Cholinergic enhancement of perceptual learning : behavioral, physiological, and neuro-pharmacological study in the rat primary visual cortex

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive.

Suivi à long terme de l’efficacité d’un traitement de physiothérapie sur l'incontinence urinaire d'effort persistante en période postnatale

L’incontinence urinaire d’effort (IUE) est une condition fréquente en période postnatale pouvant affecter jusqu’à 77% des femmes. Neuf femmes sur dix souffrant d’IUE trois mois après l’accouchement, vont présenter une IUE cinq ans plus tard. Le traitement en physiothérapie de l’IUE par le biais d’un programme d’exercices de renforcement des muscles du plancher pelvien est reconnu comme étant un traitement de première ligne efficace. Les études ont prouvé l’efficacité de cette approche sur l’IUE persistante à court terme, mais les résultats de deux ECR à long terme n’ont pas démontré un maintien de l’effet de traitement. L’effet d’un programme en physiothérapie de renforcement du plancher pelvien intensif et étroitement supervisé sur l’IUE postnatale persistante avait été évalué lors d’un essai clinique randomisé il y a sept ans. Le but principal de la présente étude était d’évaluer l’effet de ce programme sept ans après la fin des interventions de l’ECR initial. Un objectif secondaire était de comparer l’effet de traitement à long terme entre un groupe ayant fait seulement des exercices de renforcement du plancher pelvien et un groupe ayant fait des exercices de renforcement du plancher pelvien et des abdominaux profonds. Un troisième objectif était d’explorer l’influence de quatre facteurs de risques sur les symptômes d’IUE et la qualité de vie à long terme. Les cinquante-sept femmes ayant complétées l’ECR initial ont été invitées à participer à l’évaluation du suivi sept ans. Vingt et une femmes ont participé à l’évaluation clinique et ont répondu à quatre questionnaires, tandis que dix femmes ont répondu aux questionnaires seulement. L’évaluation clinique incluait un pad test et la dynamométrie du plancher pelvien. La mesure d’effet primaire était un pad test modifié de 20 minutes. Les mesures d’effets secondaires étaient la dynamométrie du plancher pelvien, les symptômes d’IUE mesuré par le questionnaire Urogenital Distress Inventory, la qualité de vie mesurée par le questionnaire Incontinence Impact Questionnaire et la perception de la sévérité de l’IUE mesuré par l’Échelle Visuelle Analogue. De plus, un questionnaire portant sur quatre facteurs de risques soit, la présence de grossesses subséquentes, la v présence de constipation chronique, l’indice de masse corporel et la fréquence des exercices de renforcement du plancher pelvien de l’IUE, venait compléter l’évaluation. Quarante-huit pour-cent (10/21) des participantes étaient continentes selon de pad test. La moyenne d’amélioration entre le résultat pré-traitement et le suivi sept ans était de 26,9 g. (écart-type = 68,0 g.). Il n’y avait pas de différence significative des paramètres musculaires du plancher pelvien entre le pré-traitement, le post-traitement et le suivi sept ans. Les scores du IIQ et du VAS étaient significativement plus bas à sept ans qu’en prétraitement (IIQ : 23,4 vs 15,6, p = 0,007) et (VAS : 6,7 vs 5,1, p = 0,001). Les scores du UDI étaient plus élevés au suivi sept ans (15,6) qu’en pré-traitement (11,3, p = 0,041) et en post-traitement (5,7, p = 0,00). La poursuite des exercices de renforcement du plancher pelvien à domicile était associée à une diminution de 5,7 g. (p = 0,051) des fuites d’urine observées au pad test selon une analyse de régression linéaire. Les limites de cette étude sont ; la taille réduite de l’échantillon et un biais relié au désir de traitement pour les femmes toujours incontinentes. Cependant, les résultats semblent démontrer que l’effet du traitement à long terme d’un programme de renforcement des muscles du plancher pelvien qui est intensif et étroitement supervisé, est maintenu chez environ une femme sur deux. Bien que les symptômes d’IUE tel que mesuré par les pad test et le questionnaire UDI, semblent réapparaître avec le temps, la qualité de vie, telle que mesurée par des questionnaires, est toujours meilleure après sept qu’à l’évaluation initiale. Puisque la poursuite des exercices de renforcement du plancher pelvien est associée à une diminution de la quantité de fuite d’urine au pad test, les participantes devraient être encouragées à poursuivre leurs exercices après la fin d’un programme supervisé. Pour des raisons de logistique la collecte de donnée de ce projet de recherche s’est continuée après la rédaction de ce mémoire. Les résultats finaux sont disponibles auprès de Chantale Dumoulin pht, PhD., professeure agrée à l’Université de Montréal.

Rôle de l’apport prénatal en acides gras oméga-3 sur le développement à long terme des fonctions visuelles chez les enfants Inuits

La consommation de poisson et de mammifères marins représente une source importante d’acides gras oméga-3 connus pour leurs effets bénéfiques sur le développement des fonctions cérébrales et notamment, sur le développement du système visuel. Afin de tester l’hypothèse selon laquelle l’exposition prénatale aux acides gras oméga-3 a des effets bénéfiques à long terme, nous avons examiné les fonctions visuelles chez des enfants Inuits d’âge scolaire exposés à de grandes quantités d’oméga-3 durant la période de gestation. Des enfants Inuits (n = 136; moyenne d’âge = 11.3 ans) du nord du Québec (Nunavik) ont participé à cette étude. Un protocole de potentiels évoqués visuels (PEVs) utilisant des stimuli en couleur et en mouvement a été employé afin d’appréhender les réponses parvo- et magnocellulaires respectivement. Les concentrations d’acide docosahexaénoïque (ADH) ont été mesurées à la naissance à partir du sang de cordon ombilical et au moment du testing, reflétant ainsi les expositions pré- et post-natales. Les relations entre les niveaux sanguins d’ADH et les PEVs ont été examinées à l’aide d’analyses de régression multiples, en tenant compte des contaminants environnementaux et d’autres variables potentiellement confondantes. Aucune association significative n’a été trouvée en ce qui concerne les stimuli de mouvement. Cependant, après ajustement pour les covariables, les concentrations d’ADH à la naissance étaient associées à une latence plus courte des composantes N1 et P1 des PEVs couleur. Notre étude démontre, pour la première fois, des effets bénéfiques de l’exposition prénatale à l’ADH sur le système parvocellulaire à l’âge scolaire.

Affective word priming in the left and right visual fields in young and older individuals

Alors que les hypothèses de valence et de dominance hémisphérique droite ont longtemps été utilisées afin d’expliquer les résultats de recherches portant sur le traitement émotionnel de stimuli verbaux et non-verbaux, la littérature sur le traitement de mots émotionnels est généralement en désaccord avec ces deux hypothèses et semble converger vers celle du décours temporel. Cette dernière hypothèse stipule que le décours temporal lors du traitement de certains aspects du système sémantique est plus lent pour l’hémisphère droit que pour l’hémisphère gauche. L’objectif de cette thèse est d’examiner la façon dont les mots émotionnels sont traités par les hémisphères cérébraux chez des individus jeunes et âgés. À cet effet, la première étude a pour objectif d’évaluer l’hypothèse du décours temporel en examinant les patrons d’activations relatif au traitement de mots émotionnels par les hémisphères gauche et droit en utilisant un paradigme d’amorçage sémantique et une tâche d’évaluation. En accord avec l’hypothèse du décours temporel, les résultats obtenus pour les hommes montrent que l’amorçage débute plus tôt dans l’hémisphère gauche et plus tard dans l’hémisphère droit. Par contre, les résultats obtenus pour les femmes sont plutôt en accord avec l’hypothèse de valence, car les mots à valence positive sont principalement amorcés dans l’hémisphère gauche, alors que les mots à valence négative sont principalement amorcés dans l’hémisphère droit. Puisque les femmes sont considérées plus « émotives » que les hommes, les résultats ainsi obtenus peuvent être la conséquence des effets de la tâche, qui exige une décision explicite au sujet de la cible. La deuxième étude a pour objectif d’examiner la possibilité que la préservation avec l’âge de l’habileté à traiter des mots émotionnels s’exprime par un phénomène compensatoire d’activations bilatérales fréquemment observées chez des individus âgés et maintenant un haut niveau de performance, ce qui est également connu sous le terme de phénomène HAROLD (Hemispheric Asymmetry Reduction in OLDer adults). En comparant les patrons d’amorçages de mots émotionnels auprès de jeunes adultes et d’adultes âgés performants à des niveaux élevés sur le plan comportemental, les résultats révèlent que l’amorçage se manifeste unilatéralement chez les jeunes participants et bilatéralement chez les participants âgés. Par ailleurs, l’amorçage se produit chez les participants âgés avec un léger délai, ce qui peut résulter d’une augmentation des seuils sensoriels chez les participants âgés, qui nécessiteraient alors davantage de temps pour encoder les stimuli et entamer l’activation à travers le réseau sémantique. Ainsi, la performance équivalente au niveau de la précision retrouvée chez les deux groupes de participants et l’amorçage bilatéral observé chez les participants âgés sont en accord avec l’hypothèse de compensation du phénomène HAROLD.

Modulation cholinergique à long terme des potentiels évoqués visuels dans le cortex visuel chez le rat

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

Visual information processing during conscious and non-conscious face perception

Les stimuli naturels projetés sur nos rétines nous fournissent de l’information visuelle riche. Cette information varie le long de propriétés de « bas niveau » telles que la luminance, le contraste, et les fréquences spatiales. Alors qu’une partie de cette information atteint notre conscience, une autre partie est traitée dans le cerveau sans que nous en soyons conscients. Les propriétés de l’information influençant l’activité cérébrale et le comportement de manière consciente versus non-consciente demeurent toutefois peu connues. Cette question a été examinée dans les deux derniers articles de la présente thèse, en exploitant les techniques psychophysiques développées dans les deux premiers articles. Le premier article présente la boîte à outils SHINE (spectrum, histogram, and intensity normalization and equalization), développée afin de permettre le contrôle des propriétés de bas niveau de l'image dans MATLAB. Le deuxième article décrit et valide la technique dite des bulles fréquentielles, qui a été utilisée tout au long des études de cette thèse pour révéler les fréquences spatiales utilisées dans diverses tâches de perception des visages. Cette technique offre les avantages d’une haute résolution au niveau des fréquences spatiales ainsi que d’un faible biais expérimental. Le troisième et le quatrième article portent sur le traitement des fréquences spatiales en fonction de la conscience. Dans le premier cas, la méthode des bulles fréquentielles a été utilisée avec l'amorçage par répétition masquée dans le but d’identifier les fréquences spatiales corrélées avec les réponses comportementales des observateurs lors de la perception du genre de visages présentés de façon consciente versus non-consciente. Les résultats montrent que les mêmes fréquences spatiales influencent de façon significative les temps de réponse dans les deux conditions de conscience, mais dans des sens opposés. Dans le dernier article, la méthode des bulles fréquentielles a été combinée à des enregistrements intracrâniens et au Continuous Flash Suppression (Tsuchiya & Koch, 2005), dans le but de cartographier les fréquences spatiales qui modulent l'activation de structures spécifiques du cerveau (l'insula et l'amygdale) lors de la perception consciente versus non-consciente des expressions faciales émotionnelles. Dans les deux régions, les résultats montrent que la perception non-consciente s'effectue plus rapidement et s’appuie davantage sur les basses fréquences spatiales que la perception consciente. La contribution de cette thèse est donc double. D’une part, des contributions méthodologiques à la recherche en perception visuelle sont apportées par l'introduction de la boîte à outils SHINE ainsi que de la technique des bulles fréquentielles. D’autre part, des indications sur les « corrélats de la conscience » sont fournies à l’aide de deux approches différentes.

Spectroscopie Raman de fibres électrofilées : développement de méthodes et application aux fibres individuelles

L’électrofilage est une technique de mise en œuvre efficace et versatile qui permet la production de fibres continues d’un diamètre typique de quelques centaines de nanomètres à partir de l’application d’un haut voltage sur une solution concentrée de polymères enchevêtrés. L’évaporation extrêmement rapide du solvant et les forces d’élongation impliquées dans la formation de ces fibres leur confèrent des propriétés hors du commun et très intéressantes pour plusieurs types d’applications, mais dont on commence seulement à effleurer la surface. À cause de leur petite taille, ces matériaux ont longtemps été étudiés uniquement sous forme d’amas de milliers de fibres avec les techniques conventionnelles telles que la spectroscopie infrarouge ou la diffraction des rayons X. Nos connaissances de leur comportement proviennent donc toujours de la convolution des propriétés de l’amas de fibres et des caractéristiques spécifiques de chacune des fibres qui le compose. Les études récentes à l’échelle de la fibre individuelle ont mis en lumière des comportements inhabituels, particulièrement l’augmentation exponentielle du module avec la réduction du diamètre. L’orientation et, de manière plus générale, la structure moléculaire des fibres sont susceptibles d’être à l'origine de ces propriétés, mais d’une manière encore incomprise. L’établissement de relations structure/propriétés claires et l’identification des paramètres qui les influencent représentent des défis d’importance capitale en vue de tirer profit des caractéristiques très particulières des fibres électrofilées. Pour ce faire, il est nécessaire de développer des méthodes plus accessibles et permettant des analyses structurales rapides et approfondies sur une grande quantité de fibres individuelles présentant une large gamme de diamètre. Dans cette thèse, la spectroscopie Raman confocale est utilisée pour l’étude des caractéristiques structurales, telles que l’orientation moléculaire, la cristallinité et le désenchevêtrement, de fibres électrofilées individuelles. En premier lieu, une nouvelle méthodologie de quantification de l’orientation moléculaire par spectroscopie Raman est développée théoriquement dans le but de réduire la complexité expérimentale de la mesure, d’étendre la gamme de matériaux pour lesquels ces analyses sont possibles et d’éliminer les risques d’erreurs par rapport à la méthode conventionnelle. La validité et la portée de cette nouvelle méthode, appelée MPD, est ensuite démontrée expérimentalement. Par la suite, une méthodologie efficace permettant l’étude de caractéristiques structurales à l’échelle de la fibre individuelle par spectroscopie Raman est présentée en utilisant le poly(éthylène téréphtalate) comme système modèle. Les limites de la technique sont exposées et des stratégies expérimentales pour les contourner sont mises de l’avant. Les résultats révèlent une grande variabilité de l'orientation et de la conformation d'une fibre à l'autre, alors que le taux de cristallinité demeure systématiquement faible, démontrant l'importance et la pertinence des études statistiques de fibres individuelles. La présence de chaînes montrant un degré d’enchevêtrement plus faible dans les fibres électrofilées que dans la masse est ensuite démontrée expérimentalement pour la première fois par spectroscopie infrarouge sur des amas de fibres de polystyrène. Les conditions d'électrofilage favorisant ce phénomène structural, qui est soupçonné d’influencer grandement les propriétés des fibres, sont identifiées. Finalement, l’ensemble des méthodologies développées sont appliquées sur des fibres individuelles de polystyrène pour l’étude approfondie de l’orientation et du désenchevêtrement sur une large gamme de diamètres et pour une grande quantité de fibres. Cette dernière étude permet l’établissement de la première relation structure/propriétés de ces matériaux, à l’échelle individuelle, en montrant clairement le lien entre l’orientation moléculaire, le désenchevêtrement et le module d'élasticité des fibres.