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La détection de molécules chimiques par l'odorat est importante pour guider le comportement des animaux. Chez la lamproie marine, Petromyzon marinus, l'olfaction est vitale pour plusieurs fonctions telles que l’alimentation, l’évitement des prédateurs et la reproduction. Les différents comportements olfactifs de la lamproie sont les mieux caractérisés parmi tous les vertébrés aquatiques et ils font l’objet du premier chapitre de l’introduction. Les circuits du cerveau responsables des mouvements produits lors de la détection de stimuli olfactifs ont été examinés chez la lamproie. Des études récentes révèlent qu’il existe deux organes olfactifs périphériques ayant des projections parallèles qui innervent des parties distinctes du bulbe olfactif (BO). Dans les deux cas, le signal olfactif atteint éventuellement les cellules réticulospinales (RS), qui activent les réseaux locomoteurs spinaux. La littérature portant sur ces circuits neuronaux est décrite dans le deuxième chapitre introductif. Le substrat neuronal par lequel le signal olfactif est transmis aux cellules RS n'est pas complètement caractérisé mais des données du laboratoire Dubuc suggèrent que le tubercule postérieur (TP) serait une cible importante des projections du BO. Puisque cette région contient des neurones dopaminergiques (DA) impliqués dans le contrôle moteur, l’objectif principal de cette thèse était de déterminer leur rôle dans le traitement du signal olfactif et la production de locomotion. Nos résultats ont permis de caractériser l'innervation DA du BO de la lamproie et d’observer que les neurones DA du TP projettent à la partie médiane du BO chez les animaux de stade larvaire et adulte. De plus, l’activation de récepteurs D2 dans cette région diminue la transmission du signal olfactif aux cellules RS. Dans le reste du BO, des neurones DA apparaissent au stade adulte. Ces observations sont rapportées dans le premier chapitre des résultats. Puisque les neurones DA du TP peuvent moduler la transmission olfactomotrice au niveau du BO, ils pourraient aussi jouer un rôle via leurs projections connues vers le tronc cérébral. Le deuxième chapitre des résultats se penche donc sur l’implication du TP dans le relai de l’information olfactive au système moteur. L’étude des projections du BO montre que les neurones DA sont ciblés, incluant ceux qui projettent à la région locomotrice mésencéphalique (RLM), responsable de l’initiation et du contrôle de la locomotion. Aussi, la stimulation olfactive active des neurones du TP qui projettent à la RLM. Dans une préparation dont la tête est fixée mais le corps peut se déplacer, la stimulation olfactive induit de la nage en recrutant simultanément le TP et les cellules RS. Nous montrons aussi que le TP est recruté durant la nage survenant spontanément, ce qui indique que cette région joue un rôle important dans le contrôle locomoteur. Cette thèse révèle que les neurones DA du TP peuvent 1) être activés par la détection d’odeurs et ensuite 2) moduler la transmission au niveau du BO ainsi que 3) recruter la RLM pour produire un épisode de nage. Ces données suggèrent qu’ils occupent une position-clé dans l’intégration sensorimotrice des stimuli olfactifs puisqu’ils encodent à la fois de l’information sensorielle et motrice. / The detection of chemical molecules by smell is important in guiding the behavior of animals. In the sea lamprey, Petromyzon marinus, olfaction is vital for several functions such as feeding, predator avoidance and reproduction. The various olfactory behaviors of the lamprey are the best characterized among all aquatic vertebrates and they were reviewed in the first chapter of the introduction. The brain circuitry responsible for producing movement upon sensing olfactory stimuli has been examined in lamprey. Recent studies revealed that there are two peripheral olfactory epithelia with parallel projections that reach distinct parts of the olfactory bulb (OB). In both cases, the olfactory signal eventually reaches reticulospinal (RS) cells, which activate the locomotor networks of the spinal cord. The literature describing these neural circuits is thoroughly reviewed in the second chapter of the introduction. The neuronal substrate by which the olfactory signal is transmitted to RS cells is not fully characterized, but data from the Dubuc laboratory suggest that the posterior tubercle (PT) may be an important target for OB projections. Since this region contains dopaminergic (DA) neurons involved in motor control, the main objective of this thesis was to determine their role in olfactory signal processing and the production of locomotion. Our results have allowed to characterize the DA innervation of the lamprey OB and show that DA neurons of the PT send projections to the medial part of the OB in larval and adult animals. In addition, the activation of D2 receptors in this region decreases the transmission of the olfactory signal to RS cells. In the rest of the OB, DA neurons appear in adult animals. These observations are reported in the first chapter of the Results. Since DA neurons of the PT can modulate olfactory-motor transmission at the level of the OB, they could also play a role through existing descending projections to the brainstem. Thus, in the second chapter of the Results, we studied the involvement of the PT in the relay of olfactory information to the motor system. The analysis of OB projections shows that DA neurons are targeted, including those that project to the mesencephalic locomotor region (MLR), which is responsible for initiating and controlling locomotion. Moreover, olfactory stimulation activates PT neurons that project to the MLR. In a head-fixed preparation in which the body moves, olfactory stimulation induces swimming simultaneously with PT and RS cell activity. We also show that the PT is recruited during spontaneously occurring swimming, which indicates that this region plays an important role in locomotor control. This thesis reveals that DA neurons in the PT can 1) be activated following odorant detection and then 2) modulate the transmission at the level of the OB as well as 3) recruit the MLR to produce a swimming episode. These data suggest that they occupy a key position in the sensorimotor integration of olfactory stimuli since they encode both sensory and motor information.

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Die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) erwies sich in der bisherigen Grundlagenforschung als bewährte Methode zur Aufschlüsselung von komplexen kognitiven Funktionen. Bisher deuten bildgebende Verfahren auf ein Zusammenwirken parietaler und temporaler Kortizes beim Rekognitionsprozess deklarativer Gedächtnisinhalte hin. In der vorliegenden Arbeit sollten nun die Auswirkungen einer bilateral temporal und parietal applizierten tDCS auf die deklarative Gedächtnisleistung während der Rekognition untersucht werden. Unter Verwendung eines einfach-blinden, kontrollierten und randomisierten Studiendesigns wurden junge, gesunde Probanden drei voneinander unabhängigen, hinsichtlich der individuellen Gedächtniskapazität ausgeglichenen Studiengruppen für Placebo-, parietale und temporale Stimulation zugeordnet. Während der Bearbeitung eines computergestützten Alt-Neu-Rekognitions-Paradigmas erhielten zwei Gruppen bilaterale tDCS mit linkshemisphärischer a-tDCS über dem parietalen bzw. temporalen Kortex und eine Gruppe Placebo-Stimulation. Zielsetzend wurde die Einflussnahme der tDCS auf die deklarative Rekognitionsleistung bezüglich verbaler Gedächtnisinformationen gemessen. Eine Verbesserung der deklarativen Rekognitionsleistung äußerte sich in höheren Trennschärfeindex- und Treffgenauigkeitswerten der beiden verumstimulierten Gruppen im Vergleich zur Placebo-stimulierten Gruppe. Ein konträres Dissoziationsmuster zeigte sich insofern, als die temporale Stimulationsgruppe eine signifikant höhere Treffgenauigkeit bei der Rekognition alter Items im Vergleich zu neuen aufwies und die parietale Stimulationsgruppe mit einer signifikant höheren Treffgenauigkeit neue Items im Vergleich zu alten wiedererkannte. Diese Ergebnisse unterstreichen die Involvierung der temporalen und parietalen Hirnareale in möglicherweise unterschiedliche Stadien des Rekognitionsprozesses deklarativer Gedächtnisinhalte.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

L’efficacité de la stimulation cérébrale profonde subthalamique dans certains cas de maladie de Parkinson est maintenant bien établie. Toutefois, des progrès restent possibles, à la fois en terme de contrôle du geste chirurgical et en terme de définition de la cible chirurgicale. Dans la première partie de ce travail, nous nous sommes intéressés à l’optimisation du contrôle de l’implantation des électrodes de stimulation cérébrale profonde. Nous avons tout d’abord analysé rétrospectivement les résultats obtenus en réalisant une imagerie tridimensionnelle per-opératoire pour le contrôle de positionnement des électrodes. Nous nous sommes ensuite intéressés à la possibilité d’utiliser un repère de visée radiologique per-opératoire. Nous avons revu pour cela une série de patients ayant subi une réimplantation d’électrodes, pour lesquels l’électrode déjà en place était utilisée comme point de repère à la fois pour définir la cible de la réimplantation et pour contrôler radiologiquement l’implantation de la nouvelle électrode. Dans la seconde partie, nous avons travaillé à l’optimisation de la cible subthalamique. Nous avons tout d’abord évalué la pertinence du repérage du faisceau mamillo-thalamique sur des coupes IRM axiales comme marqueur de la coordonnée y du bord antérieur du noyau subthalamique. Ensuite, nous avons tâché de proposer une normalisation tridimensionnelle de l’espace stéréotaxique à partir de données recueillies dans une série de volontaires sains. Enfin, pour une série de patients opérés avec un bon résultat, nous avons cherché à corréler la position des contacts actifs en stimulation chronique avec des points de repères profonds visibles en IRM. Nous avons pu proposer ainsi une cible normalisée dont les coordonnées sont : x = 0,44xbord latéral du V3 + 10,71mm; y = 0,69xfaisceau mamillothalamique + 1,62 mm ou 0,34 distance CACP + 2,52 mm; z = 0,72 hauteur du thalamus – 16 mm. Cette cible sera évaluée dans une future étude prospective. / The clinical efficacy of subthalamic deep brain stimulation is now well established. Nevertheless, progress is possible, regarding especially (1) the accuracy of electrodes implantation and (2) the definition of the surgical target. In the first part of this work, we worked on the optimization of DBS electrodes implantation. First, we analyzed retrospectively the results obtained by using intra-operative 3D imaging for the control of microelectrodes and definite leads placement. Thereafter, we considered the possibility to use a radiological landmark for intraoperative controls. To this end, we studied the cases of patients who underwent reimplantation of DBS electrodes. The initial electrode (still implanted) was used as a landmark: (1) for the deifntion of the reimplantation target and (2) for the radiological control of the new lead positioning. In the second part, we worked on the optimization of the surgical target. First, we assessed the interest of the mamillothalamic tract as a landmark of the anteroposterior coordinate of the anterior border of the STN in MR axial images. Thereafter, we tried to identify MR landmarks for tridimensionnal normalization of the stereotactic space. Finally, we tried to correlate the coordinates of active contacts with MR-defined landmarks in a series of patients that had been operated with good clinical results. Based on our results, we can propose the following coordinates for a new normalized subthalamic target : x = 0.44xlat edge 3rd ventricle + 10.71mm; y = 0.69xmamillo-thalamic tract + 1.62 mm or 0.34 ACPC length + 2.52 mm; z = 0.72xthalamus height – 16 mm. We will assess this target in a future prospective study.

Many passerine birds, particularly corvids, are known to express complex cognitive skills comparable to those observed in primates. In order to examine how these similarities are reflected at the cellular level, I counted neurons and nonneuronal cells in passerine brains using the isotropic fractionator method. I show that, in these birds, neuronal numbers scale almost isometrically with telencephalic size, i.e., the average neuron size shows little increase and neuronal density decreases minimally as brains get larger. Neuronal densities in the passerine telencephalon exceed those observed in the primate cerebral cortex by a factor of 3-6. As a result, the number of telencephalic neurons in the Common Raven (Corvus corax) equals those observed in the cerebral cortex of small monkeys. The cerebellum features similar scaling rules. However, because the relative size of the cerebellum is smaller than in mammalian brains, cerebellar neurons make a much smaller proportion of total brain neurons than in mammals. In contrast to the little variation in neuronal densities in telencephalon and cerebellum, the density of neurons rapidly decreases with increasing structure size in the diencephalon, optic tectum and brain stem. For all examined brain structures, the densities of nonneuronal cells remain constant...

Die Neurone der Hirnrinde sind in Mikroschaltkreisen, Modulen und Arealen organisiert. In dieser Doktorarbeit habe ich die Neurobiologie und Hirnrindenstruktur der Etruskerspitzmaus - ein neues Modelltier für neurobiologische Forschung - und die modulare Struktur des entorhinalen Kortex der Ratte untersucht. Die geringe Größe des Gehirns der Etruskerspitzmaus bietet besondere Vorteile für das Verständnis kortikaler Aktivität von Zellgruppen. Die entorhinale Kortex enthält sowohl gut definierte funktionelle als auch anatomische Module und bietet daher eine einzigartige Gelegenheit für das Studium ihrer Wechselbeziehungen. Die Organisation der Hirnrinde der Etruskerspitzmaus reflektiert die Spezialisierung als schnelle, auf taktile Reize spezialisierte Jäger. Mehrere kortikale Regionen, die ein Drittel des kortikalen Volumens ausmachen, reagieren auf taktile Reize. Eine kortikale Hemisphäre enthält nur etwa eine Million Neuronen. Basierend auf der Zellarchitektur und histochemischen Färbungen haben wir 13 kortikale Regionen definiert - eine große Zahl angesichts der geringen Größe des Spitzmausgehirns. Pyramidenzellnester in Schicht 2 des medialen entorhinalen Kortex sind einfach zu identifizieren und eignen sich als Bezugssystem für die verschiedenen modulären Strukturen dieser Hirnregion. Diese Pyramidenzellen bündeln ihre Dendriten hin zu einem Punkt, der sich mit erhöhten Konzentrationen von präsynaptischen cholinergen Markern überschneidet. Cholinerge Transmission ist ein wichtiger Bestandteil des Theta-Rhythmus und unsere Ergebnisse zeigen, daß Pyramidenzellen im Vergleich zu Sternzellen doppelt so stark Theta-moduliert sind. Da fast alle Gitterzellen stark Theta-moduliert sind, ist anzunehmen dass Pyramidenzellen eine wichtige Rolle für die räumliche Navigation spielen. In dieser Arbeit wurden an der Hirnrinde der Etruskerspitzmaus sowie der entorhinalen Hirnrinde der Ratte modellhaft Struktur-Funktions-Beziehungen in der Großhirnrinde aufgeklärt. / Neurons of the cerebral cortex are collectively organized into microcircuits, modules and cortical areas. Here, I study the neurobiology and cortical structure of the Etruscan shrew - a new model animal for neurobiological research - and the modular structure of the entorhinal cortex of the rat. The small size of the Etruscan shrew''s brain offers particular advantages for understanding cortical activity at the multi-cell level, due to its small number of cortical neurons and its intrinsic advantages for optical imaging approaches. The entorhinal cortex contains well-defined functional and anatomical modules and provides a unique opportunity for studying their interrelation. The organization of the cerebral cortex of the Etruscan shrew reflects their behavioral specialization as fast touch-and-kill hunters. Several cortical areas comprising a third of the cortical volume respond to vibrissal touch. One cortical hemisphere contains only about 1 million neurons. Cytoarchitecture and histochemical staining revealed 13 cortical regions - a large number considering the small size of the shrew''s brain. Pyramidal cell clusters in layer 2 of medial entorhinal are reliably identifiable and thus provide common anatomical framework for entorhinal cortex modularity. These cells form geometrically arranged clusters and bundle their dendrites towards a common point overlapping with presynaptic markers of cholinergic inputs. Cholinergic drive is an important component of theta-rhythmicity which we found to be two-fold stronger in pyramidal than in stellate neurons. Since nearly all grid cells are strongly theta modulated, we suggest that pyramidal cells may play an important role in microcircuits for spatial navigation. In this work, we studied the areal architecture of the Etruscan shrew cortex and the modular architecture of the rat medial entorhinal cortex as contributions towards understanding structure-function relations in the cerebral cortex.

La queue de l’aire tegmentale ventrale (tVTA) est le principal contrôle inhibiteur des neurones dopaminergiques du mésencéphale. Cette structure, bien qu’aujourd’hui très étudiée, n’est cependant pas encore référencée dans les atlas stéréotaxiques. Anatomiquement, nous avons pu apporter une définition de référence de la tVTA, à travers son analyse neurochimique, stéréologique, hodologique et génomique. Fonctionnellement, nous avons montré son rôle dans la réponse à des expériences émotionnelles aversives et nous avons testé son influence sur les symptômes moteurs et non-moteurs de la maladie de Parkinson. Nous avons ainsi montré qu’une co-lésion de la tVTA dans un modèle murin de la maladie permet une amélioration des performances motrices, des seuils nociceptifs et des symptômes de type dépressifs. Ce travail a ainsi participé au progrès de nos connaissances sur la tVTA et ouvre de nouvelles pistes d’exploration quant à son implication fonctionnelle. / The tail of the ventral tegmental area (tVTA) is the major brake of the midbrain dopamine neurons. This structure although studied, is not yet referenced in stereotaxic atlases. Anatomically, this work allowed to obtain a reference definition of the tVTA through its neurochemical, stereological, connectivity-based and genomic analyses. Functionally, we studied its role for the response of aversive stimuli and we tested its influence on motor and non-motor symptoms of Parkinson’s disease. We observed that a co-lesion of the tVTA in a rodent model of the disease induce motor, nociceptive and depressive-like symptoms improvements. This work has thus contributed to the progress of our knowledge on the tVTA and opens new explorative track for its functional implication.