Die Erforschung der Zusammenhänge zwischen Gehirnplastizität und individuellem Verhalten gestaltet sich aufgrund ihrer Komplexität im Tiermodell schwierig. Die vorliegende Studie wurde im mit dem Ziel konzipiert, die Individualitätsentwicklung bei Mäusen mit den gleichen physiologischen und genetischen Voraussetzungen in einer komplexen räumlichen und sozialen Umgebung zu beschreiben. Ich untersuchte die Korrelation dieser Entwicklung mit der Neurogenese im adulten Hippokampus als Maß für Gehirnplastizität. Zu diesem Zweck wurden zwei je mit einem automatisierten RFID-Tracking-System ausgestattete Großgehege mit jeweils 40 Tieren besiedelt. Die Bewegungen der Tiere wurden kontinuierlich aufgezeichnet und es wurden zudem direkte Verhaltensbeobachtungen durchgeführt. Die Tiere zeigten eine normale physiologische Entwicklung. Die Roaming Entropy (RE), ein Maß für die Gleichmäßigkeit, mit der die Tiere ihr Gehege nutzten, beschreibt das Erkundungsverhalten der einzelnen Mäuse. Die kumulativ erworbenen RE-Werte (cRE) in jedem der beiden Gehege wurden mit der Zeit zunehmend verschieden. Es war nicht möglich, aufgrund kleiner anfänglicher Unterschiede die Endwerte zu berechnen. Das bedeutet, dass die Tiere erst durch die andauernde Interaktion mit ihrer Umwelt und den Artgenossen unterschiedlicher wurden. Darüber hinaus sind die cRE-Werte am Endpunkt positiv mit den Neurogenesewerten korreliert. Dies beweist, dass während der Entwicklung auftretende Faktoren die Individualitätsentwicklung beeinflussen. Dieser Prozess benötigt plastische Hirnstrukturen und formt diese wiederum. Die Verhaltensanalysen zeigten, dass Tiere, die viele Antennenkontakte sammelten („most active“, MA) nicht zwangsläufig auch hohe cRE-Werte hatten. MA-Mäuse waren häufiger an sozialen Interaktionen beteiligt als Tiere mit wenigen Antennenkontakten („least active“, LA), akkumulierten über die Zeit niedrigere cRE-Werte und standen vermutlich weiter unten in der sozialen Hierarchie. Zusammenfassend kann man sagen, dass das Ausmaß der räumlichen Exploration und die allmähliche Erweiterung der Erfahrung mit einer gesteigerten Plastizität des Gehirns in Form von adulter Neurogenese verbunden war. Die Daten zeigen, dass Tiere mit den gleichen Voraussetzungen sich dennoch auf zunehmend divergierende, individuelle Art entwickeln. Dies ist zumindest teilweise durch leicht unterschiedliche epigenetische Voraussetzungen zu erklären, die durch das Wechselspiel mit dem komplexen Umfeld weiter auseinanderdriften. Auch scheint es, dass Individuation lebenden Organismen inhärent und Voraussetzung für evolutionäre Prozesse ist. Die Studie zeigt, dass die Unterschiede in individuellem Verhalten und Gehirnstruktur nicht allein durch Genen und Umweltbedingungen festgelegt sind, sondern auch durch Faktoren, die sich während der ontogenetischen Entwicklung entfalten, beeinflusst werden. Der beschriebene Versuchsaufbau stellt darüber hinaus ein Tiermodell für die Untersuchung von Mechanismen und modulierenden Faktoren auf die strukturellen Grundlagen der Plastizität als individuelle Reaktion auf die gemeinsam genutzte Umgebung dar. / The complex nature of the relationship between brain plasticity and individual behaviour renders its investigation using animal models difficult. The present study was designed to describe the emergence of individuality in mice with the same physiological, environmental and genetic preconditions in response to complex environmental and social cues. I investigated the correlation of this development to brain plasticity, namely neurogenesis in the adult hippocampus. To this end, two large, multi-level enclosures fitted with and automated RFID tracking system were populated with 40 animals to each. The mice were continuously tracked and live behaviour observations were done. The animals showed normal physiological development. The Roaming Entropy (RE), a measure for the evenness of their usage of the enclosure, describes the exploration behaviour of each animal. Cumulatively acquired RE scores (cRE) within an enclosure increasingly diverged with time. Small differences at the beginning were not predictive of the end values. Thus, the animals became different through the continued interaction with environment and conspecifics. Moreover, the cRE values at the end point positively correlated with the amount of hippocampal neurogenesis. This proves that factors emerging during development contribute to individuality development. These factors at the same time shape and rely on plastic brain structures. Behavioural analyses showed that animals with a high amount of antenna contacts (most active, MA mice) were not necessarily those with high cRE values. MA mice were more often involved in social interactions than the least active mice (least active, LA), accumulated lower cRE scores over time and seemed to be lower in the social hierarchy. In conclusion, the amount of spatial exploration and gradual broadening of experience was linked to brain plasticity in the form of elevated levels of hippocampal neurogenesis. The data shows that animals with same preconditions still develop along increasingly divergent, individual paths. This is probably partly given through slightly different epigenetic preconditions, drifting further apart by interaction with the complex environment. Also, individuation seems to be inherent in living organisms and necessary for evolutionary processes. The study shows firstly that differences in individual behaviour and brain structure are defined not only by genes and the environment but also modulated by factors unfolding or emerging during ontogenetic development. The present paradigm moreover introduces an animal model for studying mechanisms and influences on the structural basis of plasticity as an individual response to the nonshared environment.

Can the brain register the emotional valence of brief exposures of complex natural stimuli under conditions of forward and backward masking, and under conditions of attentional competition between foveal and peripheral stimuli? To address this question, three experiments were conducted. The first, a behavioural experiment, measured subjective valence of response (pleasant vs unpleasant) to test the perception of the valence of natural images in brief, masked exposures in a forward and backward masking paradigm. Images were chosen from the International Affective Picture System (IAPS) series. After correction for response bias, responses to the majority of target stimuli were concordant with the IAPS ratings at better than chance, even when the presence of the target was undetected. Using functional magnetic resonance imaging (fMRI), the effects of IAPS valence and stimulus category were objectively measured on nine regions of interest (ROIs) using the same strict temporal restrictions in a similar masking design. Evidence of affective processing close to or below conscious threshold was apparent in some of the ROIs. To further this line of enquiry, a second fMRI experiment mapping the same ROIs and using the same stimuli were presented in a foveal (‘attended’) peripheral (‘to-be-ignored’) paradigm (small image superimposed in the centre of a large image of the same category, but opposite valence) to investigate spatial parameters and limitations of attention. Results are interpreted as showing both valence and category specific effects of ‘to-be-ignored’ images in the periphery. These results are discussed in light of theories of the limitations of attentional capacity and the speed in which we process natural images, providing new evidence of the breadth of variety in the types of affective visual stimuli we are able to process close to the threshold of conscious perception.

Les épilepsies mésiales du lobe temporal (ELTM) sont parmi les formes les plus fréquentes d’épilepsies partielles pharmaco-résistantes de l’adulte et l’enfant. Dans ces épilepsies les études électrocliniques et expérimentales indiquent que la zone épileptogène, qui désigne un ensemble de neurones nécessaire et suffisant à l’organisation d’une décharge anormale, ne peut être réduite à la seule formation hippocampique (FH) et impliquerait une réorganisation mettant en jeu plusieurs structures au sein du système limbique. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la connectivité structurale entre le noyau supramammillaire (SuM) et la FH chez le rat dans le but de déterminer l’identité neurochimique de la voie de projection supramammillaro-hippocampique qui n’avait pas été clairement identifiée et, vérifier l’hypothèse d’une éventuelle réorganisation de cette voie de projection dans le modèle d’ELTM induit par l’injection intrapéritonéale de pilocarpine chez le rat. Chez les rats naïfs, nous mettons en évidence deux voies de projection distinctes. La première a pour origine les neurones localisés dans la partie latérale du SUM (SuML) qui innervent le champ CA2-CA3a et principalement la couche supragranulaire du gyrus dentelé dorsal. Cette voie est essentiellement ipsi-latérale et a la caractéristique de présenter un profil neurochimique unique, à la fois GABAergique et glutamatergique. La seconde voie de projection a pour origine les neurones localisés dans la partie plus postérieure et médiane du SuM (SuMM) qui innervent la région CA2-CA3a et la région ventrale du gyrus dentelé exclusivement ; cette voie est purement glutamatergique. Chez les rats traités à la pilocarpine, nos résultats montrent une réorganisation structurale des afférences des noyaux SuML et SuMM qui innervent le gyrus dentelé. Cette réorganisation est caractérisée par une distribution aberrante et une augmentation du nombre de fibres et terminaisons axonales en provenance des noyaux SuML et SuMM dans la couche moléculaire interne du gyrus dentelé. Cette réorganisation commence à la fin de la période de latence, et évolue pendant l’épilepsie induite par la pilocarpine. Avec ce travail, nous montrons pour la première fois : 1) l’hétérogénéité à la fois anatomique et neurochimique des voies de projection supramammillaro-hippocampiques ; 2) dans le gyrus dentelé des animaux traités à la pilocarpine, une réorganisation structurale d’origine extra-hippocampique, en provenance des noyaux SuML et SuMM. Cette connectivité aberrante pourrait contribuer avec la réorganisation des circuits intrinsèques de l’hippocampe à l’émergence des premières crises spontanées et à l’installation de l’épilepsie. / Mesial temporal lobe epilepsies (MTLE) are among the most common forms of pharmacoresistant partial epilepsies in adults and children. In these epilepsies, spontaneous seizures likely originate from a multi-structural epileptogenic zone including several structures of the limbic system connected to the hippocampal formation (HF). In this thesis, we investigate the structural connectivity between the supramammillary nucleus (SuM) and the HF in rat, in order to determine the not yet known neurochemical identity of the supramammillaro-hippocampal pathway and, to test the hypothesis of a potential reorganization of this pathway in the rat pilocarpine model of MTLE. In naïve rats, our results highlight two distinct pathways. The first pathway originates in the lateral part of the SuM (SuML) and innervates the supragranular layer of the dorsal dentate gyrus mainly, and the CA2-CA3a pyramidal cell layer of the hippocampus. This pathway is mainly ipsilateral and displays a unique dual phenotype for GABAergic and glutamatergic neurotransmission. The second pathway originates in the most posterior and medial part of the SuM (SuMM) and innervates exclusively the inner molecular layer of the ventral dentate gyrus and the CA2-CA3a subfield and is glutamatergic only.In pilocarpine-treated animals, our findings demonstrate a structural reorganization of dentate gyrus afferents originating from the SuM nuclei. Such reorganization is characterized by an aberrant distribution and an increased number of fibers and axon terminals from neurons of the both lateral and medial regions of the SuM, invading the entire inner molecular layer of the dentate gyrus. It starts at the end of the latent period and evolves during the epilepsy induced by pilocarpine. Our findings demonstrate for the first time: 1) the anatomical and neurochemical heterogeneity of the supramammillaro-hippocampal pathways; 2) in pilocarpine-treated animals, a marked reorganization of dentate gyrus afferents originating from the SuM nuclei. This aberrant connectivity could contribute along with the reorganization of hippocampal intrinsic circuitry to the emergence of the first spontaneous seizures and epilepsy installation.

Ce travail s'inscrit dans l'étude du réseau neuronal responsable de l'activation corticale au cours du sommeil paradoxal (SP) chez le rongeur. Dans la première partie de ma thèse, j'ai participé à la démonstration que cette activation est limitée à quelques structures limbiques déterminantes pour l'apprentissage, dont le gyrus dentelé de l'hippocampe (GD). Nous avons ensuite montré que l'activation du GD en SP est due à une projection issue du noyau supramammillaire (Sum). J'ai ensuite montré en combinant l'hybridation in situ d'un marqueur des neurones glutamatergiques et GABAergiques et l'immunohistochimie du FOS que les neurones du Sum latéral actifs en SP sont à la fois glutamatergiques et GABAergiques (GLU/GABA). Enfin, j'ai montré que l'augmentation du nombre de neurones FOS+ dans le GD dorsal en SP est abolie après la lésion neurochimique du Sum. De plus, la lésion du Sum induit une nette réduction de la densité de fibres glutamatergiques dans le GD dorsal. Ces résultats indiquent que les neurones du GD dorsal sont activés en SP par les neurones GLU/GABA du Sum latéral. Le deuxième objectif de ma thèse a été de déterminer la fonction de cette voie en SP. Ainsi j'ai utilisé la technique d'optogénétique afin d'inactiver ou activer les fibres GLU/GABA provenant du Sum localisées dans le GD dorsal au cours du SP. Nos résultats montrent que l'activation de ces fibres en SP induit une augmentation de la fréquence et de la puissance du thêta enregistré dans le GD. Ces résultats indiquent que la voie Sum-GD dorsal contrôle le thêta hippocampique et soutiennent l'hypothèse d'un rôle de cette voie dans les processus de consolidation mnésique prenant place au cours du SP / During my PhD I studied the neuronal network responsible for cortical activation during paradoxical sleep (PS) in rodents. In the first part of my thesis, I participated to the demonstration that this activation is limited to a few limbic structures involved in learning, including the dentate gyrus of the hippocampus (DG). Then, we showed that the activation of DG during PS is due to a projection from the supramammillary nucleus (Sum). Besides, by combining the in situ hybridization of markers of GABAergic and glutamatergic neurons and FOS immunohistochemistry, I demonstrated that lateral Sum neurons active in SP are both glutamatergic and GABAergic (GLU/GABA). Finally, I showed that the increasing number of FOS+ neurons in the dorsal DG during PS is abolished by the neurochemical lesion of the Sum. In addition, the Sum lesion induces a clear reduction of the density of glutamatergic fibers in the dorsal DG. These results indicate that during PS, dorsal DG neurons are activated by GLU/GABA neurons located in the lateral Sum. The second aim of my thesis was to determine the function of this pathway during PS. To realize that, I inactivated or activated by optogenetics the Sum GLU/GABA fibers located in the dorsal GD during SP. Our results show that the activation of these fibers during SP induces an increase in the theta frequency and power recorded in the dorsal DG. These results indicate that the Sum-dorsal DG-pathway modulates the hippocampal theta and supports the hypothesis of a role of this pathway in the memory consolidation process during SP

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L’étude de la complexité de l’anatomie du cerveau humain nécessite la caractérisation des paramètres multimodaux et multi-échelle obtenus par des techniques de neuroimagerie récentes. Pour ce travail de thèse nous avons tiré profit d’un logiciel automatique actuel d’analyse surfacique d’images cérébrales afin d’extraire les phénotypes structuraux du cortex cérébral humain, c’est-à-dire l’épaisseur corticale, l’aire de la surface, la profondeur sulcale, la courbure et le contenu en myéline intracorticale. L’objectif principal de ce travail a été de caractériser des variables structurales multimodales sur une large base de données de plus de 450 adultes sains âgés de 18 à 57 ans (base de données BIL&GIN) dans le but de décrire la variabilité interindividuelle de l’organisation structurale du cerveau et notamment la recherche de marqueurs de la maturation cérébrale et de la latéralisation. Nous avons tout d’abord pris l’exemple du gyrus de Heschl, support anatomique du cortex auditif primaire, qui possède une grande variabilité en lien avec l’existence de différents profils de duplication du gyrus couplée à de fortes différences interhémisphériques. Nous avons montré qu’une duplication partielle ou complète du gyrus de Heschl était associée à des modifications locorégionales d’épaisseur corticale, d’aire de la surface et de myéline localisée postérieurement à ce gyrus et dans le planum temporale, ces deux régions étant impliquées dans le traitement du langage. Dans une deuxième étude, nous avons recherché les modifications structurales du cortex associées à la maturation tardive (entre 18 et 30 ans) et à l’atrophie corticale liée au vieillissement. Nous avons montré que l’établissement d’un index de maturation basé sur l’intégration de l’épaisseur corticale et de la myéline intracorticale améliorait la discrimination entre les 2 profils de modifications de la substance grise pendant ces deux périodes de la vie. Finalement, nous avons caractérisé les asymétries corticales en utilisant un recalage surfacique des hémisphères qui s’affranchit des différences de morphologie sulcale et de position entre les deux hémisphères. Nous avons mis en évidence des régions pour lesquelles les asymétries d’épaisseur et de surface étaient concordantes (asymétrie gauche ou droite pour les deux variables anatomiques) et des régions pour lesquelles les asymétries étaient opposées (gauche pour l’une des variables et droite pour l’autre). Environ 20% des régions qui montraient une asymétrie d’épaisseur et d’aire présentaient des corrélations négatives entre ces variables. Il est frappant de constater que les deux régions ayant les asymétries les plus fortes, le planum temporale et le sillon temporal supérieur, ont des corrélations positives entre leurs asymétries d’épaisseur et d’aire. Le planum temporale possède une asymétrie gauche à la fois pour l’épaisseur et l’aire alors que le sillon temporal supérieur a une asymétrie droite pour les deux variables. Cette étude démontre qu’il existe des corrélations entre les asymétries d’épaisseur et d’aire qui sont caractéristiques de l’organisation du cortex. Ces régions sont des sites clé pour lesquels il reste maintenant à étudier la pertinence en tant que marqueurs de la latéralisation cérébrale et leurs corrélats fonctionnels. / Studying the complexity of the human brain anatomy requires the characterization of multimodal and multiscale features obtained by recent in vivo neuroimaging techniques. In the present thesis, we benefited from up to date automated surface-based brain image analysis software to extract structural phenotypes of the human cerebral cortex, namely the cortical thickness, the surface area, the sulcal depth, the curvature and the intracortical myelin content. The principal aim of this work was to characterize multimodal structural variables on a large database of 450 healthy adults aged from 18 to 57 years (the BIL&GIN database) in order to describe the inter-individual variability of brain structural organization and notably the research of candidate markers for brain maturation and lateralization. We first took the example of the Heschl’s gyrus hosting the primary auditory cortex and having high variability due to the presence of different pattern of gyrus duplication coupled with strong interhemispheric differences. We showed that the partial or complete duplication of the Heschl’s gyrus was associated to loco-regional modifications in terms of cortical thickness, surface area and myelin located posteriorly to this gyrus and in the planum temporale, this two regions being implied in language processing. In a second study, we investigated the cortical structural modifications associated to late maturation (between 18 and 30 years) and cortical atrophy linked to aging. We revealed that the computation of a maturation index based on an integration of cortical thickness and intracortical myelin improved the discrimination of two different patterns of grey matter changes during these different stages of life. Finally, we characterized cortical asymmetries using a specific hemisphere surface matching which removed differences in sulcal morphology and position between both hemispheres. We highlighted regions where thickness and surface area asymmetries were concordant (leftward or rightward asymmetry for both anatomical variables) and regions of opposite asymmetries (leftward for one and rightward for the other). About 20% of regions that showed cortical thickness and surface area asymmetries presented negative correlation between these variables. It is striking that the two regions with the strongest anatomical asymmetries; the planum temporale and the superior temporal sulcus had rather positive asymmetry correlations. The planum temporale presented a leftward asymmetry of both cortical thickness and area while the superior temporal sulcus showed a right asymmetry of the two variables. This study demonstrated that there were correlations between thickness and surface area asymmetries, characteristics of the cortex organization. These areas are key sites for which it now remains to study the anatomical relevance as markers of brain lateralization and its functional correlates.

Depuis de nombreuses années, les scientifiques ont étudié les bases neurales de la mémoire. Cependant, une question clé demeure: comment le cerveau distingue t'il les informations suffisamment importantes pour être consolidées en mémoire à long terme des informations stockées de manière temporaire en mémoire à court-terme/mémoire de travail, et qui doivent être effacées afin de ne pas saturer nos ressources cognitives. Contrairement à l'opinion populaire qui considère l'oubli comme nuisible à notre mémoire, de nombreux travaux suggèrent que l'oubli est un processus adaptatif essentiel permettant le filtrage des informations non-essentielles qu'on peut stocker de manière temporaire. Étonnamment, on connaît peu de choses des bases cellulaires et moléculaires de cet oubli adaptatif. Le travail présenté dans cette thèse vise à déterminer les bases de cette forme d'oubli adaptatif, en particulier de celui nécessaire au traitement des informations en mémoire de travail. Avec cette thèse, nous avons ainsi montré que le gyrus denté est une structure clé responsable du traitement des informations non pertinentes en mémoire, un processus essentiel qui permet une utilisation optimale de nos ressources cognitives. Nous pensons que ces travaux nous aident à mieux comprendre comment le cerveau gère les interférences, mais également à identifier les mécanismes responsables de l'oubli « utile » d'informations / For many years, scientists have been investigating the neural bases of memory. However, a key question remains unanswered: how does the brain distinguish information important enough to be consolidated into long-term memory from information required only temporarily, and that needs to be cleared away for not saturating our cognitive resources. In contrast to the popular view considering forgetting as deleterious to our ability to remember, forgetting might be an essential adaptive process allowing the filtering of non-essential information. Surprisingly, very little is known on the cellular and molecular bases of adaptive forgetting. The work presented in this thesis aims to find a way to determine such bases of adaptive forgetting, in particular in the context of Working Memory processing. With this thesis, we thus showed that the dentate gyrus is a critical node in processing the forgetting of irrelevant information, an essential process allowing optimal use of cognitive resources. Our work sheds light not only on the question of how the brain responds to interferences, but also on the mechanisms of "forgetting" what should be forgotten

L'oubli est une perte temporaire ou permanente de mémoire, que l'on perçoit souvent de manière déplaisante lorsqu'elle nous empêche d'accéder à un savoir que l'on a acquis. Cependant, des découvertes récentes suggèrent que l'oubli peut aussi être un processus adaptatif permettant d'optimiser notre mémoire, en effaçant des informations non pertinentes susceptibles d'interférer avec le stockage ou le rappel de nouvelles informations. Ainsi, l'oubli adaptatif est particulièrement essentiel au fonctionnement de notre mémoire à court terme ou mémoire de travail (MT), car les informations qui y sont stockées doivent être oubliées une fois utilisées. A l'inverse, des informations peuvent être stockées pendant toute une vie dans la mémoire à long terme ou mémoire de référence (MR) chez l'animal. Les mécanismes cellulaires et moléculaires sous-tendant le stockage des informations en mémoire mais également leur oubli adaptatif restent mal connus. Au cours de cette thèse, nous avons adopté une approche comparative et utilisé trois tâches comportementales chez le rat au sein d’un même labyrinthe radial : une tâche de MR et deux tâches de MT impliquant un oubli adaptatif plus ou moins efficace. Nous avons étudié la transmission synaptique à la synapse entre le cortex entorhinal et le gyrus denté (voie d’entrée de l’hippocampe, structure clé de la mémoire) entre les deux jours d’apprentissage de ces trois tâches. Nous avons montré que la consolidation mnésique (en MR) induit un phénomène de potentialisation synaptique à long terme (proche d'une LTP), comme attendu d’après la littérature. A l'inverse, nous avons montré pour la première fois que l’oubli adaptatif en MT induirait une dépression synaptique à long terme. De plus, de nombreuses études suggèrent l’implication du sommeil dans la mémoire, mais le rôle des différentes phases de sommeil dans la consolidation mnésique ainsi que leur rôle dans l’oubli adaptatif reste ambigu. Nous avons donc également réalisé des enregistrements polysomnographiques (entre les deux jours des tâches), afin de quantifier la durée des états sommeil et la puissance des oscillations cérébrales. Nous avons ainsi confirmé le rôle du sommeil paradoxal, et plus particulièrement de ses oscillations gamma, pour la consolidation mnésique en MR. A l’inverse, l’oubli adaptatif en MT serait favorisé par les oscillations lentes du sommeil lent. Ces résultats représentent une contribution significative non seulement aux mécanismes neuronaux sous-tendant la mémoire et l’oubli adaptatif, mais également aux modulations de ces mécanismes par le sommeil. Nous avons donc montré que la consolidation mnésique induit un phénomène physiologique de potentialisation synaptique proche d'une LTP. Or l’induction artificielle de LTP par stimulation tétanique est considérée comme un modèle cellulaire de la mémoire. Notre second objectif a été d'évaluer l'impact de la modulation des états de sommeil sur une LTP, cette-fois-ci induite artificiellement (dans les mêmes conditions à la même synapse chez le rat vigile). Nous voulions ainsi comparer l'effet de la modulation du sommeil sur une potentialisation physiologique (après apprentissage) ou sur une LTP artificielle. Nous avons montré de nombreuses similitudes entre ces deux situations de potentialisation synaptique, notamment en ce qui concerne le rôle favorable du sommeil paradoxal, ce qui confirme l’intérêt de la LTP artificielle pour l’étude de la mémoire. Enfin, notre étude montre que non seulement le sommeil, mais également les oscillations de l'éveil contribuent à la mémoire et l’oubli. Nous avons analysé les oscillations locales dans le gyrus denté au cours des trois tâches comportementales déjà décrites. L'importante résolution spatiale et temporelle de cette analyse nous a permis d'identifier l'implication de certaines oscillations locales à des moments cruciaux de prise de décision dans le labyrinthe, au cours de l'encodage et du rappel d'informations stockées en MR ou en MT / Forgetting is a temporary or permanent loss of memory, often perceived as deleterious to our cognitive abilities, especially when it prevents us from accessing information we previously acquired. However, recent studies in Neurosciences suggest that forgetting could also be an adaptive phenomenon that would optimize memory function by erasing non relevant information, that could otherwise interfere with the storage or recall of new information. Therefore, adaptive forgetting would particularly be necessary for daily activities relying on short-term or working memory (WM), as information temporarily stored in WM need to be forgotten once used, so that this temporary information does not interfere in the future with the storage and recall of newer information. On the contrary, information can be stored for a lifetime in long-term or reference memory (RM) in animals. The molecular and cellular mechanisms underlying memory storage of information, but also adaptive forgetting, are still unclear. During this thesis, we used a comparative approach by training rats in three different behavioral tasks in the same radial maze: one RM task and two WM tasks involving a more or less effective adaptive forgetting process of previously stored information. We studied synaptic transmission at the synapse between the entorhinal cortex and the dentate gyrus (gating hippocampus, a key structure for memory) between two days of training in these three tasks. Our results show that memory consolidation (in RM) induces a form of long-term potentiation (LTP-like), confirming previous published work from the literature. However, we showed for the first time that adaptive forgetting in WM could trigger long-term synaptic depression. Moreover, numerous studies suggest that sleep is important for optimal memory processing, but the role of the different sleep phases in memory consolidation and in adaptive forgetting remains to be elucidated. We thus also performed polysomnographic recordings (between the two trainings days in the three behavioral tasks), in order to measure sleep state durations and sleep oscillations associated with these processes. Our results confirm the essential role of paradoxical sleep, and more specifically gamma oscillations during this state, for memory consolidation in RM. On the contrary, we also found that adaptive forgetting in WM would benefit from slow oscillations during slow wave sleep. We believe that these results contribute significantly to our understanding of neuronal mechanisms underlying memory and forgetting, especially concerning the modulation of these mechanisms by the different sleep states following training. On the one hand, we thus here showed that memory consolidation induces an LTP-like physiological phenomenon. On the other hand, the induction of an artificial form of LTP by tetanic stimulation is considered a cellular model of memory. Our second goal was to assess the modulation of an artificial LTP (at the same synapse, in the same conditions, on freely-moving rats) by sleep states. We also wanted to compare the impact of sleep states on a physiological LTP-like process (after learning) or on an artificial LTP. Our results showed many similarities between these two situations of synaptic potentiation, in particular concerning the positive role of paradoxical sleep, confirming the relevance of artificial LTP as a model to study memory processes. Finally, our study shows that not only sleep, but also oscillations during waking, could contribute to memory and forgetting. We therefore analyzed local spontaneous oscillations in the dentate gyrus while rats were performing the three behavioral tasks previously described. The high spatial and temporal resolution of this analysis allowed us to show the role of different local spontaneous oscillations at critical moments of training in the maze, in particular during decision making, and during encoding or retrieval of information stored in RM or WM

Die Erforschung der Zusammenhänge zwischen Gehirnplastizität und individuellem Verhalten gestaltet sich aufgrund ihrer Komplexität im Tiermodell schwierig. Die vorliegende Studie wurde im mit dem Ziel konzipiert, die Individualitätsentwicklung bei Mäusen mit den gleichen physiologischen und genetischen Voraussetzungen in einer komplexen räumlichen und sozialen Umgebung zu beschreiben. Ich untersuchte die Korrelation dieser Entwicklung mit der Neurogenese im adulten Hippokampus als Maß für Gehirnplastizität. Zu diesem Zweck wurden zwei je mit einem automatisierten RFID-Tracking-System ausgestattete Großgehege mit jeweils 40 Tieren besiedelt. Die Bewegungen der Tiere wurden kontinuierlich aufgezeichnet und es wurden zudem direkte Verhaltensbeobachtungen durchgeführt. Die Tiere zeigten eine normale physiologische Entwicklung. Die Roaming Entropy (RE), ein Maß für die Gleichmäßigkeit, mit der die Tiere ihr Gehege nutzten, beschreibt das Erkundungsverhalten der einzelnen Mäuse. Die kumulativ erworbenen RE-Werte (cRE) in jedem der beiden Gehege wurden mit der Zeit zunehmend verschieden. Es war nicht möglich, aufgrund kleiner anfänglicher Unterschiede die Endwerte zu berechnen. Das bedeutet, dass die Tiere erst durch die andauernde Interaktion mit ihrer Umwelt und den Artgenossen unterschiedlicher wurden. Darüber hinaus sind die cRE-Werte am Endpunkt positiv mit den Neurogenesewerten korreliert. Dies beweist, dass während der Entwicklung auftretende Faktoren die Individualitätsentwicklung beeinflussen. Dieser Prozess benötigt plastische Hirnstrukturen und formt diese wiederum. Die Verhaltensanalysen zeigten, dass Tiere, die viele Antennenkontakte sammelten („most active“, MA) nicht zwangsläufig auch hohe cRE-Werte hatten. MA-Mäuse waren häufiger an sozialen Interaktionen beteiligt als Tiere mit wenigen Antennenkontakten („least active“, LA), akkumulierten über die Zeit niedrigere cRE-Werte und standen vermutlich weiter unten in der sozialen Hierarchie. Zusammenfassend kann man sagen, dass das Ausmaß der räumlichen Exploration und die allmähliche Erweiterung der Erfahrung mit einer gesteigerten Plastizität des Gehirns in Form von adulter Neurogenese verbunden war. Die Daten zeigen, dass Tiere mit den gleichen Voraussetzungen sich dennoch auf zunehmend divergierende, individuelle Art entwickeln. Dies ist zumindest teilweise durch leicht unterschiedliche epigenetische Voraussetzungen zu erklären, die durch das Wechselspiel mit dem komplexen Umfeld weiter auseinanderdriften. Auch scheint es, dass Individuation lebenden Organismen inhärent und Voraussetzung für evolutionäre Prozesse ist. Die Studie zeigt, dass die Unterschiede in individuellem Verhalten und Gehirnstruktur nicht allein durch Genen und Umweltbedingungen festgelegt sind, sondern auch durch Faktoren, die sich während der ontogenetischen Entwicklung entfalten, beeinflusst werden. Der beschriebene Versuchsaufbau stellt darüber hinaus ein Tiermodell für die Untersuchung von Mechanismen und modulierenden Faktoren auf die strukturellen Grundlagen der Plastizität als individuelle Reaktion auf die gemeinsam genutzte Umgebung dar. / The complex nature of the relationship between brain plasticity and individual behaviour renders its investigation using animal models difficult. The present study was designed to describe the emergence of individuality in mice with the same physiological, environmental and genetic preconditions in response to complex environmental and social cues. I investigated the correlation of this development to brain plasticity, namely neurogenesis in the adult hippocampus. To this end, two large, multi-level enclosures fitted with and automated RFID tracking system were populated with 40 animals to each. The mice were continuously tracked and live behaviour observations were done. The animals showed normal physiological development. The Roaming Entropy (RE), a measure for the evenness of their usage of the enclosure, describes the exploration behaviour of each animal. Cumulatively acquired RE scores (cRE) within an enclosure increasingly diverged with time. Small differences at the beginning were not predictive of the end values. Thus, the animals became different through the continued interaction with environment and conspecifics. Moreover, the cRE values at the end point positively correlated with the amount of hippocampal neurogenesis. This proves that factors emerging during development contribute to individuality development. These factors at the same time shape and rely on plastic brain structures. Behavioural analyses showed that animals with a high amount of antenna contacts (most active, MA mice) were not necessarily those with high cRE values. MA mice were more often involved in social interactions than the least active mice (least active, LA), accumulated lower cRE scores over time and seemed to be lower in the social hierarchy. In conclusion, the amount of spatial exploration and gradual broadening of experience was linked to brain plasticity in the form of elevated levels of hippocampal neurogenesis. The data shows that animals with same preconditions still develop along increasingly divergent, individual paths. This is probably partly given through slightly different epigenetic preconditions, drifting further apart by interaction with the complex environment. Also, individuation seems to be inherent in living organisms and necessary for evolutionary processes. The study shows firstly that differences in individual behaviour and brain structure are defined not only by genes and the environment but also modulated by factors unfolding or emerging during ontogenetic development. The present paradigm moreover introduces an animal model for studying mechanisms and influences on the structural basis of plasticity as an individual response to the nonshared environment.