Les cellules microgliales, qui sont les macrophages du système nerveux central, ont été principalement étudiées en conditions pathologiques. Néanmoins, l'étude de la microglie aux stades périnataux indique qu'elle influence le développement normal du système nerveux central. Des interactions directes et indirectes entre la microglie et les synapses existent mais les mécanismes par lesquels ces cellules immunitaires ciblent les synapses et modulent leur maturation fonctionnelle durant le développement postnatal sont peu connus. Au cours de mon travail de thèse, je me suis intéressée aux cellules microgliales et à leurs fonctions dans le développement postnatal du cortex somato-sensoriel de la souris. Dans une première étude, nous avons montré qu'au cours de la première semaine post-natale le recrutement des cellules microgliales aux sites synaptiques en maturation met en jeu une voie de signalisation impliquant la chimiokine neuronale fractalkine et de son récepteur microglial CX3CR1. En effet, un défaut d'expression de ce récepteur retarde le recrutement des cellules microgliales aux sites synaptiques et entraine un retard de maturation fonctionnelle des synapses thalamocorticales. Dans une seconde étude, nous avons caractérisé le phénotype des cellules microgliales lors de la maturation fonctionnelle des réseaux synaptiques corticaux. Nous avons montré que les cellules microgliales adoptent un phénotype particulier lorsqu'elles sont recrutées aux synapses en maturation. Ce phénotype diffère de celui exprimé par la microglie adulte en conditions physiologiques et pathologiques et pourrait permettre aux cellules microgliales d'accomplir des fonctions spécifiques nécessaires à la maturation synaptique. Dans une troisième étude, nous avons testé les effets de la minocycline sur le développement cortical. Cette tétracycline est connue pour bloquer l'activation microgliale chez l'adulte. De façon surprenante, nous avons observé que pendant une période critique se situant à la fin de la première semaine post-natale la minocycline induit une importante mort cellulaire qui s'accompagne d'une altération de la distribution des cellules microgliales et déclenche leur activation. L'ensemble de mes données montrent que les cellules microgliales sont très sensibles aux changements de leur environnement, que leur phénotype fonctionnel change en conditions physiologiques en fonction de cet environnement et que des interactions réciproques entre neurones et microglie influencent la maturation fonctionnelle des réseaux synaptiques corticaux lors du développement postnatal.

Les cellules microgliales, qui sont les macrophages du système nerveux central, ont été principalement étudiées en conditions pathologiques. Néanmoins, l'étude de la microglie aux stades périnataux indique qu'elle influence le développement normal du système nerveux central. Des interactions directes et indirectes entre la microglie et les synapses existent mais les mécanismes par lesquels ces cellules immunitaires ciblent les synapses et modulent leur maturation fonctionnelle durant le développement postnatal sont peu connus. Au cours de mon travail de thèse, je me suis intéressée aux cellules microgliales et à leurs fonctions dans le développement postnatal du cortex somato-sensoriel de la souris. Dans une première étude, nous avons montré qu'au cours de la première semaine post-natale le recrutement des cellules microgliales aux sites synaptiques en maturation met en jeu une voie de signalisation impliquant la chimiokine neuronale fractalkine et de son récepteur microglial CX3CR1. En effet, un défaut d'expression de ce récepteur retarde le recrutement des cellules microgliales aux sites synaptiques et entraine un retard de maturation fonctionnelle des synapses thalamocorticales. Dans une seconde étude, nous avons caractérisé le phénotype des cellules microgliales lors de la maturation fonctionnelle des réseaux synaptiques corticaux. Nous avons montré que les cellules microgliales adoptent un phénotype particulier lorsqu'elles sont recrutées aux synapses en maturation. Ce phénotype diffère de celui exprimé par la microglie adulte en conditions physiologiques et pathologiques et pourrait permettre aux cellules microgliales d'accomplir des fonctions spécifiques nécessaires à la maturation synaptique. Dans une troisième étude, nous avons testé les effets de la minocycline sur le développement cortical. Cette tétracycline est connue pour bloquer l'activation microgliale chez l'adulte. De façon surprenante, nous avons observé que pendant une période critique se situant à la fin de la première semaine post-natale la minocycline induit une importante mort cellulaire qui s'accompagne d'une altération de la distribution des cellules microgliales et déclenche leur activation. L'ensemble de mes données montrent que les cellules microgliales sont très sensibles aux changements de leur environnement, que leur phénotype fonctionnel change en conditions physiologiques en fonction de cet environnement et que des interactions réciproques entre neurones et microglie influencent la maturation fonctionnelle des réseaux synaptiques corticaux lors du développement postnatal.

Les cellules microgliales, qui sont les macrophages du système nerveux central, ont été principalement étudiées en conditions pathologiques. Néanmoins, l'étude de la microglie aux stades périnataux indique qu'elle influence le développement normal du système nerveux central. Des interactions directes et indirectes entre la microglie et les synapses existent mais les mécanismes par lesquels ces cellules immunitaires ciblent les synapses et modulent leur maturation fonctionnelle durant le développement postnatal sont peu connus. Au cours de mon travail de thèse, je me suis intéressée aux cellules microgliales et à leurs fonctions dans le développement postnatal du cortex somato-sensoriel de la souris. Dans une première étude, nous avons montré qu'au cours de la première semaine post-natale le recrutement des cellules microgliales aux sites synaptiques en maturation met en jeu une voie de signalisation impliquant la chimiokine neuronale fractalkine et de son récepteur microglial CX3CR1. En effet, un défaut d’expression de ce récepteur retarde le recrutement des cellules microgliales aux sites synaptiques et entraine un retard de maturation fonctionnelle des synapses thalamocorticales. Dans une seconde étude, nous avons caractérisé le phénotype des cellules microgliales lors de la maturation fonctionnelle des réseaux synaptiques corticaux. Nous avons montré que les cellules microgliales adoptent un phénotype particulier lorsqu’elles sont recrutées aux synapses en maturation. Ce phénotype diffère de celui exprimé par la microglie adulte en conditions physiologiques et pathologiques et pourrait permettre aux cellules microgliales d’accomplir des fonctions spécifiques nécessaires à la maturation synaptique. Dans une troisième étude, nous avons testé les effets de la minocycline sur le développement cortical. Cette tétracycline est connue pour bloquer l’activation microgliale chez l'adulte. De façon surprenante, nous avons observé que pendant une période critique se situant à la fin de la première semaine post-natale la minocycline induit une importante mort cellulaire qui s'accompagne d'une altération de la distribution des cellules microgliales et déclenche leur activation. L'ensemble de mes données montrent que les cellules microgliales sont très sensibles aux changements de leur environnement, que leur phénotype fonctionnel change en conditions physiologiques en fonction de cet environnement et que des interactions réciproques entre neurones et microglie influencent la maturation fonctionnelle des réseaux synaptiques corticaux lors du développement postnatal. / The microglial cells, which are the resident macrophages of the central nervous system, have been mainly studied in pathological conditions. But, the study of microglia at perinatal stages indicates that they influence the normal development of the central nervous system. Direct and indirect interactions between microglia and synapses exist but mechanisms by which these immune cells target synapses and modulate their functional maturation during post-natal development are still unknown. During my PhD thesis, I was interested in microglial cells and their functions during postnatal development of the mouse somatosensory cortex. In a first study, we showed that during the first postnatal week the recruitment of microglial cells at maturating synaptic sites requires a signaling pathway involving the neuronal chemokine fractalkine and its microglial receptor CX3CR1. Indeed, a deficit in the expression of this receptor delays the recruitment of microglial cells at synaptic sites and leads to a delayed functional maturation of thalamocortical synapses. In a second study, we characterized the phenotype of microglial cells during the functional maturation of cortical synaptic network. We showed that microglial cells adopt a particular phenotype when they are recruited at maturating synapses. This phenotype differs from that expressed by adult microglia in physiological and pathological conditions and may allow microglial cells to accomplish specific functions which are necessary to synaptic maturation. In a third study, we tested the effects of the minocycline on the cortical development. This tetracycline is known to block the microglial activation in adult. Surprisingly, we observed that during a critical period ending at the end of the first post-natal week, minocycline induces an important cellular death which is accompanied by an alteration of microglial cells distribution and which also triggers their activation. Taken together, my data show that microglial cells are highly sensitive to changes in their environment, their functional phenotype evolves in physiological conditions in function of this environment and reciprocal interactions between neurons and microglia influence the functional maturation of cortical synaptic network during the postnatal development.

Les effets de la stimulation électrique sur la dynamique des systèmes neuronaux épileptiques sont encore méconnus. L'objectif principal de cette thèse est de progresser dans la compréhension des effets attendus en fonction des paramètres de stimulation. Dans la première partie du manuscrit, un modèle mésoscopique (population neuronale) de la boucle thalamocorticale est proposé pour étudier en détails les effets de stimulation indirecte (thalamique), avec une attention particulière sur la fréquence. Des signaux EEG intracérébraux acquis chez un patient souffrant d'épilepsie pharmaco-résistante ont d'abord été analysés selon une approche temps-fréquence (algorithme de type Matching Pursuit). Les caractéristiques extraites ont ensuite été utilisées pour identifier les paramètres du modèle proposé en utilisant une approche exhaustive (minimisation de la distance entre signaux simulés et réels). Enfin, le comportement dynamique du modèle a été étudié en fonction de la fréquence du signal de stimulation. Les résultats montrent que le modèle reproduit fidèlement les signaux observés ainsi que la relation non linéaire entre la fréquence de stimulation et ses effets sur l'activité épileptique. Ainsi, dans le modèle, la stimulation à basse fréquence (SBF ; fs <20 Hz) , et la stimulation à haute fréquence (SHF ; fs > 60 Hz) permettent d'abolir les dynamiques épileptiques, alors que la stimulation à fréquence intermédiaire (SFI; 20 < fs < 60 Hz) n'ont pas d'effet , comme observé cliniquement. De plus, le modèle a permis d'identifier des mécanismes cellulaires et de réseau impliqués dans les effets modulateurs de la stimulation. La deuxième partie du manuscrit porte sur les effets polarisants de la stimulation directe en courant continu (CC) de la zone épileptogène dans le contexte de l'épilepsie mésiale du lobe temporal (EMLT). Un modèle biomathématique bien connu de la région hippocampique CA1 a été adapté pour cette étude. Deux modifications sont été intégrées au modèle, 1) une représentation physiologique de l'occurrence des décharges paroxystiques hippocampiques (DPH) basée sur une identification de leurs statistiques d'occurrence basée sur des données expérimentales (modèle in vivo d'EMLT)et 2) une représentation électrophysiologiquement plausible de la stimulation prenant en compte l'interface électrode-électrolyte. L'analyse de la sortie du modèle en fonction de la polarité de stimulation, a montré qu'une réduction (resp. augmentation) significative des DPH (en durée et en fréquence) sous stimulation anodale (resp. cathodole). Un protocole expérimental a ensuite été proposé et utilisé afin de valider les prédictions du modèle.

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

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

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.

Les effets de la stimulation électrique sur la dynamique des systèmes neuronaux épileptiques sont encore méconnus. L'objectif principal de cette thèse est de progresser dans la compréhension des effets attendus en fonction des paramètres de stimulation. Dans la première partie du manuscrit, un modèle mésoscopique (population neuronale) de la boucle thalamocorticale est proposé pour étudier en détails les effets de stimulation indirecte (thalamique), avec une attention particulière sur la fréquence. Des signaux EEG intracérébraux acquis chez un patient souffrant d'épilepsie pharmaco-résistante ont d'abord été analysés selon une approche temps-fréquence (algorithme de type Matching Pursuit). Les caractéristiques extraites ont ensuite été utilisées pour identifier les paramètres du modèle proposé en utilisant une approche exhaustive (minimisation de la distance entre signaux simulés et réels). Enfin, le comportement dynamique du modèle a été étudié en fonction de la fréquence du signal de stimulation. Les résultats montrent que le modèle reproduit fidèlement les signaux observés ainsi que la relation non linéaire entre la fréquence de stimulation et ses effets sur l'activité épileptique. Ainsi, dans le modèle, la stimulation à basse fréquence (SBF ; fs <20 Hz) , et la stimulation à haute fréquence (SHF ; fs > 60 Hz) permettent d'abolir les dynamiques épileptiques, alors que la stimulation à fréquence intermédiaire (SFI; 20 < fs < 60 Hz) n'ont pas d'effet , comme observé cliniquement. De plus, le modèle a permis d'identifier des mécanismes cellulaires et de réseau impliqués dans les effets modulateurs de la stimulation. La deuxième partie du manuscrit porte sur les effets polarisants de la stimulation directe en courant continu (CC) de la zone épileptogène dans le contexte de l'épilepsie mésiale du lobe temporal (EMLT). Un modèle biomathématique bien connu de la région hippocampique CA1 a été adapté pour cette étude. Deux modifications sont été intégrées au modèle, 1) une représentation physiologique de l'occurrence des décharges paroxystiques hippocampiques (DPH) basée sur une identification de leurs statistiques d'occurrence basée sur des données expérimentales (modèle in vivo d'EMLT)et 2) une représentation électrophysiologiquement plausible de la stimulation prenant en compte l'interface électrode-électrolyte. L'analyse de la sortie du modèle en fonction de la polarité de stimulation, a montré qu'une réduction (resp. augmentation) significative des DPH (en durée et en fréquence) sous stimulation anodale (resp. cathodole). Un protocole expérimental a ensuite été proposé et utilisé afin de valider les prédictions du modèle. / The effects of electrical stimulation on the dynamics of epileptic neural systems are still unknown. The main objective of this thesis is to progress the understanding of the expected effects as a function of stimulation parameters. In the first part of the manuscript, a mesoscopic model (neural population) of the thalamocortical loop is proposed to study in details the effects of indirect stimulation (thalamic), with a particular attention to stimulation frequency. Intracerebral EEG signals acquired from a patient with drug-resistant epilepsy were first analyzed using a time-frequency approach (Matching Pursuit algorithm). The extracted features were then used to optimize the parameters of the proposed model using a Brute-Force approach (minimizing the distance between simulated and real signals). Finally, the dynamical behavior of the model was studied as a function of the frequency of the stimulation input. The results showed that the model reproduces the real signals as well as the nonlinear relationship between the frequency of stimulation and its effects on epileptic dynamics. Thus, in the model, low-frequency stimulation (LFS; fs <20 Hz) and high-frequency stimulation (HFS; fs > 60 Hz) suppress epileptic dynamics, whereas intermediate-frequency stimulation (IFS; 20 < fs <60 Hz) has no effect, as observed clinically. In addition, the model was used to identify the cellular and network mechanisms involved in the modulatory effects of stimulation. The second part of the manuscript addresses the polarizing effects of direct current (DC) stimulation of the epileptogenic zone in the context of the mesial temporal lobe epilepsy (MTLE). A well-known computational model of the hippocampal CA1 region was adapted for this study. Two modifications were added to the model: 1) a physiological representation of the occurrence of hippocampal paroxysmal discharges (HPD) based on the statistical identification of their occurrence in experimental data (in vivo model of MTLE) and 2) an electrophysiologically plausible representation of the stimulation inputs taking into account the electrode-electrolyte interface. The analysis of the model output as a function of the polarity of stimulation, showed a significant reduction (resp. increase) of HPDs (duration and frequency) in anodal stimulation (resp. cathodol). An experimental protocol was then proposed and used to validate the model predictions.