach that opposes the computer metaphor of the brain. Both models have interesting dynamics to study from whether a biological point of view or a computational numerical one

Les dernières avancées dans le domaine de l’imagerie par résonance magnétique permettent aujourd’hui de mieux comprendre l’anatomie et le fonctionnement du cerveau humain. L’IRM s’avère d’ailleurs aujourd’hui un outil clé pour la recherche de biomarqueurs d’imagerie dans la plupart des pathologies cérébrales. Nous nous sommes intéressés dans le cadre de cette thèse à l’étude de la connectivité anatomique des noyaux gris centraux, structures impliquées dans de nombreuses boucles cortico-sous-cortico-corticales, et dont l’atteinte est à l’origine de troubles moteurs à l’instar de la maladie de Huntington, du syndrome Gilles de la Tourette et de la maladie de Parkinson. Nous avons pour cela effectué plusieurs développements méthodologiques qui permettent de segmenter les noyaux gris centraux et d’inférer leur connectivité anatomique. Tout d’abord, nous avons développé une méthode de segmentation des noyaux gris centraux à partir de différents contrastes et capable de s’adapter à des cas pathologiques présentant une forte modification de ces structures. Ensuite, nous avons développé des méthodes robustes d’analyse et de sélection des fibres reliant les différentes structures cérébrales, obtenues à l’aide de méthodes de tractographie par IRM du processus de diffusion cérébrale. Ces nouvelles méthodes de sélection présentent l’avantage de tenir compte d’a priori anatomiques, et fournissent ainsi des résultats plus proches de la réalité que les résultats obtenus dans la littérature. Nous avons également développé une méthodologie permettant de construire des cartes de connectivité surfaciques afin de projeter les connexions des noyaux gris centraux sur la surface corticale et de comparer le profil de connectivité corticale des noyaux gris au sein d’une population et entre populations. Enfin, nous avons utilisé ces outils pour étudier les modifications putatives de la connectivité anatomique des noyaux gris centraux dans la maladie de Huntington et dans le syndrome Gilles de la Tourette. / The recent advances in magnetic resonance imaging helped understanding brain anatomy and function. Today, MR imaging is a key tool for inferring imaging-based biomarkers for most neuropathologies. In this work, we focused on the anatomical connectivity of the basal ganglia which are involved in several cortico-subcortical loops and which dysfunction is the origin of motor disorders like Huntington and Parkinson diseases and Gilles de la Tourette syndrome. We developed several tools allowing the segmentation of the basal ganglia and inferring their anatomical connectivity. First, we developed a method for deep nuclei segmentation using several contrasts and that was adapted for pathological cases presenting high modifications in the morphology of these structures. Second, we developed robust methods for the analysis and the selection of the fiber tracts linking different brain structures and obtained using dMRI and tractography methods. These novel tools have the advantage of taking into account anatomical prior knowledge. Therefore the obtained results are closer to the real anatomy than those obtained using the tools available in the literature. We also developed surface connectivity maps that project the cortical connections of the deep nuclei directly on the cortical surface and that allow the comparison of the connectivity profile of the deep nuclei between different subjects and different groups. Finally, we used these tools to study the putative modifications of the anatomical connectivity of the deep nuclei in the Huntington disease and Gilles de la Tourette syndrome.

Dans ce travail de thèse, nous avons modélisé le rôle de la dopamine dans l'apprentissage et dans les processus de sélection de l'action en lien avec les ganglions de la base. L'activité des neurones dopaminergiques présente de nombreuses similarités avec l'erreur de prédiction de la récompense utilisée par les algorithmes d'apprentissage par renforcement. Ainsi, ces neurones sont supposés guider le processus de sélection de l'action.Dans une première partie, nous avons analysé l'information encodée par les neurones dopaminergiques dans une tâche à choix multiples en la comparant à différentes informations utilisées par les modèles d'apprentissage par renforcement. Nos résultats suggèrent que l'information encodée par les neurones dopaminergiques enregistrer dans la tâche n'est que partiellement compatible avec une erreur de prédiction et semble en partie dissociée du comportement.Dans une deuxième partie, nous avons simulé l'effet de la dopamine sur un modèle des ganglions de la base prenant en compte des connections existant chez le primate, souvent négligées dans la littérature. La plupart des modèles actuels font en effet l'hypothèse d'une séparation stricte de deux chemins dans les ganglions de la base : le chemin direct lié à la récompense et le chemin indirect lié à la punition. Cependant des études anatomiques remettent en question cette dissociation, en particulier chez le primate. Nous proposons ainsi d'étudier comment différents niveaux de dopamine, dans le contexte de la maladie de Parkinson, affectent l'apprentissage et la sélection de l'action dans ce modèle / In this thesis work, we modelled the role of dopamine in learning and in the processes of action selection through its interaction with the basal ganglia. During the 90’s, the work of Schultz and colleagues has led to major progress in understanding the neural mechanisms underlying the influence of feedback on learning. The activity of dopaminergic neurons exhibited properties of the reward prediction error signal used in so-called Temporal Difference (TD) machine learning algorithms. Thus, DA has been thought to be the neural signal that help us to adapt our behavior. In the first part of my PhD, we analyze the information encoded by dopaminergic neurons recorded during a multi-choice task. In this purpose, we modeled the task and simulated different TD learning algorithms to quantitatively compare their ability to reproduce dopamine neurons activity. Our results show that the information carried out by dopamine neurons is only partly consistent with a reward prediction error and seems to be dissociated from behavioral adaptation.In the second part of my PhD, we study the effect of different levels of dopamine in a biologically plausible model of primates basal ganglia that considers existing connections often neglected in the literature. Indeed, most of current models of basal ganglia assume the existence of two segregated pathway: the direct pathway associated with reward and the indirect pathway associated with punishment. However, anatomical studies in primates revealed that these two pathways are not dissociated. We study the ability of such a model to reproduce beta oscillations observed in Parkinsonian and the differences in reward and punishment sensitivity, with high or low-level of dopamine.