Les systèmes cholinergique et dopaminergique jouent un rôle prépondérant dans les fonctions cognitives. Ce rôle est exercé principalement grâce à leur action modulatrice de l’activité des neurones pyramidaux du cortex préfrontal. L’interaction pharmacologique entre ces systèmes est bien documentée mais les études de leurs interactions neuroanatomiques sont rares, étant donné qu’ils sont impliqués dans une transmission diffuse plutôt que synaptique. Ce travail de thèse visait à développer une expertise pour analyser ce type de transmission diffuse en microscopie confocale. Nous avons étudié les relations de microproximité entre ces différents systèmes dans le cortex préfrontal médian (mPFC) de rats et souris. En particulier, la densité des varicosités axonales en passant a été quantifiée dans les segments des fibres cholinergiques et dopaminergiques à une distance mutuelle de moins de 3 µm ou à moins de 3 µm des somas de cellules pyramidales. Cette microproximité était considérée comme une zone d’interaction probable entre les éléments neuronaux. La quantification était effectuée après triple-marquage par immunofluorescence et acquisition des images de 1 µm par microscopie confocale. Afin d’étudier la plasticité de ces relations de microproximité, cette analyse a été effectuée dans des conditions témoins, après une activation du mPFC et dans un modèle de schizophrénie par déplétion des neurones cholinergiques du noyau accumbens. Les résultats démontrent que 1. Les fibres cholinergiques interagissent avec des fibres dopaminergiques et ce sur les mêmes neurones pyramidaux de la couche V du mPFC. Ce résultat suggère différents apports des systèmes cholinergique et dopaminergique dans l’intégration effectuée par une même cellule pyramidale. 2. La densité des varicosités en passant cholinergiques et dopaminergiques sur des segments de fibre en microproximité réciproque est plus élevée comparé aux segments plus distants les uns des autres. Ce résultat suggère un enrichissement du nombre de varicosités axonales dans les zones d’interaction. 3. La densité des varicosités en passant sur des segments de fibre cholinergique en microproximité de cellules pyramidales, immunoúactives pour c-Fos après une stimulation visuelle et une stimulation électrique des noyaux cholinergiques projetant au mPFC est plus élevée que la densité des varicosités de segments en microproximité de cellules pyramidales non-activées. Ce résultat suggère un enrichissement des varicosités axonales dépendant de l’activité neuronale locale au niveau de la zone d'interaction avec d'autres éléments neuronaux. 4. La densité des varicosités en passant des fibres dopaminergiques a été significativement diminuée dans le mPFC de rats ayant subi une déplétion cholinergique dans le noyau accumbens, comparée aux témoins. Ces résultats supportent des interrelations entre la plasticité structurelle des varicosités dopaminergiques et le fonctionnement cortical. L’ensemble des donneès démontre une plasticité de la densité locale des varicosités axonales en fonction de l’activité neuronale locale. Cet enrichissement activité-dépendant contribue vraisemblablement au maintien d’une interaction neurochimique entre deux éléments neuronaux. / The cognitive functions of the rat medial prefrontal cortex (mPFC) are modulated by ascending modulatory systems such as the cholinergic and dopaminergic afferent systems. However, despite the well-documented pharmacological interactions between the cholinergic and dopaminergic afferents and pyramidal cells in the PFC, there is only scarce neuroanatomical data on the reciprocal interrelationships between these neuronal elements in the mPFC. This might be due to the diffuse rather than synaptic transmission mode of intercellular communication of the cholinergic system in the mPFC. For these reasons, the neuroanatomical relationships between the cholinergic and dopaminergic systems and pyramidal cells in the mPFC are examined, with an emphasis on the local density of the cholinergic and dopaminergic axon varicosities. To analyze the plasticity of these interrelationships, the two systems were examined in condition of increased neuronal activity in the mPFC, or of decrease dopaminergic activity in a model of schizophrenia. The microproximity relationships between cholinergic and dopaminergic fibers as well as with pyramidal cells were studied in the mPFC of rats and mice. In particular, the number of axon varicosities in cholinergic and dopaminergic fiber segments within 3 µm from each other or from pyramidal cells were quantified. This microproximity was considered as a possible interaction zone between two neuronal elements. Quantification was performed using triple immunofluorescence labeling and acquisition of 1 µm optic sections using confocal microscopy. To assess the plasticity of these relationships, the analysis has been performed in control condition as well as after a cortical activation or a decreased dopaminergic input in a schizophrenia model. Our results demonstrate a neuroanatomical convergence of cholinergic and dopaminergic fibers on the same pyramidal cell from layer V (output) of mPFC, suggestinggests the integration of different types of inputs by the same pyramidal cell, which may be transmitted to subcortical areas to execute prefrontal cognitive control. Close apposition between cholinergic and dopaminergic fibers could also be seen in the mPFC. There was an increase of the density of cholinergic and dopaminergic en passant varicosities on those fiber segments within microproximity of each other, compared to those outside the reciprocal microproximity, supporting functional importance of the close apposition between those two ascending neuromodulatory systems into the mPFC. There was enrichment of cholinergic en passant varicosities on the fiber segments within microproximity of c-Fos activated pyramidal cells in the mPFC of visually and HDB electrically stimulated rats, indicating association between axonal varicosity density and the local neuronal activity. There was decrease of dopaminergic en passant varicosities in the mPFC of rats with ChAT depletion in the N.Acc., compared to controls. This evidence supports the association between dopaminergic axonal varicosities and relevant neuronal activity in a complex neuronal network. This thesis shows that the density of cholinergic and dopaminergic axonal varicosity density in the mPFC is influenced by and contributes to the relevant local neuronal activity from the interactions of different transmitter systems. Such interactions of different systems in a complex and intricate prefrontal neuronal network endeavour to maintain the delicate balance for cognitive processes.

Des études récentes ont montré que le noyau caudé interagissait avec le cortex préfrontal et qu’il pourrait être impliqué dans les fonctions exécutives. Le but de cette thèse était d’étudier la contribution du noyau caudé dans les fonctions exécutives, plus précisément dans des tâches de monitoring et de changement de règle, et d’observer comment ces régions fronto-striatales interagissent avec le réseau par défaut (RPD). Dans un premier temps, nous avons étudié le rôle du noyau caudé dans les deux types de monitoring : le monitoring d’origine interne, consistant à effectuer un suivi sur l’état de l’information en mémoire de travail afin de pouvoir faire un choix subséquent, et dans le monitoring d’origine externe où le suivi sur l’état des items est effectué par l’individu, mais la sélection est exécutée par une source externe. Il a été montré que le cortex préfrontal dorsolatéral (CPFDL) est impliqué dans les deux types de monitoring. À l’aide de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), nos résultats ont montré une augmentation significative du signal BOLD au niveau du CPFDL dans les contrastes des conditions de monitoring d’origine interne et monitoring d’origine externe par rapport à la condition contrôle. De manière plus importante, une augmentation significative de l’activité a été observée dans le noyau caudé seulement dans les soustractions impliquant le monitoring d’origine interne par rapport à la condition contrôle, et par rapport à la condition de monitoring d’origine externe. En deuxième lieu, des études ont montré une contribution spécifique des régions fronto-striatales dans l’exécution d’un changement de règle. Toutefois, l’effet d’un changement de règle sur l’activité cérébrale n’a jamais été étudié sur les essais subséquents. À l’aide de l’IRMf, le cortex préfrontal ventrolatéral (CPFVL) et le noyau caudé ont montré une augmentation significative de leur activité lors des changements de règle continus et lors des changements de règles sporadiques par rapport à la condition contrôle, et aussi lors des essais où le maintien d’une même règle devait être effectué pour une courte durée par opposition au contrôle. Cependant, aucune activité fronto-striatale n’a été observée lorsqu’une même règle devait être appliquée pour une plus longue période. De plus, une diminution significative de l’activité du noyau caudé a été observée lors de la répétition de l’exécution d’une même règle suggérant une meilleure intégration de cette dernière. Finalement, plusieurs études ont montré une déactivation du RPD lors de l’exécution de tâches. À l’aide de l’IRMf, nous avons posé l’hypothèse que le RPD serait corrélé négativement avec les régions fronto-striatales lors de l’exécution d’une tâche de changement de règle. Nos résultats montrent une augmentation significative de l’activité des régions fronto-striatales lors d’une augmentation du nombre d’essais de changement de règle consécutif, pendant que le RPD montre une déactivation continue. De façon intéressante, pendant que les régions fronto-striatales montrent une diminution de leur activité lors de l’exécution d’une même règle pour une longue période, le RPD augmente son activité de façon significative. On conclut donc que le noyau caudé joue un rôle important dans la planification d’une nouvelle action lorsque plusieurs possibilités doivent être considérées en mémoire de travail, et ce en même temps. Finalement, le RPD montre une corrélation négative avec les régions fronto-striatales suggérant sa participation dans l’intégration d’une tâche devenant de plus en plus familière. / Recent studies have shown that the caudate nucleus interacts with the prefrontal cortex, and that it is involved in executive processes. The goal of the thesis was to investigate the role of the caudate nucleus in executive processes, and to observe how the frontostriatal regions are interacting with the default mode network (DMN). Firstly, we studied the role of the caudate nucleus in self-ordered monitoring, which consist of keeping track of which stimuli have been selected and which remains to be selected, and externally-triggered monitoring, which refers to keeping track of one’s selection when an external source is performing the selection. It has been shown that de dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) was particularly involved in both types of monitoring. Using functional magnetic resonance imaging (fMRI), a significant increase of activity has been observed in the DLPFC during both monitoring conditions vs control condition. Importantly, significant increased activity in the caudate nucleus was observed only in subtractions involving self-ordered monitoring (the self-ordered vs control and self-ordered vs externally-triggered conditions). Secondly, previous studies have shown a specific contribution of frontostriatal regions during set-shifting. However, the effect of set-shifting on subsequent trials had yet to be determined. Using fMRI, significant increase of activity was observed in the ventrolateral prefrontal cortex (VLPFC) and the caudate nucleus during shifting trials versus control and in trials where the same rule was applied for a few trials before a set-shift occurred. However, no frontostriatal activity was observed when the same rule was applied for a longer period. Decreased activity in the caudate nucleus correlated with increasing trial position in trials where no set-shift occurred, suggesting that the more a rule is executed, the better it is established. Finally, several studies have shown a deactivation of the DMN during the execution of a goal-directed task. Using fMRI, we hypothesized that the DMN was negatively correlated with the frontostriatal regions during the execution of a set-shifting task. Our results showed a significant increase of activity in the frontostriatal regions as more set-shifts are being performed while the DMN gets more deactivated. Interestingly, as decreased activity was observed in the frontostriatal regions during the execution of the same rule for a long period, the DMN showed increasing activity. We concluded that the caudate nucleus is specifically involved during the planning of a novel action when several possibilities are available at the same time. Finally, the DMN shows a negative correlation with the frontostriatal regions suggesting its contribution to the execution of a more familiar task.

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Ce travail de thèse explore l'organisation fonctionnelle du cortex frontal chez l'homme lors de l'apprentissage et l'utilisation de règles conditionnelles associées à des stimuli contextuels et demandant la réalisation d'actions manuelles, vocales et orofaciales. Ma première étude a démontré chez l'homme que 1) le cortex frontal latéral postérieur (pLFC) est organisé selon un gradient dorso-ventral, où le cortex prémoteur dorsal (PMd) et le cortex préfrontal dorsal (BA 44) sont impliqués respectivement dans les associations conditionnelles manuelles et vocal-orofaciales, et 2) que l'aire motrice cingulaire antérieure (RCZa) au sein du cortex cingulaire moyen (MCC), contribue à l'évaluation des feedback auditifs durant l'apprentissage par essai-erreur de ces associations. Ma seconde étude a révélé qu'au sein du MCC, les trois CMAs sont fonctionnellement couplées avec le cortex préfrontal latéral le long du gradient rostro- caudal où les régions les plus rostrales sont impliqués dans un contrôle comportemental de plus haut niveau. Ces résultats apportent de nouveaux éclaircissements aux théories actuelles concernant l'organisation cortico-frontal du contrôle comportemental. En réalisant une revue de la littérature, j'ai montré qu'au sein du réseau pLFD-MCC les aires BA 44 et RCZa font partie d'un réseau cérébral homologue qui pourrait jouer un rôle similaire dans le contrôle cognitif vocal/orofacial chez les primates - le contrôle adaptatif des actions vocales/orofaciales basés sur l'évaluation des feedback auditifs. Cette hypothèse a été validé chez l'homme dans ma première étude. Cette thèse a mis en évidence un important réseau neural aidant à comprendre comment le contrôle du langage a évolué au cours de l'évolution des primates. Pour finir, j'ai présenté des résultats préliminaires qui montre que la correspondance des profils de connectivité en état de repos est une approche prometteuse pour comparer l'organisation fonctionnelle cérébrale inter-espèces / This thesis primarily investigated how the human frontal cortex is organised to learn and use conditional rules linking contextual stimuli with manual, vocal and orofacial actions. My first study demonstrated that in humans: 1) the posterior lateral frontal cortex (pLFC) is organized along a dorso-ventral gradient, where the dorsal premotor cortex and ventral area 44 are involved in manual and vocal-orofacial conditional associations respectively, and 2) the anterior-most cingulate motor area (RCZa) within the mid-cingulate cortex (MCC), contributes to the evaluation of auditory feedback during the trial-and-error learning of the conditional associations. My second study showed that within the MCC, the three CMAs are functionally coupled with the lateral frontal cortex along a rostral-caudal gradient where more rostral regions are implicated in more abstracted levels of behavioral control. These findings provided important contributions to current theories about frontal cortical organization for behavioural control. Lastly, through an extensive review, I revealed that, within the pLFC-MCC network, area 44 and RCZa are part of a homologous brain network that might play a similar role in cognitive vocal/orofacial control across primates. My hypothesized role of this network in the adaptive control of vocal/orofacial actions based on auditory feedback monitoring had been validated, in humans, from my first study. Thus, my thesis had also revealed an important starting point - the area 44-RCZa, for future investigations into the potential neural changes that occurred across primate evolution to support the emergence of human speech abilities

La consommation de cannabis chez les adolescents et les jeunes adultes constitue un facteur de risque de développement de symptômes psychotiques. L’objectif de cette thèse était d’étudier les conséquences à l’âge adulte d’une exposition chronique aux cannabinoïdes pendant l’adolescence. Nous avons réalisé ces études chez le Rat et démontré que l’administration chronique d’un agoniste des récepteurs cannabinoïdes, le CP55, 940, durant l’adolescence (JPN 29 à 50) entraîne à l’âge adulte des déficits significatifs et durables de la mémoire à court terme et de la mémoire de travail spatiale. Le même traitement administré à l’âge adulte (JPN 70 à 91) n’entraîne pas de déficits cognitifs à long terme. L’apport de ces travaux et leur originalité a été de contribuer à la compréhension des mécanismes sous-jacents au développement de ces déficits cognitifs. Nous avons mis en évidence, chez ces rats à l’âge adulte, une diminution significative de l’amplitude de la PLT induite sur le circuit reliant l’hippocampe au cortex préfrontal, fortement impliqué dans les processus de mémoire et dans la physiopathologie de la schizophrénie. Ce déficit de PLT a été mis en relation avec des modifications de la morphologie des neurones pyramidaux de la couche II/III du cortex préfrontal et de certains marqueurs de la plasticité synaptique. Ces résultats confirment que l'adolescence est une période critique et vulnérable aux effets délétères des cannabinoïdes sur les processus cognitifs. L’étude des bases neurobiologiques de ces effets, en particulier en ce qui concerne les altérations des circuits préfrontaux, devrait améliorer notre compréhension des mécanismes de l'émergence de la psychose et conduire à de nouvelles stratégies thérapeutiques et de prévention. / Cannabis use among adolescents and young adults is a risk factor for developing psychotic symptoms. The aim of this thesis was to study the consequences at different levels (behavioral, functional and structural in adulthood) of chronic exposure to synthetic cannabinoids during adolescence in the rat. We showed that chronic administration of a cannabinoid receptor agonist, CP 55940, during adolescence (PND 29-50) in rats leads to significant long-term deleterious effects in short-term memory and in spatial working memory in adulthood. The same treatment administered in adulthood (PND 70-91) does not cause long-term cognitive deficits. We further demonstrated that cannabinoid during adolescence leads in adults to a significant decrease in the expression of LTP induced in hippocampal to prefrontal cortex synapses, a circuit directly involved in memory processes and in the pathophysiology of schizophrenia. This alteration could be associated with changes in the morphology of pyramidal neurons in layer II / III of PFC and/or in the density of synaptic markers that we also identified in these cannabinoid-treated rats. These findings demonstrate that adolescence is a critical and vulnerable period to the deleterious effects of cannabinoids on cognitive processes. The neurobiological basis for this effect, especially with regard to alterations to prefrontal circuitry, which we partially provide should improve our understanding of the emergence of psychosis and lead to new therapeutic strategies and prevention.

Cette thèse avait pour objectif d’étudier le rôle du circuit composé de l’hippocampe (Hip), du cortex préfrontal médian (mPFC) et des noyaux reuniens et rhomboïde (ReRh) du thalamus dans les processus cognitifs qui sous-tendent la mémoire spatiale chez le Rat. Nous avons montré que les noyaux ReRh pourraient être impliqués dans la consolidation systémique, mécanisme nécessaire à la persistance des souvenirs et nécessitant un dialogue hippocampo-cortical. Nous avons mis en évidence que l’activité neuronale du mPFC durant le rappel d’une mémoire ancienne dépend des noyaux ReRh, ainsi que l’implication de ces noyaux dans une tâche de mémoire spatiale (dépendante de l’Hip) nécessitant une flexibilité comportementale (impliquant le mPFC). Enfin, nous avons montré un rôle du mPFC dans le rappel d’une mémoire spatiale récente. Ces résultats mettent en évidence l’importance de ce circuit hippocampo-cortico-thalamique dans le traitement et la persistance des informations spatiales chez le Rat. / This thesis aimed to investigate the role of a circuit encompassing the hippocampus (Hip), the medial prefrontal cortex (mPFC) and the reuniens and rhomboid nuclei (ReRh) of the thalamus in cognitive processes underlying spatial memory in rats. We first showed that ReRh nuclei may be involved in systemic consolidation, a mechanism necessary for memory persistence and requiring hippocampal-cortical interactions. We confirmed these findings in a second study showing that mPFC neuronal activity during recall of a remote spatial memory depends on ReRh thalamic nuclei. We also showed the involvement of the ReRh nuclei in a mnemonic task requiring the use of both spatial information (dependent on the Hip) and behavioral flexibility (involving the mPFC). Finally, we found a role of the mPFC in the recall of recent spatial memory. Taken together, these results highlight the importance of a hippocampo-cortico-thalamic circuit in the processing and persistence of spatial information in the Rat.

La plasticité cérébrale pathologique qui se met en place en réponse à l'administration répétée de drogue nécessite des modifications de l’expression des gènes, au moyen,entre autres, de mécanismes épigénétiques tels que la méthylation de l’ADN. Dans ces travaux, nous avons montré que l’inhibition des ADN méthyl transférases par la 5-aza-2’-désoxycytidine augmentait les propriétés renforçantes de la cocaïne dans un protocole d’auto-administration intraveineuse, et ce, sans affecter la motivation des rats pour la cocaïne, ni la réactivation du comportement de recherche après une période de sevrage.L’analyse du méthylome dans le cortex préfrontal médian nous a permis de caractériser près de 190000 régions génomiques différentiellement méthylées suite au traitement par la cocaïne, en association ou non avec la 5-aza-2’-désoxycytidine. Nous avons sélectionné une vingtaine de régions situées soit dans les promoteurs soit au sein de gènes participant à la plasticité neuronale. L’analyse de la transcription de ces gènes a permis, pour certains d’entre eux, de corréler les variations de méthylation avec celles d’expression, comme dans le cas du gène Hdac2. / Repeated drug administration lead to pathological brain plasticity that requires modifications of gene expression through, among others, epigenetic mechanisms such DNA methylation. Here, we showed that DNA methyltransferases inhibitors such 5-aza-2’-deoxycytidine increase reinforcing properties of cocaine in an intravenous self administration paradigm without affecting the motivation of rats for the drug, nor drug seeking after withdrawal. The analysis of the methylome in the medial prefrontal cortex allowed us to identify approximatively 190000 differentially methylated genomic regions in response to cocaine treatment, in association or not with 5-aza-2’-deoxycytidine. We selected around twenty regions within promoters or body of genes known to participate in neuronal plasticity. The study of the transcription of these genes permitted for some of them to correlate the modifications of the DNA methylation with the modifications of the expression, like, for example, in the case of the gene Hdac2.

La capacité des organismes à survivre dans un environnement changeant dépendlargement de leur aptitude à prendre des décisions adaptées. Cette fonction complexerésulte notamment de l’intégration de processus de prédiction et de contrôle de l’action,classiquement étudiés dans le corpus théorique et méthodologique des apprentissagesassociatifs. Les bases neurobiologiques de ces processus sont largement distribués au seinde circuits au sein desquels le cortex préfrontal et son afférence principale, le thalamusmédiodorsal (MD) jouent un rôle important. Dans ce contexte, le travail entrepris au coursde ce travail de thèse visait à déterminer le rôle fonctionnel des échanges entre ces deuxstructures dans le cadre de la prise de décision.Une première partie de ce travail a visé à confirmer le rôle spécifique du MD dans lesprocessus de prise de décision. Par l’utilisation d’un protocole expérimental nécessitantl’intégration des contingences instrumentales et Pavloviennes pour obtenir unerécompense, nous avons démontré que des rats porteurs d’une lésion du MD n’étaient pascapables d’adapter leur comportement en fonction des changements de valeur de larécompense, confirmant ainsi le rôle fondamental du MD dans la représentation du but.Surla base de ce résultat, nous avons ensuite entrepris une étude d’anatomie descriptive visantà caractériser finement l’architecture des projections thalamocorticales issues du MD. Cetteétude nous a permis de démontrer que de multiples voies thalamocorticales issues du MDtrouvent leur origine dans des populations neuronales thalamiques essentiellementségrégées mais également que la région orbitofrontale était innervée par une régionthalamique méconnue, le thalamus submédian. Pour éprouver les fonctions de cesdifférentes voies, nous avons d’abord mis en place une stratégie d’inactivation réversible depopulations neuronales sélectionnées sur la base de leurs projections spécifiques par uneméthode pharmacogénétique conditionnelle. L’utilisation de cette méthode nous a permisde révéler que la capacité de l’animal à se représenter la valeur ou la relation actionrécompensedépend de la direction des échanges entre le MD et le cortex préfrontalmédian. Par ailleurs, une approche lésionnelle comparée plus classique nous a permisd’identifier un rôle fonctionnel spécifique du thalamus submédian dans la mise à jour descontingences Pavloviennes.12Pris dans leur ensemble, ces résultats sont en accord avec l’idée que des bouclesthalamocorticales distinctes sont impliquées dans les processus de prédiction et de contrôlede l’action nécessaires à une prise de décision adaptée. / Survival of living organisms depends on the ability to make decision adapted to theircurrent needs and desires. Such an ability results from the integration of multiple basiccognitive processes such as events prediction and action control. These processes are bestinvestigated within the framework of associative learning. Past research has demonstratedthat these processes are supported by a widespread neuronal circuit, in which the prefrontalcortex and his major afferent structure, the mediodorsal thalamus (MD), play a central role.In this context, this thesis work aimed at investigating the functional role of the exchangesbetween these two structures in decision making.In a first part of this work, we assessed the role of the MD in prediction and control.We showed that MD lesioned rats are unable to adapt their behavior to a change in rewardvalue, in an experimental procedure asking the integration of instrumental and Pavloviancontingencies. This result confirmed the fundamental role of MD in goal representation. As asecond step, we performed an anatomical study in order to characterize the architecture ofthe thalamocortical pathways arising from the MD. We first showed that multiplethalamocortical pathways originate from segregated neuronal populations within the MD.We also discovered a poorly known thalamic structure innervating the orbitofrontal cortex,the submedius nuclei. In order to understand the functional role of these pathways, we useda conditional chemogenetic technique aimed at inactivating neuronal populations selectedon the basis of their projections. Using this technique, we showed that the animal’s abilitiesto represent either the value or the action-reward relationship depend on the directionalityof MD and prefrontal cortex exchanges. Finally, we identified a specific role for thesubmedius nuclei in updating Pavlovian contingencies, by using a more classical lesioningapproach.Taken together, these results support the idea that decision making involved severalthalamocortical loops, differentially supporting prediction and action control.

La perception menant à une prise de décision implique de multiples aires corticales. Il a été proposé que l'information sensorielle se propage des aires sensorielles primaires, codant principalement la nature du stimulus, aux aires de haut-niveau - plus frontales - codant d'avantage la valence du stimulus ou la décision. Pour mieux comprendre l'intégration corticale des signaux sensoriels, nous avons enregistré les réponses sensorielles évoquées (RSE) simultanément dans différentes aires corticales, tandis que des souris apprenaient une tâche de détection sensorielle. Chez les souris ayant appris la tâche, une RSE est observée dans toutes les aires enregistrées suivant la stimulation de la vibrisse, avec des latences croissantes des aires somatosensorielles primaire (vS1) et secondaire (vS2), vers le cortex moteur primaire des vibrisses (vM1), le cortex pariétal associatif (PtA), l'hippocampe dorsal (dCA1) et enfin le cortex préfrontal médian (mPFC). Nous avons constaté une réduction des RSEs lors des échecs par rapport aux essais réussis dans toutes les aires, sauf vS1. Toutefois, seule l'inactivation de vS1, vS2 ou mPFC affecte significativement la performance des souris. Pendant l'apprentissage de la tâche, une augmentation sélective de la RSE est observée dans le mPFC en corrélation avec la performance. Des enregistrements unitaires dans le mPFC démontrent la nature excitatrice de la réponse sensorielle chez les souris entrainées. Nos résultats confirment ainsi que la réponse sensorielle dans le mPFC reflète l'importance comportementale du stimulus et corrèle avec la prise de décision, tandis que la réponse des aires sensorielles reflète plutôt la nature du stimulus / Sensory perception leading to goal-directed behavior involves multiple, spatially-distributed cortical areas. It has been hypothesized that sensory information flows from primary sensory areas encoding mainly the nature of the stimulus, to higher-order, more frontal, areas encoding the valence of the stimulus or the decision. To further understand the cortical integration of sensory signals, we recorded sensory evoked potentials (SEPs) simultaneously from different areas while mice learned a whisker-based sensory detection task. In mice that have learned the task, the whisker stimulus evoked SEP in all recorded areas with latencies increasing from the whisker primary (wS1) to the secondary somatosensory area (wS2), the whisker motor area (wM1), the parietal area (PtA), the dorsal hippocampus (dCA1) and the medial prefrontal cortex (mPFC). We found a reduction of SEPs during Miss trials compared with Hit trials in all areas except wS1. However, only the local inactivation of either wS1, wS2 or mPFC significantly impaired the mice performance. During training to the detection task, we observed a selective increase of the SEPs in mPFC that correlated with performance. Finally, using high-density extracellular recordings in mPFC, we found that whisker stimulation in trained mice evoked an early increase in the firing rate of putative excitatory neurons (regular spiking units) that was positively correlated with behavioral outcome. Our results support the idea that mPFC could signal the relevance of a sensory stimulus in the context of a well-defined behavior, whereas sensory areas would be more constrained by the nature of the stimulus

Choisir entre l'action ou l'inaction est peut-être le type de décision le plus critique auquel un animal peut faire face. Une formalisation simple de ces choix consiste à évaluer les bénéfices attendus (nourriture, argent par exemple) ainsi que les coûts (punitions, pertes de temps ou d'argent) associés à chaque action et d'optimiser le rapport entre récompenses reçues et coûts assumés. Notre motivation à s'engager dans une action donnée dépend donc de la valeur de ce rapport. Dans le domaine de l'économie comportementale, l’optimisation de ce rapport bénéfices/coûts constitue le principe fondamental qui régule et explique le comportement des individus. Dans mes travaux de thèse, j'ai réalisé une implémentation de ces concepts venant de l'économie comportementale en utilisant une forme expérimentalement quantifiable de coûts: l'effort physique. Dans notre vie de tous les jours, si l'on nous demande de choisir entre deux options rapportant les même bénéfices mais demandant différents efforts (par exemple, travailler 3 ou 7 jours par semaine pour le même salaire), nous choisissons habituellement l'option qui nécessite la plus petite dépense d'énergie, en optant donc pour le moindre effort. Néanmoins, l'effort physique a été beaucoup moins étudié en comparaison à d'autres formes de coûts comme le fait de différer la récompense ou d'en augmenter l'incertitude. Le présent travail de recherche a donc pour but de mettre en lumière les bases neurales de la balance récompense / effort dans la prise de décision. Comprendre comment l'effort affecte la dévaluation des potentielles récompenses a un intérêt particulier pour la prise de décisions économiques mais aussi pour la clinique, étant donné que la diminution de la capacité à accepter d'avoir à exercer un effort est un symptôme-clé de nombreuses pathologies comme l'apathie ou la dépression. Nous faisons l’hypothèse que de tels désordres pourraient résulter de deux différents processus comportementaux: (a) une diminution de la sensibilité aux bénéfices futurs et/ou (b) une sensibilité excessive aux coûts potentiels. Ainsi, lorsqu'interrogés sur les raisons pour lesquelles ils ne veulent pas aller au cinéma regarder un film qu'ils apprécient, les patients apathiques peuvent déclarer que (a) le film n'est pas assez bon (soit une plus faible réponse à la valeur attendue), (b) le cinéma est trop loin (soit une plus forte sensibilité à l'effort anticipé). Afin de tester ces hypothèses, nous avons enregistré l'activité de neurones chez le singe pendant des tâches comportementales. Nous avons trouvé que d'une part, la dopamine encode la valeur de l'action future et oriente le comportement vers l'option demandant le moindre effort. D'autre part, la noradrénaline permet à l'individu de faire face à l'effort à venir en réduisant la sensibilité à l'anticipation de l'effort. En utilisant une approche pharmacologique, nous avons démontré que lorsque le niveau de noradrénaline est augmenté, les singes exercent d'avantage d'effort. En outre, nous avons montré que les potentiels locaux de champ dans le cortex pré-frontal ventro-médian, enregistrés dans une tâche comportementale identique, sont modulés par la valeur attendue et prédisent le choix du singe. En résumé, ce travail permet de départager en partie les circuits neuronaux impliqués dans le calcul de la balance récompense / effort, principalement encodée par les neurones dopaminergiques et dans les potentiels locaux de champ au niveau du cortex pré-frontal ventro-médian. Enfin, ce travail souligne le rôle de la noradrénaline dans la mobilisation de l'énergie d'un individu afin de faire face au défi que représente l'effort physique. / There is perhaps no more critical factor for the behaviour of an animal than the way it chooses between action and inaction. A simple way to formalise such choices is to evaluate the predicted benefit (e.g. food, money) and costs (e.g. punishments, losses, delays) associated with each action and optimise the rates at which rewards are received and costs avoided. Our motivation to perform a given action depends upon such value ratio. In the current behavioural economics literature, the optimisation of the benefits/costs ratio stands as the fundamental principle that regulates and explains agents’ behaviour. In my Ph.D. studies, I implement a realistic model of such concepts from behavioural economics by using an empirical type of cost: physical effort. In our everyday life, if we are asked to choose between two options that imply the same reward but different efforts (e.g., working 3 or 7 days per week for the same salary), we usually opt for the alternative that requires the slightest energy expenditure, thus the least effort. However, physical effort has been far less studied compared to other decision costs such as delay or uncertainty. The present Ph.D. work aims at highlighting the neuronal bases of such reward/effort tradeoff. Understanding how effort cost affects the discounting of potential rewards has a clear significance for economic decisions and clinics, since the reduced willingness to exert effort is a key signature of several clinical disorders such as apathy and depression We suggest that disorders such as apathy could result from two different behavioural processes: (a) a decreased responsiveness to future benefits and/or (b) an excessive sensitivity to potential costs. For instance, when asked why they would not go see a movie they like, patients may say that (a) the movie is not good enough (i.e. low responsiveness to expected value) or that (b) the theatre is too far away (i.e. high sensitivity to anticipated effort). To test our hypothesis, we combined behavioural tasks and pharmacological approach with neuron recordings in monkeys, targeting specifically two majors actors of the rewarding and effort system, dopamine and noradrenaline. We found that dopamine and noradrenaline have distinct but complementary roles. On the one hand, dopamine tracks the reward value of future outcomes and orient the behaviour towards the least effortful options. On the other hand, noradrenaline enables subjects to face the effort at hand, reducing the sensitivity to anticipated effort. Using a pharmacological approach, we found that, when we increase noradrenaline, monkeys exerted significantly more effort. Moreover, we have found that local field potentials in the ventromedial prefrontal cortex recorded in the same task encode the expected value and predict action selection. In summary, this Ph.D. work allows to disentangle some of the neuronal circuits implicated in the computation of the reward/effort tradeoff, mainly encoded by dopaminergic neurons and in the local field potential of the ventromedial prefrontal cortex. On the other hand, this work highlights the role of noradrenaline in the energization of behaviour to face the challenge represented by the physical effort.