Le centre médian/parafasciculaire (CM/Pf) du thalamus a récemment émergé comme un élément d'intérêt dans le contexte de la maladie de Parkinson. Ainsi le fonctionnement normal et pathologique des GB ne peut pas être pleinement élucidé sans qu'il ne soit pris en considération. Dans ce contexte, nous avons analysé le transfert des informations thalamiques dans les GB en enregistrant, in vivo, les réponses évoquées au niveau de la structure de sortie des GB, la substantce noire pars reticulata (SNr) soit par la stimulation électrique ou optogénétique du CM/Pf. Ensuite, nous avons étudié les composantes des GB impliquées dans ces réponses en analysant les réponses évoquées par l'activation optogenetique spécifique des voies thalamo-striée, thalamo-subthalamique ou thalamo-nigrale. À la fois l'activation électrique et optogenetique du CM/Pf évoquent des réponses complexes dans la SNr qui sont composées d'une inhibition qui peut être précédée et/ou suivie d'excitations. L'inhibition et l'excitation tardive dépendent de l'activation des voies trans-striatales, alors que les premières excitations mettent en jeu les voies thalamo-subthalamique et thalamo-nigrale. Nous avons également étudié l'impact des interneurones cholinergiques du striatum ainsi que les afférences dopaminergiques sur le transfert des informations thalamiques dans les GB. Pour ce faire, nous avons enregistré les réponses évoquées au niveau des neurones de projection du striatum suite à la stimulation électrique du CM/Pf avec ou sans l'inhibition optogénétique des CINs. Nous serons alors en mesure de déterminer comment les CINs sont impliqués dans le transfert des informations thalamiques au sein des GB. / The centre median/parafascicular (CM/Pf) of the thalamus has recently emerged as a component of interest in the context of Parkinson’s disease. Thus normal and pathological dynamics of BG cannot be fully understood unless it is taken into account. Here, we analyzed the transfer of CM/Pf information through BG by recording, in vivo, the evoked responses of BG output neurons in the substantia nigra pars reticulata (SNr) to either electrical or optogenetic CM/Pf stimulations. Then, we investigated the BG components involved in these responses by analyzing the responses evoked by specific optogenetic activation of the thalamo-striatal, thalamo-subthalamic or thalamo-nigral pathways. Both electrical and optogenetic activation of CM/Pf evoke complex responses in SNr that are composed of an inhibition that can be preceded and/or followed by excitations. The inhibition and the late excitation rely on the activation of the trans-striatal pathways, whereas the early excitations involve thalamo-subthalamic and thalamo-nigral projections. We are currently analyzing whether and how the striatal cholinergic interneurons (CINs) and the dopaminergic afferent system modulate the transfer of thalamic information within the BG. For the second part of my project, we analyzed the treatment of thalamic information from CM/Pf at the level of the striatum. To do this, we recorded the evoked responses of striatal projection neurons by the electrical stimulation of the CM/Pf with or without the inhibition of the CINs by optogenetics. We will then be able to determine how CINs are involved in the transfer of thalamic information at the level of the striatum.

Dans le cadre de l’étude du contrôle de l’épilepsie du lobe mésio temporal (MTLE), il a été montré que le noyau antérieur du thalamus (ANT) est impliqué dans les crises; son rôle exact n’a cependant pas encore été décrit. Cette implication ainsi que sa position stratégique au sein du circuit limbique de Papez en ont fait une cible de choix pour la stimulation cérébrale profonde (Deep Brain Stimulation, DBS). De nombreuses études ont ainsi été menées depuis une vingtaine d’années chez l’animal comme chez l’Homme, utilisant de nombreux paradigmes de stimulation, et de nombreuses conclusions, parfois contradictoires en ont découlé. Mais afin de pouvoir stimuler le ANT de manière adéquate pour obtenir un effet sur les crises, il faut comprendre de quelle façon il est impliqué dans la MTLE. Un modèle animal fiable et représentatif de la pathologie de l’Homme est nécessaire pour répondre à ces questions. Dans la première partie de ce travail nous avons caractérisé un modèle de MTLE à la demande chez le primate non-humain (NHP). Nous avons montré chez 5 NHPs qu’une injection de pénicilline (PNC) dans l’hippocampe (HPC) entraînait la survenue de crises typiques pendant 4 à 5 heures. La cinétique d’apparition et d’extinction des évènements ictaux ne varient pas entre les animaux et entre les différentes expériences ; de plus, la fréquence des crises présente un plateau stable, ce qui permettrait d’agir pendant cette période afin de tester de nouvelles drogues ou thérapies. Une sclérose hippocampique accompagnée de remaniements cellulaires a également pu être observée dans l’HPC injecté. Dans une seconde partie, nous avons utilisé ce modèle de MTLE afin d’identifier la nature de l’implication du ANT (simple relais passif ou nœud au sein du circuit épileptique primaire). Pour ce faire, nous avons évalué les effets de la neuromodulation chimique et électrique du ANT sur l’activité ictale de l’HPC. Nous avons pu observer un changement de l’épilepsie suite à la neuromodulation chimique du ANT, et également une variation de l’activité électrique de base de l’HPC à une certaine fréquence donnée de stimulation du ANT. Il s’est ensuite avéré que cette fréquence de stimulation entraînait une amélioration significative du nombre de crises et du temps total passé en crise. Enfin, nous avons essayé d’identifier au travers de l’analyse de cohérence entre les activités enregistrées simultanément dans le ANT et l’HPC des biomarqueurs électrophysiologiques prédictifs d’une bonne efficacité de la DBS. Cette démarche pourrait ainsi apporter des pistes afin de proposer une stimulation plus intelligente et mieux adaptée à chaque patient. / It has been shown that the anterior nucleus of the thalamus (ANT) is involved in the mésio temporal lobe epilepsy (mTLE); but its role has not been described yet. This implication, in addition to its strategic position within the Papez circuit makes it a prime target for the deep brain stimulation (DBS). Many studies have then been led for twenty years in humans and animals, using many stimulation paradigms, and several conclusions, sometimes conflicting resulted. In order to stimulate the ANT in an adequate manner to obtain an effect on seizures, it is crucial to understand how the ANT is involved during mTLE. A reliable and representative animal model of the human pathology is needed to answer these questions. In the first part of this work, an on demand model of mTLE in the non-human primate (NHP) has been characterized. It has been shown in five NHPs that a penicillin (PNC) injection in the hippocampus (HPC) led to the occurrence of typical seizures during 4 to 5 hours. The onset and disappearance kinetic of ictal events doesn’t vary between animals and experiments; in addition, the seizure frequency presents a stable plateau which could be useful to test new drugs or therapies. A hippocampic sclerosis supported by cellular adjustments has also been observed in the injected HPC). In a second part, we used this model of mTLE in order to identify the involvement type of the ANT (common passive relay or node within the primary epileptic circuit). To do so, we evaluated the effects of chemical and electrical neuromodulation of the ANT on the HPC ictal activity. We observed variation of the HPC baseline electric activity at a specific stimulation frequency of the ANT. Then we found out that this stimulation frequency led to a significate improvement of the number of seizures and of the total time spent in seizure. Then, we tried to identify using coherence analysis between activities recorded in the ANT and the HPC some electrophysiological biomarkers to prevent a good efficacy of the DBS. This approach could then lead to solutions which could offer a smarter and better suited stimulation to the patients.

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.

Le trouble obsessionnel-compulsif (TOC) est un trouble anxieux fréquent et invalidant. Pour un grand nombre de patients, il existe une résistance aux thérapeutiques actuellement disponibles, soulignant toute l'importance de mieux préciser la physiopathologie du TOC. Le principal objectif de cette thèse est d’étudier les altérations anatomiques et fonctionnelles des voies thalamo-corticales intéressant le cortex orbitofrontal (COF) et le cortex cingulaire antérieur (CCA) dans le TOC. Pour cela, nous avons utilisé plusieurs outils complémentaires permettant d’appréhender cette problématique sous différents angles méthodologiques.Concernant les altérations anatomiques associées au TOC, nous avons rapporté les données de méta-analyses des études de neuro-imagerie volumétrique et morphométrique ainsi que les résultats d'une étude originale d'imagerie volumétrique. Une diminution du volume orbitofrontal, une augmentation du volume thalamique et une relation entre ces modifications de volumes ont été observées chez les patients avec TOC comparativement aux témoins. Les modifications de densité de matière grise concernaient le COF et le putamen dans le sens d'une augmentation et les cortex pariétal et préfrontal dorsolatéral dans le sens d'une diminution dans le TOC.Concernant les altérations fonctionnelles associées au TOC, nous avons détaillé un travail de méta-analyse des études d'imagerie fonctionnelle, un travail expérimental chez le primate basé sur des manipulations pharmacologiques intra-cérébrales, puis un travail expérimental chez l'homme reposant sur le développement d'une tâche comportementale originale couplée à l'imagerie fonctionnelle. Dans notre méta-analyse, nous avons décrit la participation fonctionnelle de régions comme le COF, le thalamus et le striatum lorsque des symptômes obsessionnels et compulsifs étaient provoqués chez des patients. Chez le primate subhumain, nous avons montré qu'une hyperactivation du noyau ventral-antérieur, par levée de l'inhibition GABAergique, entraînait l'apparition de comportements pseudo-compulsifs. Ensuite, à l'aide d'une tâche originale qui mettait les sujets en situation de vérifier, nous avons mis en évidence que les dysfonctions orbitofrontales associées au doute lors de la prise de décision n'étaient pas modulées ni par les informations contextuelles (signaux d'erreur), ni par la réponse comportementale chez les patients avec TOC comparativement à des sujets témoins.Enfin, la superposition des cartes morphométriques et fonctionnelles a trouvé une relation entre les altérations anatomiques et fonctionnelles au sein du COF. Nos résultats soulignent toute l'importance des voies thalamo-orbitofrontales dans la physiopathologie du TOC. / Obsessive-compulsive disorder (OCD) is a frequent and disabling anxiety disorder. Available treatments are effective for most patients but impairing residual symptoms and treatment resistance are common in OCD patients. Therefore, a better understanding of OCD pathophysiology is essential for further improvement of therapeutic strategies. The main goal of my thesis was to assess the anatomical and funtional thalamocortical alterations associated with OCD. Concerning the anatomical thalamocortical alterations associated with OCD, we conducted two meta-analyses of anatomical neuroimaging studies and an original volumetric neuroimaging study. We reported a smaller thalamic volume and a greater orbitofrontal volume, but also an inverse relationship between the volume changes in OCD patients compared with healthy subjects. Furthermore, we showed that gray matter density within the orbitofrontal cortex and the putamen were enhanced in OCD. Concerning the functional thalamocortical alterations associated with OCD, we reported data coming from a meta-analysis of functional neuroimaging studies, an experimental study in subhuman primates using local brain pharmacological manipulations and an event-related neuroimaging study in OCD patients. In our meta-analysis, we showed that the orbitofrontal cortex, the thalamus and the striatum were involved in the mediation of OCD symptoms. In subhuman primates, the pharmacologically induced overactivity within the ventralanterior thalamic nucleus leaded to the emergence of compulsive-like behaviors. Then, in our neuroimaging study, we found that doubt-related orbitofrontal dysfunctions were not modulated by neither error signals nor compulsive-like behaviors in OCD patients, compared with healthy subjects. Finally, we described by using meta-analytic data that anatomical and functional brain alterations overlap with the lateral orbitofrontal cortex in OCD. In conclusion, our results suggest that the thalamo-orbitofrontal network may play a primary role in the genesis and mediation of OCD symptoms.

Subjects participating in magnetic resonance imaging (MRI) examinations regularly report anxiety and stress related reactions. This may result in impaired data quality and premature termination of scans. Moreover, cognitive functions and neural substrates can be altered by stress. While prior studies investigated pre–post scan differences in stress reactions only, the present study provides an in-depth analysis of mood changes and hormonal fluctuations during the time course of a typical fMRI session. Thirty-nine subjects participated in the study. Subjective mood, salivary alpha-amylase (sAA) and cortisol were assessed at six time points during the lab visit. Associations between hormonal data and neural correlates of a visual detection task were observed using a region of interest approach applied to the thalamic region. Mood and hormonal levels changed significantly during the experiment. Subjects were most nervous immediately after entering the scanner. SAA was significantly elevated after MRI preparation. A subgroup of n = 5 (12.8%) subjects showed pronounced cortisol responses exceeding 2.5 nmol/l. Preliminary fMRI data revealed an association between sAA levels and left thalamic activity during the first half of the experiment that disappeared during the second half. No significant correlation between cortisol and thalamic activity was observed. Results indicate that an fMRI experiment may elicit subjective and neuroendocrine stress reactions that can influence functional activation patterns.

Chaque jour, nous prenons des décisions impliquant de choisir les options qui nous semblent les plus avantageuses, en nous basant sur nos expériences passées. Toutefois, les mécanismes et les bases neurales de l’apprentissage par renforcement restent débattus. D’une part, certains travaux suggèrent l’existence de deux systèmes opposés impliquant des aires cérébrales corticales et sous-corticales distinctes lorsque l’on apprend par la carotte ou par le bâton. D’autres part, des études ont montré une ségrégation au sein même de ces régions cérébrales ou entre des neurones traitant l’apprentissage par récompenses et celui par évitement des punitions. Le but de cette thèse était d’étudier la dynamique cérébrale de l’apprentissage par renforcement chez l’homme. Pour ce faire, nous avons utilisé des enregistrements intracérébraux réalisés chez des patients épileptiques pharmaco-résistants pendant qu’ils réalisaient une tâche d’apprentissage probabiliste. Dans les deux premières études, nous avons d’investigué la dynamique de l’encodage des signaux de renforcement, et en particulier à celui des erreurs de prédiction des récompenses et des punitions. L’enregistrement de potentiels de champs locaux dans le cortex a mis en évidence le rôle central de l’activité à haute-fréquence gamma (50-150Hz). Les résultats suggèrent que le cortex préfrontal ventro-médian est impliqué dans l’encodage des erreurs de prédiction des récompenses alors que pour l’insula antérieure, le cortex préfrontal dorsolatéral sont impliqués dans l’encodage des erreurs de prédiction des punitions. De plus, l’activité neurale de l’insula antérieure permet de prédire la performance des patients lors de l’apprentissage. Ces résultats sont cohérents avec l’existence d’une dissociation au niveau cortical pour le traitement des renforcements appétitifs et aversifs lors de la prise de décision. La seconde étude a permis d’étudier l’implication de deux noyaux limbiques du thalamus au cours du même protocole cognitif. L’enregistrement de potentiels de champs locaux a mis en évidence le rôle des activités basse fréquence thêta dans la détection des renforcements, en particulier dans leur dimension aversive. Dans une troisième étude, nous avons testé l’influence du risque sur l’apprentissage par renforcement. Nous rapportons une aversion spécifique au risque lors de l’apprentissage par évitement des punitions ainsi qu’une diminution du temps de réaction lors de choix risqués permettant l’obtention de récompenses. Cela laisse supposer un comportement global tendant vers une aversion au risque lors de l’apprentissage par évitement des punitions et au contraire une attirance pour le risque lors de l’apprentissage par récompenses, suggérant que les mécanismes d’encodage du risque et de la valence pourraient être indépendants. L’amélioration de la compréhension des mécanismes cérébraux sous-tendant la prise de décision est importante, à la fois pour mieux comprendre les déficits motivationnels caractérisant plusieurs pathologies neuropsychiatriques, mais aussi pour mieux comprendre les biais décisionnels que nous pouvons exhiber. / We make decisions every waking day of our life. Facing our options, we tend to pick the most likely to get our expected outcome. Taking into account our past experiences and their outcome is mandatory to identify the best option. This cognitive process is called reinforcement learning. To date, the underlying neural mechanisms are debated. Despite a consensus on the role of dopaminergic neurons in reward processing, several hypotheses on the neural bases of reinforcement learning coexist: either two distinct opposite systems covering cortical and subcortical areas, or a segregation of neurons within brain regions to process reward-based and punishment-avoidance learning.This PhD work aimed to identify the brain dynamics of human reinforcement learning. To unravel the neural mechanisms involved, we used intracerebral recordings in refractory epileptic patients during a probabilistic learning task. In the first study, we used a computational model to tackle the brain dynamics of reinforcement signal encoding, especially the encoding of reward and punishment prediction errors. Local field potentials exhibited the central role of high frequency gamma activity (50-150Hz) in these encodings. We report a role of the ventromedial prefrontal cortex in reward prediction error encoding while the anterior insula and the dorsolateral prefrontal cortex encoded punishment prediction errors. In addition, the magnitude of the neural response in the insula predicted behavioral learning and trial-to-trial behavioral adaptations. These results are consistent with the existence of two distinct opposite cortical systems processing reward and punishments during reinforcement learning. In a second study, we recorded the neural activity of the anterior and dorsomedial nuclei of the thalamus during the same cognitive task. Local field potentials recordings highlighted the role of low frequency theta activity in punishment processing, supporting an implication of these nuclei during punishment-avoidance learning. In a third behavioral study, we investigated the influence of risk on reinforcement learning. We observed a risk-aversion during punishment-avoidance, affecting the performance, as well as a risk-seeking behavior during reward-seeking, revealed by an increased reaction time towards appetitive risky choices. Taken together, these results suggest we are risk-seeking when we have something to gain and risk-averse when we have something to lose, in contrast to the prediction of the prospect theory.Improving our common knowledge of the brain dynamics of human reinforcement learning could improve the understanding of cognitive deficits of neurological patients, but also the decision bias all human beings can exhibit.

L’activité électrique du cerveau lors de l’éveil est traditionnellement décrite comme rapide, microvoltée, et « désynchronisée ». De récents travaux chez les rongeurs ont montré que l’activité de l’éveil est plus complexe et varie notamment avec les contraintes comportementales. Chez la souris, il est possible d’enregistrer localement dans le cortex somatosensoriel primaire (S1) deux types d’activités associées aux comportements d’éveil calme et d’éveil « actif », lors de l’exploration de l’environnement par les moustaches. La première étude de cette thèse a permis de montrer que les activités corticales dans S1 lors des éveils calme et actif sont sous le contrôle principal du thalamus et, dans une moindre mesure, du système cholinergique. Pour ce faire, nous avons utilisé différentes méthodes : des enregistrements électrophysiologiques du thalamus et du cortex, l’activation optogénétique ou l’inactivation pharmacologique du thalamus. Au cours de la seconde étude, nous avons voulu savoir si le changement d’état d’éveil dans S1 s’observait dans d’autres structures. En réalisant des enregistrements multisites, nous montrons qu’il est possible d’observer ce changement d’état cortical suivant l’activité motrice de la souris en particulier dans les cortex sensori-moteurs (S1, sensoriel secondaire S2, moteur primaire M1), et de manière moins présente dans d’autres modalités sensorielles (auditif primaire Au1, visuel primaire V1), le pariétal associatif (PtA) ou l’hippocampe (dCA1). L’étude d’enregistrements multisites montre une hétérogénéité des activités corticales de l’éveil liée d’une part au comportement de l’animal, et d’autre part aux régions corticales considérées / The activity in the brain during wakefulness has been typically described as rapid, low amplitude and desynchronized. However, recent data on rodents support evidence for a more complex panel of activities depending on the behaviour. For instance, it has been shown in mice a state change in primary somatosensory cortex (S1) from quiet to active wakefulness while the animal is scanning the environment with its whiskers. In the first study, we show that this state change in S1 is under thalamic control and to a smaller extent a regulation by the cholinergic system. In order to study the underlying mechanism of the state change, we have recorded in S1 and the thalamus, and we have activated (optogenetic tools) or inactivated (with pharmacology) the thalamus. In the second part of this thesis work, we asked if the state change related to the behaviour was restricted to S1, or if it was also observed in other areas. We have done multiple recordings in several areas, and we show that it is possible to observe a state change related to muscular activity in sensori-motor areas (in S1, but also secondary sensory S2, and primary motor M1 cortex), and in a much less prominent extent in other sensory modalities (primary auditive Au1 and primary visual V1 cortex), in parietal associative cortex (PtA) and in hippocampus (dCA1). Thus, the multiple recordings in the secondary study show heterogeneity of cortical activities during wakefulness according to the behaviour and the cortical area recorded

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Subjects participating in magnetic resonance imaging (MRI) examinations regularly report anxiety and stress related reactions. This may result in impaired data quality and premature termination of scans. Moreover, cognitive functions and neural substrates can be altered by stress. While prior studies investigated pre–post scan differences in stress reactions only, the present study provides an in-depth analysis of mood changes and hormonal fluctuations during the time course of a typical fMRI session. Thirty-nine subjects participated in the study. Subjective mood, salivary alpha-amylase (sAA) and cortisol were assessed at six time points during the lab visit. Associations between hormonal data and neural correlates of a visual detection task were observed using a region of interest approach applied to the thalamic region. Mood and hormonal levels changed significantly during the experiment. Subjects were most nervous immediately after entering the scanner. SAA was significantly elevated after MRI preparation. A subgroup of n = 5 (12.8%) subjects showed pronounced cortisol responses exceeding 2.5 nmol/l. Preliminary fMRI data revealed an association between sAA levels and left thalamic activity during the first half of the experiment that disappeared during the second half. No significant correlation between cortisol and thalamic activity was observed. Results indicate that an fMRI experiment may elicit subjective and neuroendocrine stress reactions that can influence functional activation patterns.

The ability to read proficiently is key to social participation and an important premise for individual well-being and vocational success. Individuals with developmental dyslexia, a highly prevalent neurodevelopmental disorder affecting hundreds of millions of children and adults worldwide, face severe and persistent difficulties in attaining adequate reading levels. Despite years of extensive research efforts to elucidate the neurobiological origin of this disorder, its exact etiology remains unclear to date. In this context, most neuroimaging research on dyslexia in humans has focused on the cerebral cortex and has identified alterations in a distributed left-lateralized cortical language network. However, pioneering post-mortem human studies and animal models suggest that dyslexia might also be associated with alterations in subcortical sensory thalami and early sensory pathways. The largely cortico-centric view of dyslexia is due in part to considerable technical challenges in assessing the human sensory thalami non-invasively using conventional magnetic resonance imaging (MRI). As a result, the role that sensory thalami may play in dyslexia has been largely unaddressed. In this dissertation, I leveraged recent advances in high-field MRI to investigate the role of the human lateral geniculate nucleus (LGN) of the visual thalamus in adults with dyslexia in-vivo. In three multi-modal high-field MRI studies, I show that (i) dyslexia is associated with structural alterations in the direct V1-bypassing white matter pathway connecting the LGN with cortical motion-sensitive area V5/MT in the left hemisphere; (ii) the connectivity strength of which predicts a core symptom of the disorder, i.e., rapid naming ability. I further demonstrate that (iii) the two major functional subdivisions of the LGN can be distinguished non-invasively based on differences in tissue microstructure; and that (iv) adults with dyslexia show functional response alterations specifically in the magnocellular subdivision of the LGN. I also demonstrate that this subdivision deficit (v) is more pronounced in male than female dyslexics; and (vi) predicts rapid naming ability in male dyslexics only. The results of this doctoral thesis are the first to confirm previous post-mortem evidence of LGN alterations in dyslexia in-vivo and point to their relevance to key symptoms of the disorder. In synergy, our research findings offer new perspectives on explanatory models of dyslexia and bear potential implications also for prospective treatment strategies.:Contribution Statement i Acknowledgments iii Abstract v Table of Contents vii 1 General Introduction 1 1.1 Developmental Dyslexia 1 1.1.1 Diagnostic Criteria 1 1.1.2 Prevalence and Etiology 2 1.1.3 Cognitive and Behavioral Symptoms 3 1.1.4 Explanatory Models in Cognitive Neuroscience 4 1.2 Lateral Geniculate Nucleus 7 1.2.1 Anatomy and Function 7 1.2.2 Technical Challenges in Conventional MRI 8 1.2.3 High-Field MRI 9 1.3 Research Aim and Chapter Outline 10 2 Altered Structural Connectivity of the Left Visual Thalamus in Developmental Dyslexia 13 2.1 Summary 14 2.2 Results and Discussion 15 2.3 Conclusions 22 2.4 Materials and Methods 23 2.4.1 Subject Details 23 2.4.2 High-Resolution MRI Acquisition and Preprocessing 23 2.4.3 Lateral Geniculate Nucleus Definition 24 2.4.4 Cortical Region of Interest Definition 26 2.4.5 Probabilistic Tractography 27 2.4.6 Quantification and Statistical Analysis 29 2.5 Supplementary Information 30 3 Mapping the Human Lateral Geniculate Nucleus and its Cytoarchitectonic Subdivisions Using Quantitative MRI 33 3.1 Abstract 34 3.2 Introduction 35 3.3 Materials and Methods 37 3.3.1 In-Vivo MRI 37 3.3.2 Post-Mortem MRI and Histology 41 3.4 Results 44 3.4.1 Lateral Geniculate Nucleus Subdivisions in In-Vivo MRI 44 3.4.2 Lateral Geniculate Nucleus Subdivisions in Post-Mortem MRI 46 3.5 Discussion 50 3.6 Supplementary Information 54 3.6.1 In-Vivo MRI 54 3.6.2 Post-Mortem MRI and Histology 58 3.6.3 Data and Code Availability 60 4 Dysfunction of the Visual Sensory Thalamus in Developmental Dyslexia 61 4.1 Abstract 62 4.2 Introduction 63 4.3 Materials and Methods 66 4.3.1 Subject Details 66 4.3.2 High-Resolution MRI Experiments 66 4.3.3 High-Resolution MRI Acquisition and Preprocessing 67 4.3.4 Lateral Geniculate Nucleus Definition 68 4.3.5 Quantification and Statistical Analysis 69 4.4 Results 70 4.5 Discussion 75 4.6 Supplementary Information 77 4.6.1 Supporting Methods 77 4.6.2 Supporting Results 81 4.6.3 Data and Code Availability 82 5 General Conclusion 83 5.1 Summary of Research Findings 83 5.2 Implications for Dyslexia Models 84 5.2.1 Phonological Deficit Hypothesis 84 5.2.2 Magnocellular Theory 84 5.2.3 Model According to Ramus 85 5.2.4 Need for Revised Model 86 5.3 Implications for Remediation 87 5.4 Research Prospects 88 5.5 Brief Concluding Remarks 90 6 Bibliography 91 7 List of Tables 113 8 List of Figures 115 9 Selbstständigkeitserklärung 117