Ce travail de thèse avait pour objectif d’étudier le rôle de l’habénula latérale (HbL) dans les processus mnésiques chez le Rat en utilisant une approche par inactivation réversible grâce à l’administration de muscimol ou de CNQX. Nous avons ainsi montré l’implication de l’HbL dans : i) les processus d’encodage et de rappel d’une mémoire spatiale en piscine de Morris ; ii) la mémoire de travail, comme relais potentiel d’informations en provenance du cortex préfrontal médian, dans un paradigme de non-appariement différé à la position en boites de conditionnement opérant; iii) la réponse émotionnelle, aux niveaux comportemental et physiologique, à une situation stressante. L’ensemble de ces résultats suggèrent que l’HbL est impliquée dans les processus « online » de gestion des informations sensorielles, et qu’elle participe à la prise en compte de l’aspect émotionnel d’une situation. Ces particularités en font un lien important potentiel entre gestion des émotions et cognition. / The main objective of this thesis was to investigate the role of the lateral habenula (LHb) in mnemonic processes in rats using reversible inactivations with muscimol or CNQX. We have shown the involvement of the LHb in : i) encoding and retrieval of spatial reference memory in the Morris water maze ; ii) working memory, as a potential relay of top-down information coming from the medial prefrontal cortex, in a delayed non-matching to position paradigm using operant chambers ; iii) the behavioral and physiological responses to stressful situations. Altogether, those results suggest that the LHb is involved in the « online » process of sensory information. They also suggest that it is involved in coping with particularly stressful situations, and further position the LHb as an interface between emotions and cognition.

La schizophrénie est une maladie mentale grave qui se caractérise par un spectre hétérogène de manifestations cliniques. L’utilisation des antipsychotiques depuis la fin des années 1940 pour traiter la maladie ne permet au mieux que d’aider à contrôler certains symptômes et n’arrive pas à enrayer son décours. Ceci est particulièrement vrai pour le traitement des symptômes cognitifs (troubles attentionnels, de mémoire, et surtout troubles de la fonction exécutive) qui sont au cœur de la maladie. L’amélioration des performances cognitives des malades par les différents traitements ne peut être considérée comme un succès et il semble que ce soit un rendez-vous manqué tant les besoins thérapeutiques pour traiter ces symptômes sont essentiels dans la schizophrénie. Dans cette thèse nous avons étudié les déficits de la fonction exécutive dans un modèle hyperdopaminergique, les DAT-KO, qui sont des souris invalidées pour le gène du transporteur de la dopamine (DA). [...]. Nous avons dans un premier temps caractérisé notre modèle animal dans l’Attentional Set-Shifting Test (ASST) qui est un équivalent chez le rongeur du Wisconsin Card Sorting Test (WCST), un test permettant de mesurer chez l’Homme les performances de la fonction exécutive. Nous avons démontré que les DAT-KO présentent des performances déficitaires dans l’ASST, conformément à notre hypothèse. En utilisant des antagonistes spécifiques des récepteurs, D1 (le SCH23390) et D2 (le sulpiride) nous avons démontré que le SCH23390 améliorait les performances des souris DAT-KO dans l’ASST contrairement au sulpiride. Ce résultat nous a permis de suggérer que l’hyperdopaminergie, responsable de l’altération de la fonction exécutive des DAT-KO, aurait pour conséquence la sur-activation des récepteurs D1. Nous avons par la suite cherché à voir si l’on peut établir un lien direct entre hyperdopaminergie dans le mPFC qui est reconnu pour être la région traitant le set-shifting et le déficit comportemental. Nous avons modifié la transmission DAergique de deux façons complémentaires, soit par une induction pharmacologique avec un inhibiteur du DAT, le GBR12935, soir par une induction par optogénétique chez les souris DATcre/ChR2 exprimant la Channel Rhodopsin dans les neurones DAergiques. Avec ces deux modèles, nous avons pu montrer que l’action de la DA sur l’altération de la fonction exécutive passait par une sur-activation de la neurotransmission D1 et non D2. Néanmoins, la modulation de l’activité des neurones du PFC par la DA n’est pas uniforme. Elle module les fonctions du PFC en faisant appel à des neurones ayant un rôle spécialisé. Nous avons donc voulu essayer d’établir les mécanismes pouvant être mis en jeu pendant le set-shifting et ainsi essayer d’identifier le substrat neuronal pouvant être impliqué dans la fonction exécutive. A l’aide de deux marqueurs de l’activité neuronale, c-fos et P-ERK, nous avons pu établir que l’activité des neurones du cortex prélimbique (PrL) augmentait pendant une tâche de set-shifting. Nous avons aussi corrélé la modulation par les antipsychotiques du niveau de performance des DAT-KO dans le set-shifting avec le niveau d’activité du PrL et nous avons pu identifier le profil d’activation des deux principales populations neuronales du PFC, les neurones pyramidaux glutamatergiques et les interneurones GABAergiques. Nous avons pu relier ce profil d’activation avec la modulation comportementale des DAT-KO par les antipsychotiques mais aussi par d’autres ligands pharmacologiques actuellement à l’étude comme complément ou traitement alternatif aux antipsychotiques, le LY3979268, un agoniste mGluR2/3 et le CDPPB, un potentiateur mGluR5. L’ensemble de ces résultats nous a permis de mieux comprendre les effets de l’hyperdopaminergie sur le set-shifting mais aussi de pouvoir commencer à identifier le support neuronal de la modulation dopaminergique de la fonction exécutive. / Schizophrenia is a severe mental illness with a large spectrum of clinical manifestations. Since the introduction of antipsychotic medications in the 40’s, only modest progress has been made in the treatment of the disease. Currently used antipsychotics have only partial efficacy, controlling positive symptoms but usually failing to stop the mental decline of the patient. This lack of full-blown efficacy is particularly evident in the treatment of executive function deficits, which are now considered as core symptoms of schizophrenia. Increased dopamine (DA) neurotransmission is considered as a core neurochemical alteration in schizophrenia and all prescribed antipsychotics are dopamine-D2 receptor antagonists. In addition, major cognitive functions that are disarrayed in schizophrenia depend on proper DA regulation. However, there are no studies investigating the link between increased DA-ergic tone and executive function. The present thesis focuses on executive function deficits in a hyperdopaminergic mouse model, the genetically engineered mouse that lacks the dopamine transporter (DAT; DATKO mouse). First, we characterized our animal model in the Attentional Set-Shifting Test (ASST), which is a rodent adaptation of the Wisconsin Card Sorting Test, a test used to evaluate executive function in humans. DATKO mice had impaired performances in the ASST, confirming our working hypothesis. Systemic administration of the selective D1 antagonist SCH23390 ameliorated the performance of the DATKO in the ASST. In contrast, the D2 antagonist sulpiride had no effect, suggesting that the overactivation of D1 (but not D2) receptors might be involved in hyperdopaminergia-induced ASST deficits. To further investigate a possible causal link between elevated DA and ASST deficits we have induced a hyperdopaminergic state selectively in the prefrontal cortex (PFC), the region involved in executive function. This was done (i) pharmacologically, with local microinfusions of the DAT inhibitor GBR12935; (ii) optogenetically, by generating and utilising a novel transgenic tool the DATcre/ChR2 mice which express Channel-Rhodopsin selectively in DA-ergic neurons. In both constructs, PFC hyperdopaminergia resulted in ASST deficits. These, were reversed with SCH23390 but not with sulpiride, clearly establishing a role for D1 receptors in the deleterious effects of PFC hyperdopaminergia on executive function. It has been postulated that dopamine modulates PFC synaptic plasticity and associated cognitive functions through two distinct but interconnected neuronal populations: glutamatergic (Glu-) pyramidal neurons and GABA- interneurons. Immunocytochemistry experiments combining neuronal activation markers (p-ERK; c-fos) and selective labelling of Glu- versus GABA- neurons allowed to parse the role of these two populations in the ASST. A balaced Glu- versus GABA- activation was necessary for a succesful ASST performance. A dysregulated pattern of Glu- versus GABA- activation correlated with ASST deficits, leading us to speculate a putative link between cortical hyperdopaminergia and cortical Gluhypoactivation. Interestingly, glutamatergic ligands such as the mGluR2/3 agonist LY3979268 and the mGluR5 potentiator CDPPB (which are under current investigation in schizophrenia) corrected both the behavioral deficits and the altered neuronal activation pattern of hyperdopaminergic mice in the ASST. Overall, this work: (i) demonstrates for the first time a causal link between PFC hyperdopaminergia and executive deficits; (ii) proposes and validates a new model to study the cellular, molecular and synaptic mechanisms underlying executive dysfunction; (iii) suggests D1 receptor antagonism, in adjunct with current antipsychotic medications, as a novel therapeutic strategy to treat cognitive dysfunction in schizophrenia.

Nos travaux visaient à réaliser un « modèle rongeur » (souris C57Bl/6) de l’altération de la mémoire de travail (MDT) lors du vieillissement, et comparer le potentiel promnésiant de divers composés pharmacologiques. Nous montrons que des souris âgées (18-19 mois) présentent une sensibilité accrue aux interférences proactives délai-dépendantes dans une épreuve d’alternance spontanée par rapport à des souris jeunes (4-5 mois). Une étude immunohistochimique centrée sur l’activité CREB révèle que les souris âgées présentent une suractivation du cortex préfrontal (CPF) inversement corrélée aux performances. La relation entre le déficit cognitif et la suractivation du CPF est confortée par la restauration des performances suite à l’injection dans le CPF d’un inhibiteur de la kinase activatrice de CREB.L’administration de composés cholinergiques permet de restaurer les capacités mnésiques des souris âgées par des mécanismes bien dissociés. Le donepezil, inhibiteur de l’acétylcholinestérase, augmente l’activation de l’hippocampe, alors que le S 38232, un agoniste des récepteurs nicotiniques α4β2, agit en supprimant la suractivation préfrontale. Finalement, l’utilisation de souris invalidées génétiquement pour la sous-unité β2 révèle des mécanismes de régulation complexes au sein du système cholinergique.Nos travaux démontrent la validité de notre modèle pour l’étude des troubles de la MDT induits par le vieillissement. De plus, ils confortent des études récentes chez l’Homme indiquant un lien important entre la suractivation du CPF et le déclin cognitif lié à l’âge. Au regard de l’effet du S 38232 qui, en diminuant la suractivation préfrontale, permet de restaurer les performances de MDT, le récepteur nicotinique α4β2 apparaît comme une cible potentielle pour le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques. / The aim of this study was to realise a “rodent model” (C57Bl/6 mice) of age-related working memory (WM) impairments, and to evaluate the procognitive impact of several pharmacological compounds. We show that compared to young adult mice (4-5 months), aged mice (18-19 months) exhibit an exaggerated vulnerability to delay-dependant interference in a sequential spontaneous alternation task. CREB activity assessed by immunohistochemistry demonstrates that aged mice show an over-activation of the prefrontal cortex (PFC) negatively correlated with behavioural performance. Infusion of an inhibitor of CREB activation into the PFC restores WM performance in aged mice. Both results highlight the link between the PFC over-activation and the age-related cognitive deficit.Pharmacological study reveals that cholinergic compounds restore cognitive performance of aged mice and act differently on brain structures sustaining WM. On one hand, donepezil – an inhibitor of acetylcholinesterase – increases CREB activation of the hippocampus. On the other hand, S 38232 – an agonist of α4β2 nicotinic receptors – decreases the CREB age-induced over-activation of the PFC. Finally, using β2 knock-out mice, we show that the regulation of the cholinergic system is submitted to complex mechanisms.Overall, our experimental set up demonstrates that spontaneous alternation is a valuable model for studying age-related WM impairments. In accordance with human’s findings, our results highlight the link between prefrontal over-activation and the cognitive decline occurring during ageing. Considering that S 38232, by decreasing the CPF over-activation, alleviates the WM deficit observed in aged mice, the α4β2 nicotinic receptor appears to be an efficient target for new therapeutic strategies.

La prise de décision est une capacité cognitive essentielle à l’adaptation de l’individu aux changements de son environnement, et résulte de l’intégration de processus émotionnels, motivationnels et exécutifs. Le contrôle de l’action nécessite notamment l’intégration de la représentation du but de l’action et les relations causales entre une action et ses conséquences. Ces processus sont dépendants de plusieurs circuits préfronto-striataux et des données récentes indiquent que le système dopaminergique serait un élément central de leur modulation. Par ailleurs, ces circuits pourraient également se développer tardivement au moment de l’adolescence. Mon travail de thèse s’est donc employé à déterminer, d’une part, l’implication de la voie dopaminergique mésocorticale dans le contrôle de l’action, et d’autre part, le développement de ce système et de ces processus cognitifs au moment de l’adolescence.En utilisant des procédures d’apprentissage instrumental permettant de dégrader la contingence instrumentale ou de dévaluer la récompense, nous avons mis en évidence que la perturbation du système dopaminergique au sein du cortex préfrontal médian altère la capacité des animaux à s’adapter à des changements des relations action-récompense, mais non à des changements de la valeur de celle-ci. Par la suite, nous avons montré que les processus de contrôle de l’action lors de changements des relations causales action-conséquence apparaissaient tardivement au cours de l’adolescence, en relation avec le développement de la voie dopaminergique mésocorticale. De plus, l’altération du système dopaminergique lors de l’adolescence modifie également le développement des processus de contrôle des réponses instrumentales. / Decision making is an essential cognitive ability which allows a correct adaptation to an ever changing environment. This function results from the integration of emotional, motivational and executive processes. In particular, action control requires the encoding of both action goal value and action-outcome causal relationships. Previous studies have established that these processes are dependent on activity within segregated prefronto-striatal circuits whom activity might be tightly modulated by dopamine. In addition, the neurobehavioral maturation of these processes is not well understood but may occur during adolescence. Therefore, the aim of this work was to determinate the role of the mesocortical dopamine pathway in action control and the maturation of these neurobiological and cognitive processes during adolescence.Using instrumental conditioning tasks, allowing us to manipulate selectively the action-outcome contingency or the value of the outcome, we have demonstrated that alteration of the mesocortical dopamine pathway disrupts animals’ adaptation to changes in action-outcome relationships but not to changes in the outcome value. Interestingly, we provided evidence for the emergence of these cognitive abilities during adolescence in association with the delayed maturation of the mesocortical dopamine pathway. Finally, the alteration of the dopamine system maturation during adolescence also disrupts the development of action control processes.

Les mécanismes cérébraux engagés dans la prise de décision sont loin d’être compris. Ils peuvent cependant être décomposés en plusieurs étapes : il s’agit premièrement d’assigner une « valeur » aux options considérées, c’est-à-dire une quantification subjective du désir d’obtenir chacune d’entre elles. Ensuite, il faut les comparer afin d’être capable de sélectionner celle qui a la plus grande valeur. L’assignation d’une valeur à un objet semble être effectuée par un réseau cérébral qui recoupe le réseau de la récompense identifié chez l’animal et il a été logiquement nommé le « système cérébral des valeurs ». Le travail réalisé dans cette thèse s’intéresse à la notion de valeur et aux moyens d’y avoir accès, aux propriétés du réseau cérébral d’évaluation et à son implication dans le processus de décision. La première étude a montré que les moyens utilisés pour mesurer les valeurs pouvaient être considérés comme équivalents. La deuxième étude, réalisée sur des données d’intra-électroencéphalographie humaine, a permis d’étudier la dynamique neurale du réseau cérébral d’évaluation, mais aussi d’étudier ses propriétés. La dernière expérience, faite en IRMf propose une solution générale sur l’implémentation neurale du processus de décision et révèle des mécanismes sources de biais dans le comportement jusqu’ici inexplorés. Les résultats de ces études considérés dans leur ensemble mettent en lumière certains mécanismes cognitifs de la prise de décision en explorant les propriétés neurales d’assignation de valeurs mais également en proposant un nouveau cadre d’implémentation de la décision elle-même. / Neural processes engaged in decision-making remain unclear. A decomposition of these processes might help us to understand the involved mechanisms. Indeed, first we need to assign what we will call a ‘subjective value’ to each option – i.e. the quantification of how much we like each of these options. Then, we need to compare those values to finally being able to select one of them. Assigning a value seems to be the function of an interesting brain network which overlaps the reward circuitry identified in animal studies – and which is called the Brain Valuation System (BVS). In the first study of this PhD thesis, we investigated and compared three behavioral ways to have an access to these ‘subjective values’. We found that subjective values were relatively robust to the way they were elicited. In the second study, we investigated the specific properties of the Brain Valuation System established through fMRI in humans in a large dataset of intra-EEG recordings in epileptic patients. Finally, in the last study we investigated how this brain network was involved during a binary choice in fMRI. Altogether, our findings shed light on the distinct cognitive mechanisms underlying value-based decision-making i) by exploring the neural properties of value assignment and ii) by proposing a general solution to the neural implementation of the comparison between option values. We believe this demonstration points to hidden default policies as sources of bias in choices.

Le sommeil a un effet sur la mémoire mais également sur l'oubli. Nous avons soumis des rats à des tâches impliquant différents degrés d'oubli. Ces tâches, impliquant mémoire de référence (MR), ou mémoire de travail (MT) avec différents niveaux d'interférences, ont été réalisées dans un même dispositif comportemental. Alors que nous avons observés une augmentation du sommeil paradoxal (SP) lors de la tâche de MR, les performances en MT nécessitant l'oubli sont dépendantes du sommeil lent (SL). Seuls les rats entrainés en MR montrent une augmentation du thêta phasique durant le SP, ainsi que des fuseaux durant le SL. Ces résultats indiquent donc un rôle du SP dans les apprentissages spatiaux à long terme alors que la flexibilité comportementale requise en MT semble dépendante du SL. Il existe de nombreuses évidences suggérant que l'apprentissage résulte de modifications synaptiques, et différentes théories suggèrent des rôles différents du SL et du SP dans ces changements. Nous avons donc ensuite examiné l'évolution de la transmission synaptique dans l'hippocampe (HPC), mais aussi entre l'HPC et le cortex préfrontal médian (CPFm) ainsi que le noyau accumbens (NAc). Alors que le SL accroit la transmission synaptique dans l'HPC, le SP la diminue. Au niveau des efférences de l'HPC, le SL diminue la transmission vers le CPFm alors que les épisodes de SP favorisent la communication vers le NAc. Plutôt que de favoriser globalement des processus communs à l'ensemble du cerveau, nos résultats suggèrent que le SL et le SP permettent de rediriger les flux d'informations entre différents réseaux, et que cet aiguillage de l'information est modulé par les oscillations du sommeil / Numerous studies have now demonstrated that sleep has a beneficial influence on memory but also impact forgetting. We have submitted rats to behavioral tasks involving different levels of forgetting. These tasks, implying reference memory (RM) or working memory (WM) with different level of interferences, were executed in the same behavioral apparatus. Whereas we observed an increase of paradoxical sleep (PS) during the RM training, the WM tasks requiring forgetting are dependent on slow-wave sleep (SWS). Only the RM trained rats exhibited an increase in theta bursts during PS, as well as spindles during SWS. These results thus indicate the role of PS in long-term spatial learning, whereas behavioral flexibility required by WM tasks is dependent on SWS. Numerous pieces of evidence suggest that learning is caused by modifications of synaptic connections, and different theories suggest different roles of the SWS and PS to optimize these changes. We sought to understand the evolution of synaptic transmission in the hippocampal network but also between the hippocampus (HPC) and the medial prefrontal cortex (mPFC), as well as between the HPC and the nucleus accumbens (NAc). While SWS increases synaptic transmission in the HPC, PS decreases it rapidly. In contrast and regarding hippocampal efferents, SWS reduces transmission to the mPFC while PS enhances transmission to the NAc. In contrast to the hypotheses posing that sleep promotes a global process common to the entire brain; our results suggest that SWS and PS redirect data flows between different networks, and that this switch between different information pathways could be modulated by the various sleep oscillations

La trisomie 21 est la première cause de retard mental, phénotype majeur de la maladie. Elle est due à la présence d’un chromosome 21 supplémentaire. De nombreux gènes sont présents sur ce chromosome mais quelques-uns ont été proposés comme candidats pour les phénotypes neurocognitifs associés à la maladie, notamment le gène Dyrk1a. Il code pour une sérine-thréonine kinase, DYRK1A, à rôle majeur dans le développement cérébral et l’activité synaptique. Le cortex préfrontal sous-tend un ensemble de fonctions cognitives supérieures dont les fonctions exécutives et est impliqué dans la régulation du comportement émotionnel et de l’humeur, composantes largement affectées dans la trisomie 21. Ce travail de thèse a permis de caractériser des défauts majeurs de la transmission et la plasticité synaptique glutamatergique au sein du cortex préfrontal de deux modèles murins différents de trisomie 21: le modèle mBACtgDyrk1a surexprimant le gène murin Dyrk1a et le modèle Ts65Dn surexprimant 130 gènes de l’analogue murin du chromosome 21 dont Dyrk1a. Un autre versant de l’étude a concerné l’utilisation d’un composé inhibiteur de l’activité DYRK1A ou d’autres cibles cellulaires pour corriger les altérations préfrontales observées, constituant ainsi de nouvelles pistes thérapeutiques pour les phénotypes neurocognitifs associés à la trisomie 21. / Down syndrome is the major cause of mental retardation, the main phenotype of the pathology. It is due to an extra chromosome 21. Many genes have been proposed as candidates for the neurocognitive phenotypes of Down syndrome, notably Dyrk1a. It encodes the serine-threonine kinase DYRK1A which is involved in brain development and synaptic functions. The prefrontal cortex mediates higher cognitive functions, such as executive functions and emotional regulation. This study highlighted major deficits in prefrontal cortex glutamatergic transmission and plasticity of two mouse models for Down syndrome: the overexpressing Dyrk1a mBACtgDyrk1a model and the Ts65Dn model, overexpressing around 130 murine orthologous genes of HSAS21 chromosome. Another aspect of this study was the development of new effective therapeutic strategy for Down syndrome neurocognitive phenotypes based on DYRK1A or other cellular targets activity inhibition.

La mémoire épisodique, notre capacité de se rappeler des épisodes particuliers de notre vie, a été initialement définie chez l'homme en termes de l'information qu'elle contient, quel événement a eu lieu, où et dans quel contexte /quand s'est-il produit? La démonstration de l'existence de cette forme de mémoire chez l'animal a été réalisée chez le geais buissonnier. En effet, cet oiseau cacheur est capable de former une représentation mentale complexe du type de nourriture qu'il a caché, où et quand. Cette forme de mémoire qualifiée d' « episodic-like » a depuis une dizaine d'année été établie chez le rongeur. Au cours de ma thèse, j'ai suivi deux objectifs: valider un nouveau paradigme de mémoire épisodique chez le rat et l'utiliser pour étudier les circuits neuronaux qui sous-tendent cette forme particulière de mémoire. La première partie du manuscrit présente le développement et la validation d'un protocole original destiné à l'étude de la mémoire épisodique chez le rat. Lors de la conception de cette tâche, nous avons essayé de réduire au minimum la procédure d'entrainement des animaux afin de préserver l'essence même de la mémoire épisodique qui est la mémoire d'épisodes uniques. Pendant la tâche les rats ont été exposés à deux épisodes différents, au cours desquels des combinaisons uniques odeurs-place (information « quoi et où ») ont été présentées dans des contextes différents enrichis et multi-sensoriels (information « dans quel contexte »). Nous avons démontré que certains rats («ww») étaient capables de former des associations de mémoire (« episodic-like ») qui leur permettent de se souvenir de l'intégralité de l'épisode présenté après des délais courts (24h) et longs (24 jours) et dans différentes situations de rappel, tandis que d'autres («rest») ne se souvenaient que partiellement des informations présentes lors de l'épisode. Une approche pharmacologique réalisée lors de la validation de la tâche nous a permis de confirmer que l'hippocampe dorsal était nécessaire au rappel épisodique complet. Dans une version étendue du protocole dans laquelle des rats ont été exposés à deux épisodes supplémentaires, nous avons trouvé que l'expérience des épisodes préalablement acquis par les rats facilite l'encodage de nouveaux épisodes et que la mémoire de ces épisodes est plus stable. La deuxième partie de la thèse présente une première approche de l'étude des circuits neuronaux sous tendant la formation et la récupération de la mémoire épisodique. L'approche méthodologique utilisée est l'enregistrement multi-site de potentiels de champs locaux chez l'animal vigile. Le réseau de structures enregistrées inclut les aires sensorielles olfactives, des régions du cortex préfrontal médian et latéral ainsi que les régions dorsales et ventrales de l'hippocampe. Après avoir extrait des signaux le contenu fréquentiel dans deux bandes de fréquences (béta et théta), nous avons analysé les variations de puissance de l'activité oscillatoire dans ces bandes en utilisant des analyses en transformées de Hilbert et ondelette de Morlet. La période d'analyse est centrée sur l'échantillonnage de l'odeur, dernière information traitée avant que l'animal produise sa réponse comportementale. Les changements de puissance dans les deux bandes en réponse à l'odeur ont été comparés dans les différentes situations expérimentales pour les rats «ww» et les rats «rest». Les résultats obtenus montrent que le réseau de structures activées dans la bande béta en réponse à l'odeur est différent en fonction du profil de rappel des animaux (les rats du profil «ww» versus les rats «rest») à la fois en encodage et en situation de rappel. L'activité dans le réseau est également différente en fonction du type de réponse (hit versus rejet correct) / Episodic memory, our capacity to recollect particular life episodes, has been initially defined in terms of the information it contains, what kind of event, where and in which context/when did it take place. Pioneering studies on food-caching birds have demonstrated that animals are also able to form such complex memories, referred to as episodic-like memories in animals, however its modelling in rodents has proved challenging. The aim of this thesis was twofold: further development and validation in rats of a new episodic-like memory paradigm and study of neural circuits involved in formation and retrieval of this particular memory. The first part of the thesis presents the original behavioral paradigm developed in our group. In our task we tried to minimize training procedure in order to preserve the nature of episodic memory which is the memory for unique life episodes. Hereby rats were exposed to two different episodes, during which unique odor-place combinations (“what and where” information) were presented in different enriched multisensory contexts (“in which context” information). We found that some rats (“ww” group) were indeed able to form episodic-like memory associations which can be recalled after short (24 h) and long delays (24 days) in different experimental situations, while other animals (“rest” group) remembered only parts of the information contained in the initial episodes. Using pharmacological inactivation of dorsal hippocampus we have demonstrated that hippocampus is required specifically for retrieval of associated episodic-like memory information, but not for retrieval of single elements of the presented episodes in our task. In an extended version of the protocol in which rats were exposed to two additional episodes we found that previously acquired experience of the rats facilitates the encoding of new episodes and that the memory of these new episodes is more stable. The second part of the manuscript presents the first approach to study neural circuits involved in episodic-like memory encoding and retrieval in our task. Electrophysiological methodology was based on local field potential recordings obtained in parallel in several brain regions in behaving animals. The network of structures investigated included olfactory neocortical brain areas, brain regions in lateral and medial prefrontal cortex and the dorsal and ventral part of the hippocampus. The analysis was based on the estimation of magnitude of the oscillatory activity (described as power changes) in theta and beta frequency bands using Hilbert and Morlet wavelet transform for the analyses. The power analysis evolved around odor sampling event which constituted the last piece of information required for recollection of the whole episodic-like memory association. The odor-induced changes in power were compared between “ww” and “rest” animals in different experimental situations. We found that the network of activated brain regions in beta frequency band differed as a function of the memory profile of the rats (complete episodic-like memory recollection versus remembering partial information of the episodes) during both memory encoding as well as retrieval. We have also demonstrated that this active network changes when memory becomes consolidated (recent versus remote memory). Additionally we have shown that the activity in the network depends on the type of the response (hit versus correct rejection) given by the rat during memory encoding and retrieval. The network of brain regions that showed changes in theta power during memory formation and retrieval differed strongly from beta band network. In contrast to beta, the memory profile effect was much less prominent for theta band. However similarly to beta, there were also significant changes in network depending on the encoding session and the age of memory at test

Le but de cette thèse est d’investiguer l’organisation fonctionnelle du contrôle cognitif au sein du cortex préfrontal latéral dans la schizophrénie. Chez le sujet sain, Koechlin et coll. (Science, 2003) ont montré que le cortex préfrontal latéral était structuré en une cascade de processus de contrôle allant des régions antérieures aux régions postérieures, intégrant respectivement les informations épisodiques (événements antérieurs) et contextuelles (le contexte immédiat de l’action) au choix de l’action en réponse à un stimulus externe. En utilisant le paradigme expérimental de Koechlin et coll. en IRM fonctionnelle, nous avons investigué l’architecture fonctionnelle du contrôle cognitif au sein du cortex latéral préfrontal chez 15 patients schizophrènes et 14 sujets contrôles appariés. Dans une première étude, nous avons trouvé que les patients schizophrènes présentaient un déficit sélectif du contrôle contextuel associé à une hypoactivation des régions postérieures préfrontales, expliquant la désorganisation du discours et du comportement observés chez ces patients. Par ailleurs, les patients schizophrènes hyperactivaient leurs régions rostrales du cortex préfrontal latéral pendant le contrôle des informations de nature épisodique, ce que nous avons interprété comme une tentative de compensation infructueuse des dysfonctions du contrôle contextuel. Dans une seconde étude, nous avons montré que les patients schizophrènes présentaient également une perturbation du traitement top-down des informations de nature épisodique, liée à une dysconnectivité des régions rostrales vers les régions caudales du cortex préfrontal latéral. / The goal of this thesis is to investigate the functional organization of cognitive control within the LPFC in schizophrenia. We used a model postulating that cognitive control is functionally organized within the lateral prefrontal cortex (LPFC) as a cascade of representations ranging from premotor to anterior LPFC regions according to stimuli, the present perceptual context, and the temporal episode in which stimuli occur. Using functional magnetic resonance imaging, we investigated the functional architecture of cognitive control within the LPFC in 15 schizophrenic patients and 14 matched healthy controls. In a first study, we found that immediate contextual signals insufficiently bias the caudal LPFC activity required to select the appropriate behavioral representation. This specific deficit could thus alter the internal consistency of schizophrenic patients’ behavior. To compensate for this weakening of contextual influence, schizophrenic patients may inefficiently use temporal episodic information through higher activation in rostral LPFC regions. In a second study, we showed that schizophrenic patients inappropriately process episodic information flow along a rostro-caudal axis within the LPFC. This top-down episodic control dysfunction could lead to a disruption of episodic memory that could account for the patients’ difficulties in organizing their behavior across time. All the results argue in favor of both dysfunctional specialization and integration within the LPFC in schizophrenia.

Résumé : les benzodiazépines (BZD) et les antidépresseurs sont efficaces pour réduire l’anxiété, mais devant les effets indésirables que les BZD induisent et face au délai d’action des antidépresseurs, le développement de nouvelles stratégies constitue un besoin primordial. Récemment, il a été montré que l’activation du récepteur 5-HT4 (5-HT4R) pouvait représenter une cible d’action prometteuse. Bien qu’un certain nombre d’études ait évalué l’activité anxiolytique des agonistes du 5-HT4R, après une administration chronique, aucune étude n’a examiné leurs effets après une administration unique, ni même le circuit cérébral à la base de cette réponse comportementale. Nous avons donc cherché à savoir si l’activation aiguë du 5-HT4R via le recrutement des terminaisons neuronales glutamatergiques du cortex préfrontal médian (CPFm) se projetant sur le noyau du raphé dorsal (NRD), un circuit impliqué dans les processus émotionnels, induisait des effets anxiolytiques rapides, grâce à des outils pharmacologiques, électrophysiologiques et optogénétiques. L’administration unique par voie systémique ou intra-CPFm d’un agoniste du 5-HT4R a produit des effets anxiolytiques rapides chez la souris, associés à une augmentation de l’activité des neurones sérotoninergiques du NRD. L’activation des projections glutamatergiques du CPFm vers le NRD a permis de réduire l’anxiété des souris, alors que l’inhibition de ces projections a bloqué les effets anxiolytiques induits par l’injection unique intra-CPFm d’une BZD (diazépam) ou d’un agoniste du 5-HT4R (RS 67333). Toutefois, ces effets ne sont que partiellement bloqués après l’administration par voie systémique de ces composés, suggérant que le circuit cortex-raphé est un carrefour nécessaire mais non suffisant à l’activité anxiolytique du diazépam et du RS 67333. Enfin, l’administration prophylactique d’un agoniste du 5-HT4R avant l’induction d’un stress a prévenu le développement d’un phénotype anxio-dépressif chez la souris, laissant penser que cette molécule pourrait renforcer la résilience au stress des populations à risque. / Benzodiazepines (BZD) and antidepressants are effective in reducing anxiety, but adverse effects of BZD and the delayed onset of action of antidepressants emphasize the need to develop fast-acting new drugs. Recent studies indicated that activation of 5-HT4 receptor (5-HT4R) could be a promising target. Although a number of studies have assessed 5-HT4R agonist anxiolytic activity after chronic treatment, few of them have neither evaluated their anxiolytic profile acutely, neither the brain circuits involved in this behavioral activity. Here, we evaluated whether acute 5-HT4R activation in glutamatergic axon terminals arising from the medial prefrontal cortex (mPFC) to the dorsal raphe nucleus (DRN), a circuit involved in emotional processes, induced fast anxiolytic effects, using pharmacologic, electrophysiologic and optogenetic tools. Acute systemic administration and intra-mPFC infusion of 5-HT4R produced fast anxiolytic effects in mice and increased DRN serotonin cell firing. Optogenetically activating mPFC terminals targeting the DRN reduced anxiety in mice whereas silencing this circuit blocked BZD (diazepam) and 5-HT4R agonist (RS 67333) mPFC infusion -induced anxiolytic effects. However, anxiolytic effects induced by an acute systemic administration of both molecules were partially blocked after optogenetically inhibiting cortical glutamatergic terminals in the DRN, suggesting that cortex-brainstem neural circuit is necessary but not sufficient for a rapid activity of diazepam and RS 67333. Finally, the prophylactic administration of a 5-HT4R agonist before stress prevented the development of an anxio-depressive phenotype in mice, suggesting that this molecule could reinforce the resilience of population at risk.