The effect of lesion size on cortical reorganization in the ipsi and contralesional hemispheres.

Bien que la plasticité ipsilesionnelle suite à un accident vasculo-cérébral (AVC) soit bien établie, la réorganisation du cortex contralésionnel et son effet sur la récupération fonctionnelle restent toujours non élucidés. Les études publiées présentent des points de vue contradictoires sur le rôle du cortex contralésionnel dans la récupération fonctionnelle. La taille de lésion pourrait être le facteur déterminant la réorganisation de ce dernier. Le but principal de cette étude fut donc d’évaluer l’effet des AVC de tailles différentes dans la région caudal forelimb area (CFA) du rat sur la réorganisation physiologique et la récupération comportementale de la main. Suite à une période de récupération spontanée pendant laquelle la performance motrice des deux membres antérieurs fut observée, les cartes motrices bilatérales du CFA et du rostral forelimb area (RFA) furent obtenues. Nous avons trouvé que le volume de lésion était en corrélation avec le niveau de récupération comportementale et l’étendue de la réorganisation des RFA bilatéraux. Aussi, les rats ayant de grandes lésions avaient des plus grandes représentations de la main dans le RFA de l’hémisphère ipsilésionnel et un déficit de fonctionnement plus persistant de la main parétique. Dans l’hémisphère contralésionnel nous avons trouvé que les rats avec des plus grandes représentations de la main dans le RFA avaient des lésions plus grandes et une récupération incomplète de la main parétique. Nos résultats confirment l’effet du volume de lésion sur la réorganisation du cortex contralésionnel et soulignent que le RFA est l’aire motrice la plus influencée dans le cortex contralésionnel.

Cognitive impairment and cortical reorganization in children with benign epilepsy with centrotemporal spikes

Benign epilepsy with centrotemporal spikes (BECTS) is associated with mild cognitive deficits, especially language impairment. This study aimed to clarify whether children with BECTS with left- or right-hemispheric, or bilateral focus have specific neuropsychological language deficits when compared to healthy controls, whether these deficits correlate functionally with language network organization (typical vs. atypical), and whether cofactors such as duration, handedness, and medication have a relevant impact on language reorganization processes.

Cortical reorganization after brain damage: the oculomotor model

Recovery from eye movement deficits after cortical lesions is amazingly rapid and almost complete, which is in sharp contrast to most other neurological deficits of cerebral lesions. The underlying mechanisms of this successful recovery remain uncertain. We had the rare opportunity to examine two patients with recovery from saccade deficits after a lesion restricted to the frontal eye field (FEF) by means of transcranial magnetic stimulation (TMS). The results provide direct evidence that recovery depended on the integrity of the oculomotor regions of the nonlesioned contralesional hemisphere, and that the compensatory network is task-specific.

Rôles et régulation du PI(4,5)P2 dans le remodelage cortical et la morphogénèse cellulaire en mitose

Doctorat réalisé en cotutelle avec le laboratoire de François Payre au Centre de Biologie du Développement à Toulouse, France (Université de Toulouse III - Paul Sabatier)

Brain imaging of chronic pain

Acute pain has substantial survival value because of its protective function in the everyday environment. Instead, chronic pain lacks survival and adaptive function, causes great amount of individual suffering, and consumes the resources of the society due to the treatment costs and loss of production. The treatment of chronic pain has remained challenging because of inadequate understanding of mechanisms working at different levels of the nervous system in the development, modulation, and maintenance of chronic pain. Especially in unclear chronic pain conditions the treatment may be suboptimal because it can not be targeted to the underlying mechanisms. Noninvasive neuroimaging techniques have greatly contributed to our understanding of brain activity associated with pain in healthy individuals. Many previous studies, focusing on brain activations to acute experimental pain in healthy individuals, have consistently demonstrated a widely-distributed network of brain regions that participate in the processing of acute pain. The aim of the present thesis was to employ non-invasive brain imaging to better understand the brain mechanisms in patients suffering from chronic pain. In Study I, we used magnetoencephalography (MEG) to measure cortical responses to painful laser stimulation in healthy individuals for optimization of the stimulus parameters for patient studies. In Studies II and III, we monitored with MEG the cortical processing of touch and acute pain in patients with complex regional pain syndrome (CRPS). We found persisting plastic changes in the hand representation area of the primary somatosensory (SI) cortex, suggesting that chronic pain causes cortical reorganization. Responses in the posterior parietal cortex to both tactile and painful laser stimulation were attenuated, which could be associated with neglect-like symptoms of the patients. The primary motor cortex reactivity to acute pain was reduced in patients who had stronger spontaneous pain and weaker grip strength in the painful hand. The tight coupling between spontaneous pain and motor dysfunction supports the idea that motor rehabilitation is important in CRPS. In Studies IV and V we used MEG and functional magnetic resonance imaging (fMRI) to investigate the central processing of touch and acute pain in patients who suffered from recurrent herpes simplex virus infections and from chronic widespread pain in one side of the body. With MEG, we found plastic changes in the SI cortex, suggesting that many different types of chronic pain may be associated with similar cortical reorganization. With fMRI, we found functional and morphological changes in the central pain circuitry, as an indication of central contribution for the pain. These results show that chronic pain is associated with morphological and functional changes in the brain, and that such changes can be measured with functional imaging.

The roles of the somatosensory cortices in the perception of noxious and innocuous stimuli

Résumé Les premières études électrophysiologiques et anatomiques ont établi le rôle crucial du cortex somatosensoriel primaire et secondaire (SI et SII) dans le traitement de l'information somatosensorielle. Toutefois, les récentes avancées en techniques d’imagerie cérébrale ont mis en question leur rôle dans la perception somatosensorielle. La réorganisation du cortex somatosensoriel est un phénomène qui a été proposé comme cause de la douleur du membre fantôme chez les individus amputés. Comme la plupart des études se sont concentrées sur le rôle du SI, une étude plus approfondie est nécessaire. La présente série d'expériences implique une exploration du rôle des régions somatosensorielles dans la perception des stimuli douleureux et non-douleureux chez des volontaires sains et patients avec des douleurs de membre fantôme. La première étude expérimentale présentée dans le chapitre 3 est une méta-analyse des études de neuro-imagerie employant des stimuli nociceptifs chez des volontaires sains. En comparaison aux précédentes, la présente étude permet la génération de cartes quantitatives probabilistes permettant la localisation des régions activées en réponse à des stimuli nociceptifs. Le rôle du cortex somatosensoriel dans la perception consciente de stimuli chauds a été étudié dans le chapitre 4 grâce à une étude d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, dans laquelle des stimuli thermiques douloureux et non-douloureux ont été administrés de manière contrebalancée. Grâce à cette procédure, la perception de la chaleur fut atténuée par les stimuli douloureux, ce qui permit la comparaison des stimuli consciemment perçus avec ceux qui ne le furent pas. Les résultats ont montrés que les stimulations chaudes perçues ont engendré l’activation de l’aire SI controlatérale, ainsi que de la région SII. Grâce à l’évaluation clinique de patients amputés présentant une altération de leurs perceptions somatosensorielles, il est également possible de dessiner un aperçu des régions corticales qui sous-tendent ces modifications perceptuelles. Dans le chapitre 5 nous avons émis l'hypothèse proposant que les sensations du membre fantôme représentent un corrélat perceptuel de la réorganisation somatotopique des représentations sensorielles corticales. En effet, la réorganisation des sensations peut donner des indices sur les régions impliquées dans la genèse des sensations référées. Ainsi, un protocole d’évaluation sensoriel a été administré à un groupe de patients affligés de douleur au niveau du membre fantôme. Les résultats ont montré que, contrairement aux études précédentes, les sensations diffèrent grandement selon le type et l'intensité des stimuli tactiles, sans évidence de la présence d’un modèle spatialement localisé. Toutefois, les résultats actuels suggèrent que les régions corticales à champs récepteurs bilatéraux présentent également des modifications en réponse à une déafférentation. Ces études présentent une nouvelle image des régions corticales impliquées dans la perception des stimuli somatosensoriels, lesquelles comprennent les aires SI et SII, ainsi que l'insula. Les résultats sont pertinents à notre compréhension des corrélats neurologiques de la perception somatosensorielle consciente.

Réorganisation fonctionnelle et structurale des cortex auditifs, visuels et associatifs chez les sourds profonds congénitaux ou prélinguaux

En raison de l’utilisation d’un mode de communication totalement différent de celui des entendants, le langage des signes, et de l’absence quasi-totale d’afférences en provenance du système auditif, il y a de fortes chances que d’importantes modifications fonctionnelles et structurales s’effectuent dans le cerveau des individus sourds profonds. Les études antérieures suggèrent que cette réorganisation risque d’avoir des répercussions plus importantes sur les structures corticales situées le long de la voie visuelle dorsale qu’à l’intérieur de celles situées à l’intérieur de la voie ventrale. L’hypothèse proposée par Ungerleider et Mishkin (1982) quant à la présence de deux voies visuelles dans les régions occipitales, même si elle demeure largement acceptée dans la communauté scientifique, s’en trouve aussi relativement contestée. Une voie se projetant du cortex strié vers les régions pariétales postérieures, est impliquée dans la vision spatiale, et l’autre se projetant vers les régions du cortex temporal inférieur, est responsable de la reconnaissance de la forme. Goodale et Milner (1992) ont par la suite proposé que la voie dorsale, en plus de son implication dans le traitement de l’information visuo-spatiale, joue un rôle dans les ajustements sensori-moteurs nécessaires afin de guider les actions. Dans ce contexte, il est tout à fait plausible de considérer qu’un groupe de personne utilisant un langage sensori-moteur comme le langage des signes dans la vie de tous les jours, s’expose à une réorganisation cérébrale ciblant effectivement la voie dorsale. L’objectif de la première étude est d’explorer ces deux voies visuelles et plus particulièrement, la voie dorsale, chez des individus entendants par l’utilisation de deux stimuli de mouvement dont les caractéristiques physiques sont très similaires, mais qui évoquent un traitement relativement différent dans les régions corticales visuelles. Pour ce faire, un stimulus de forme définie par le mouvement et un stimulus de mouvement global ont été utilisés. Nos résultats indiquent que les voies dorsale et ventrale procèdent au traitement d’une forme définie par le mouvement, tandis que seule la voie dorsale est activée lors d’une tâche de mouvement global dont les caractéristiques psychophysiques sont relativement semblables. Nous avons utilisé, subséquemment, ces mêmes stimulations activant les voies dorsales et ventrales afin de vérifier quels pourraient être les différences fonctionnelles dans les régions visuelles et auditives chez des individus sourds profonds. Plusieurs études présentent la réorganisation corticale dans les régions visuelles et auditives en réponse à l’absence d’une modalité sensorielle. Cependant, l’implication spécifique des voies visuelles dorsale et ventrale demeure peu étudiée à ce jour, malgré plusieurs résultats proposant une implication plus importante de la voie dorsale dans la réorganisation visuelle chez les sourds. Suite à l’utilisation de l’imagerie cérébrale fonctionnelle pour investiguer ces questions, nos résultats ont été à l’encontre de cette hypothèse suggérant une réorganisation ciblant particulièrement la voie dorsale. Nos résultats indiquent plutôt une réorganisation non-spécifique au type de stimulation utilisé. En effet, le gyrus temporal supérieur est activé chez les sourds suite à la présentation de toutes nos stimulations visuelles, peu importe leur degré de complexité. Le groupe de participants sourds montre aussi une activation du cortex associatif postérieur, possiblement recruté pour traiter l’information visuelle en raison de l’absence de compétition en provenance des régions temporales auditives. Ces résultats ajoutent aux données déjà recueillies sur les modifications fonctionnelles qui peuvent survenir dans tout le cerveau des personnes sourdes, cependant les corrélats anatomiques de la surdité demeurent méconnus chez cette population. Une troisième étude se propose donc d’examiner les modifications structurales pouvant survenir dans le cerveau des personnes sourdes profondes congénitales ou prélinguales. Nos résultats montrent que plusieurs régions cérébrales semblent être différentes entre le groupe de participants sourds et celui des entendants. Nos analyses ont montré des augmentations de volume, allant jusqu’à 20%, dans les lobes frontaux, incluant l’aire de Broca et d’autres régions adjacentes impliqués dans le contrôle moteur et la production du langage. Les lobes temporaux semblent aussi présenter des différences morphométriques même si ces dernières ne sont pas significatives. Enfin, des différences de volume sont également recensées dans les parties du corps calleux contenant les axones permettant la communication entre les régions temporales et occipitales des deux hémisphères.

Réponse auditive oscillatoire chez le non-voyant : investigation par magnétoencéphalographie

Les personnes non-voyantes montrent dans les différents aspects de leurs vies qu’elles sont capables de s’adapter à la privation visuelle en utilisant les capacités intactes comme l’ouï ou le toucher. Elles montrent qu’elles peuvent bien évoluer dans leur environnement en absence de vision et démontrent même des fois des habiletés supérieures à celles des personnes voyantes. La recherche de ces dernières décennies s’est beaucoup intéressée aux capacités adaptatives des non-voyants surtout avec l’avènement des nouvelles techniques d’imagerie qui ont permis d’investiguer des domaines qui ne l’étaient pas ou l’étaient difficilement avant. Les capacités supérieures des non voyants dans l’utilisation plus efficace des informations auditives et tactiles semblent avoir leur base neuronale dans le dans le cortex visuel désafférenté, qui continu à être fonctionnel après la privation sensorielle et s’en trouve recruté pour le traitement de stimulations dites intermodales : auditives, tactiles et même montre une implication dans des processus de plus haut niveau, comme la mémoire ou le langage. Cette implication fonctionnelle intermodale résulte de la plasticité du cortex visuel c'est-à-dire sa capacité à changer sa structure, sa fonction et d’adapter ses interactions avec les autres systèmes en l’absence de vision. La plasticité corticale n’est pas exclusive au cortex visuel mais est un état permanent de tout le cerveau. Pour mesurer l’activité du cortex visuel des non voyants, une mesure d’excitabilité de ses neurones consiste à mesurer le temps de recouvrement de l’onde N1 en potentiels évoqués, qui est plus rapide chez les non voyants dans la modalité auditive. En effet, les réponses en potentiels et champs évoqués ont été utilisés en EEG/MEG pour mettre en évidence des changements plastiques dans le cortex visuel des non-voyants pour le traitement de stimuli dans les modalités auditives et tactiles. Ces réponses étaient localisées dans les régions postérieures chez les non voyants contrairement aux contrôles voyants. Un autre type de réponse auditive a reçu moins d’intérêt dans la recherche concernant la réorganisation fonctionnelle en relation avec la privation sensorielle, il s’agit de la réponse auditive oscillatoire (Auditory Steady-State Response ASSR). C’est une réponse qui a l’avantage d’osciller au rythme de stimulation et d’être caractérisé par une réponse des aires auditives étiquetée à la fréquence de stimulation. Cette étiquette se présente sous la forme qu’un pic d’énergie spectrale important qui culmine aux fréquences présentes dans la stimulation. Elle a également l’avantage d’être localisée dans les régions auditives primaires, de là tout changement de localisation de cette réponse chez des non voyants en faveur des régions visuelles pourrait être considéré comme une évidence de la réorganisation fonctionnelle qui s’opère après une privation sensorielle précoce. Le but de cette thèse est donc d’utiliser la réponse oscillatoire à l’écoute des sons modulés en amplitude (MA) pour mettre en évidence les corrélats de la réorganisation fonctionnelle dans le cortex visuel des non-voyants précoces. La modulation de la réponse auditive dans les régions visuelles nous permettra de montrer qu’une réorganisation est possible chez les non-voyants pour ce traitement intermodal. La première étude est une validation du paradigme expérimental «frequency tagged sounds». Il s’agit de montrer qu’une tâche de détection de changement dans la stimulation, permet de moduler la réponse ASSR aux sons modulés en amplitude en vue de l’utiliser dans les études chez les non voyants et dans les conditions d’une privation visuelle transitoire (avec les yeux bandés). Un groupe de sujets voyants ont réalisé une tâche de détection de changement dans la stimulation les yeux ouverts dans deux conditions : écoute active qui consiste à détecter un changement dans la fréquence porteuse de la modulation en appuyant avec l’index droit sur un bouton de réponse et une condition d’écoute passive. Les sons étaient présentés en écoute monaurale et dichotique. Les résultats ont montré une différence significative à l’occurrence du changement dans la stimulation en écoute dichotique seulement. Les schémas de plus grande réponse controlatérale et de suppression binaurale décrit dans la littérature ont été confirmés. La deuxième étude avait pour but de mettre en évidence une réorganisation rapide de la réponse ASSR chez un groupe de sujets voyants dans les conditions de privation visuelle transitoire de courte durée, par bandage des yeux pendant six heures. Le même protocole expérimental que la première étude a été utilisé en écoute active seulement. Les résultats montrent que dans ces conditions une modulation de la réponse corticale en écoute dichotique dans les régions visuelles est possible. Ces sources d’activité occipitale adoptent une propriété du cortex auditif qui est le battement binaural, c'est-à-dire l’oscillation de la réponse ASSR à la différence des fréquences présentées dans chaque oreille. Cet effet est présent chez la moitié des sujets testés. La représentation corticale des sources occipitales évolue durant la période de privation et montre un déplacement des sources d’activité dans la direction antéropostérieure à la fin de la période de privation. La troisième étude a permis de comparer le traitement de la réponse ASSR dans un groupe de non-voyants congénitaux à un groupe de voyants contrôles, pour investiguer les corrélats de la réorganisation fonctionnelle de cette réponse après une privation sensorielle de longue durée c'est-à-dire chez des non voyants congénitaux. Les résultats montrent des différences significatives dans la représentation spectrale de la réponse entre les deux groupes avec néanmoins des activations temporales importantes aussi bien chez les non voyants que chez les contrôles voyants. Des sources distribuées ont été localisées dans les régions associatives auditives dans les deux groupes à la différence des non voyants où il y avait en plus l’implication des régions temporales inférieures, connues comme étant activées par la vision des objets chez les voyants et font partie de la voie visuelle du quoi. Les résultats présentés dans le cadre de cette thèse vont dans le sens d’une réorganisation rapide de la réponse auditive oscillatoire après une privation visuelle transitoire de courte durée par l’implication des régions visuelles dans le traitement de la réponse ASSR par l’intermédiaire du démasquage de connections existantes entre le cortex visuel et le cortex auditif. La privation visuelle de longue durée, elle conduit à des changements plastiques, d’une part intra modaux par l’extension de l’activité aux régions temporales supérieures et médianes. D’autre part, elle induit des changements inter modaux par l’implication fonctionnelle des régions temporales inférieures visuelles dans le traitement des sons modulés en amplitude comme objets auditifs alors qu’elles sont normalement dédiées au traitement des objets visuels. Cette réorganisation passe probablement par les connections cortico-corticales.

The sense of the body in individuals with spinal cord injury

Increasing evidence suggests that the basic foundations of the self lie in the brain systems that represent the body. Specific sensorimotor stimulation has been shown to alter the bodily self. However, little is known about how disconnection of the brain from the body affects the phenomenological sense of the body and the self. Spinal cord injury (SCI) patients who exhibit massively reduced somatomotor processes below the lesion in the absence of brain damage are suitable for testing the influence of body signals on two important components of the self-the sense of disembodiment and body ownership. We recruited 30 SCI patients and 16 healthy participants, and evaluated the following parameters: (i) depersonalization symptoms, using the Cambridge Depersonalization Scale (CDS), and (ii) measures of body ownership, as quantified by the rubber hand illusion (RHI) paradigm. We found higher CDS scores in SCI patients, which show increased detachment from their body and internal bodily sensations and decreasing global body ownership with higher lesion level. The RHI paradigm reveals no alterations in the illusory ownership of the hand between SCI patients and controls. Yet, there was no typical proprioceptive drift in SCI patients with intact tactile sensation on the hand, which might be related to cortical reorganization in these patients. These results suggest that disconnection of somatomotor inputs to the brain due to spinal cord lesions resulted in a disturbed sense of an embodied self. Furthermore, plasticity-related cortical changes might influence the dynamics of the bodily self.

BRAIN ACTIVATION AND CONNECTIVITY IN NON-DISABLED MULTIPLE SCLEROSIS PATIENTS

Multiple sclerosis (MS) is the most common demyelinating disease affecting the central nervous system. There is no cure for MS and current therapies have limited efficacy. While the majority of individuals with MS develop significant clinical disability, a subset experiences a disease course with minimal impairment even in the presence of significant apparent tissue damage on magnetic resonance imaging (MRI). The current studies combined functional MRI and diffusion tensor imaging (DTI) to elucidate brain mechanisms associated with lack of clinical disability in patients with MS. Recent evidence has implicated cortical reorganization as a mechanism to limit the clinical manifestation of the disease. Functional MRI was used to test the hypothesis that non-disabled MS patients (Expanded Disability Status Scale ≤ 1.5) show increased recruitment of cognitive control regions (dorsolateral prefrontal and anterior cingulate cortex) while performing sensory, motor and cognitive tasks. Compared to matched healthy controls, patients increased activation of cognitive control brain regions when performing non-dominant hand movements and the 2-back working memory task. Using dynamic causal modeling, we tested whether increased cognitive control recruitment is associated with alterations in connectivity in the working memory functional network. Patients exhibited similar network connectivity to that of control subjects when performing working memory tasks. We subsequently investigated the integrity of major white matter tracts to assess structural connectivity and its relation to activation and functional integration of the cognitive control system. Patients showed substantial alterations in callosal, inferior and posterior white matter tracts and less pronounced involvement of the corticospinal tracts and superior longitudinal fasciculi (SLF). Decreased structural integrity within the right SLF in patients was associated with decreased performance, and decreased activation and connectivity of the cognitive control system when performing working memory tasks. These studies suggest that patient with MS without clinical disability increase cognitive control system recruitment across functional domains and rely on preserved functional and structural connectivity of brain regions associated with this network. Moreover, the current studies show the usefulness of combining brain activation data from functional MRI and structural connectivity data from DTI to improve our understanding of brain adaptation mechanisms to neurological disease.

A set of genes expressed in response to light in the adult cerebral cortex and regulated during development.

Activity-dependent plasticity is thought to underlie both formation of appropriate synaptic connections during development and reorganization of adult cortical topography. We have recently cloned many candidate plasticity-related genes (CPGs) induced by glutamate-receptor activation in the hippocampus. Screening the CPG pool for genes that may contribute to neocortical plasticity resulted in the identification of six genes that are induced in adult visual cortical areas in response to light. These genes are also naturally induced during postnatal cortical development. CPG induction by visual stimulation occurs primarily in neurons located in cortical layers II-III and VI and persists for at least 48 hr. Four of the visually responsive CPGs (cpg2, cpg15, cpg22, cpg29) are previously unreported genes, one of which (cpg2) predicts a "mini-dystrophin-like" structural protein. These results lend molecular genetic support to physiological and anatomical studies showing activity-dependent structural reorganization in adult cortex. In addition, these results provide candidate genes the function of which may underlie mechanisms of adult cortical reorganization.

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.

Topographic plasticity in primary visual cortex is mediated by local corticocortical connections

The placement of monocular laser lesions in the adult cat retina produces a lesion projection zone (LPZ) in primary visual cortex (V1) in which the majority of neurons have a normally located receptive field (RF) for stimulation of the intact eye and an ectopically located RF ( displaced to intact retina at the edge of the lesion) for stimulation of the lesioned eye. Animals that had such lesions for 14 - 85 d were studied under halothane and nitrous oxide anesthesia with conventional neurophysiological recording techniques and stimulation of moving light bars. Previous work suggested that a candidate source of input, which could account for the development of the ectopic RFs, was long-range horizontal connections within V1. The critical contribution of such input was examined by placing a pipette containing the neurotoxin kainic acid at a site in the normal V1 visual representation that overlapped with the ectopic RF recorded at a site within the LPZ. Continuation of well defined responses to stimulation of the intact eye served as a control against direct effects of the kainic acid at the LPZ recording site. In six of seven cases examined, kainic acid deactivation of neurons at the injection site blocked responsiveness to lesioned-eye stimulation at the ectopic RF for the LPZ recording site. We therefore conclude that long-range horizontal projections contribute to the dominant input underlying the capacity for retinal lesion-induced plasticity in V1.

Immediate and simultaneous sensory reorganization at cortical and subcortical levels of the somatosensory system

The occurrence of cortical plasticity during adulthood has been demonstrated using many experimental paradigms. Whether this phenomenon is generated exclusively by changes in intrinsic cortical circuitry, or whether it involves concomitant cortical and subcortical reorganization, remains controversial. Here, we addressed this issue by simultaneously recording the extracellular activity of up to 135 neurons in the primary somatosensory cortex, ventral posterior medial nucleus of the thalamus, and trigeminal brainstem complex of adult rats, before and after a reversible sensory deactivation was produced by subcutaneous injections of lidocaine. Following the onset of the deactivation, immediate and simultaneous sensory reorganization was observed at all levels of the somatosensory system. No statistical difference was observed when the overall spatial extent of the cortical (9.1 ± 1.2 whiskers, mean ± SE) and the thalamic (6.1 ± 1.6 whiskers) reorganization was compared. Likewise, no significant difference was found in the percentage of cortical (71.1 ± 5.2%) and thalamic (66.4 ± 10.7%) neurons exhibiting unmasked sensory responses. Although unmasked cortical responses occurred at significantly higher latencies (19.6 ± 0.3 ms, mean ± SE) than thalamic responses (13.1 ± 0.6 ms), variations in neuronal latency induced by the sensory deafferentation occurred as often in the thalamus as in the cortex. These data clearly demonstrate that peripheral sensory deafferentation triggers a system-wide reorganization, and strongly suggest that the spatiotemporal attributes of cortical plasticity are paralleled by subcortical reorganization.