Dissertations / Theses on the topic 'Cortex somatosensoriel primaire du rat'

La douleur chronique, neuropathique ou inflammatoire, résulterait de changements durables synaptiques et neuronaux dans les voies de la douleur dont le cortex somatosensoriel primaire (S1). Utilisant des enregistrements électrophysiologiques ex vivo de neurones pyramidaux des couches 2/3 de S1, nous avons étudié la plasticité induite dans un modèle de douleur inflammatoire chronique de la face chez le rat (injection de CFA). Nous établissons d’abord la relation, dans les conditions normales, entre activité synaptique et (i) plasticité synaptique bidirectionnelle (long-term depression/potentiation ; LTD/LTP), (ii) changements dans la capacité d’exprimer une plasticité synaptique (métaplasticité), (iii) changements bidirectionnels de l’excitabilité neuronale intrinsèque (LTP/LTD-IE) ; soit les règles de plasticité synaptique et intrinsèque de ces neurones. Nous étudions alors ces plasticités chez des rats exprimant une allodynie mécanique faciale, 1 heure et 3 jours après l’injection de CFA. À 1 heure, l’allodynie mécanique est associée à (i) une LTP de la transmission synaptique excitatrice, combinée à (ii) une inhibition de l’induction de la LTP/facilitation de l’induction de la LTD (métaplasticité), consistants avec la LTP, (iii) une LTP-IE et (iv) une réduction de la complexité de l’arbre dendritique de ces neurones. À 3 jours, LTP and LTP-IE sont toujours présentes mais métaplasticité et complexité de l’arbre dendritique sont retournées à l’état basal
Chronic neuropathic or inflammatory pain is believed to result from long-lasting synaptic andneuronal changes in pain pathways, including the primary somatosensory cortex (S1) which codes for pain intensity and location. Using ex vivo electrophysiological recordings from S1 layer 2/3 pyramidal neurons, we investigated pain-induced plasticity in a rat model (CFA injection) of chronic facial inflammatory pain. We first establish the relation in basal conditions between synaptic activity and (i) bidirectionalsynaptic plasticity (long-term depression/potentiation; LTD/LTP), (ii) changes in the ability to express synaptic plasticity (metaplasticity), (iii) bidirectional changes in intrinsic neuronal excitability (LTP/LTD-IE); i.e. the rules for synaptic and intrinsic plasticity in S1 layer 2/3pyramidal neurons. We then investigated such plasticity processes in CFA-treated rats exhibiting facial mechanical allodynia, at 1 hour and 3 days post-injection. At 1-hour, mechanical allodynia is associated with (i) LTP of excitatory synaptic transmission, together with (ii) an inhibition to generate further LTP but a facilitation to generate LTD (metaplasticity), consistent with LTP of synaptictransmission, (iii) LTP-IE and (iv) reduced dendritic arbor complexity of S1 layer 2/3 pyramidal neurons. At 3 days, LTP and LTP-IE were still present but metaplasticity and dendritic arbor complexity had returned to control levels

Ce travail a permis d’introduire des systèmes de balayage acousto-optiques dans la microscopie multiphotonique. Le balayage point par point permet d’augmenter considérablement la résolution temporelle ou le rapport signal-sur-bruit. J’ai donc compensé les déformations spatio-temporelles par des systèmes de pré-compensation. Pour améliorer la transmission globale du système une nouvelle technique de compensation a été montrée. Ce système est ajustable en fonction de la longueur d’onde requise par le fluorophore et offre de grands champs de balayage. Ensuite, une étude de l’organisation fonctionnelle à l’échelle cellulaire du cortex somatosensoriel primaire des vibrisses dans le rat in vivo a été effectuée. A l’échelle d’un tonneau, l’organisation spatiale des neurones en fonction des préférences directionnelles a été étudiée. La microscopie bi-photonique a permis de montrer que dans les rats adultes, contrairement aux rats jeunes, une organisation somatotopique est bien présente.

Ll est maintenant acquis que les cartes corticales de représentation topographique ne sont pas figées chez l'adulte mais peuvent au contraire se réorganiser en réponse à une modification de l'expérience sensorielle. L'objectif de ce travail a été de caractériser la plasticité corticale induite par une privation sensorielle de 14 jours et d'aborder les mécanismes impliqués dans ce processus. Cette privation est obtenue par la suspension du train postérieur chez le rat. Dans ces conditions, les pieds ne sont plus en contact avec le sol et les récepteurs cutanés ne sont plus activés. Dans un premier temps, nous avons réalisé des enregistrementsélectrophysiologiques extracellulaires dans la couche IV dans l'aire de représentation somatotopique du pied du cortex somesthésique primaire (Sml). La privation sensorielle induit une réduction de la représentation corticale du pied et un élargissement des champs récepteurs cutanés. Ces changements sont réversiblesà, court terme: ± 6h). En outre, le seuil d'excitation des neurones est réduit et l'amplitude de la réponse à la stimulation cutanée est augmentée. Dans un second temps, nous avons étudié les mécanismes à l'origine de cette plasticité. Nous avons montré que: (1) la réorganisation des cartes corticales est soustendue par des mécanismes cholinergiques: l'application d'un antagoniste muscarinique empêche en effet la réorganisation corticale; (2) l'activité des interneurones GABAergiques est diminuée; et (3) les taux d'ARNm et de protéines de NGF sont accrus dans le Sml. Pour le BDNF, seuls les taux ARNm sont augmentés. Ces données soulignent une différence dans la régulation pré-'ou post-traductionnelle de ces neurotrophines. L'ensemble de ces données suggère qu'une modification de l'expérience sensorielle induit un déséquilibre entre influx excitateurs et inhibiteurs au niveau cortical, qui, en association avec une régulation des taux neurotrophiques, favorise l'expression de la plasticité corticale.

Nous avons étudié l’expression des Cxs et la communication jonctionnelle (CJ) entre les astrocytes dans une structure où l’organisation et l’activité neuronales sont compartimentées, le cortex somatosensoriel primaire de projection des vibrisses. Nous avons montré que l’organisation anatomo-fonctionnelle compartimentée dans la couche 4 du cortex des barils influence l’organisation fonctionnelle du réseau astrocytaire. En effet, la CJ est restreinte d’un baril à l’autre et est favorisée vers l’intérieur du baril. Ces résultats s’expliquent par l’existence de sous-populations astrocytaires aux propriétés de couplage différentes, dans les septa et dans les barils, mais également par l’expression des Cxs astrocytaires enrichie dans les barils par rapport aux septa. Toutes ces données suggèrent qu’il existe dans la couche 4 du cortex des barils des interactions entre les réseaux neuronaux et les réseaux gliaux. Et qu’ainsi le réseau astrocytaire pourrait contribuer au confinement de l’information provenant d’une vibrisse au sein d’un baril et à l’organisation en colonne du cortex des barils.

Les vibrisses du rat possèdent une carte d'identité dans SIBF ("les tonneaux"). Nous avons recherché cette somatotopie dans d'autres structures tactiles du cortex. Dans ce but, nous avons enregistré des potentiels de champ avec une grille d'électrodes posée sur le cortex et développé une méthode d'analyse pour chaque individu fournissant des informations peu accessibles par une analyse EEG classique basée sur les moyennes entre animaux. Notre approche permet d'obtenir pour chaque rat une cartographie grand champ (~5mm) avec une excellente résolution spatiale (~100µm). Nous avons analysé trois aires corticales peu connues : (1) nous confirmons la somatotopie des vibrisses dans SII; (2) nous montrons pour la première fois une telle organisation dans SII caudal une aire secondaire peu étudiée; (3) nous avons découvert l'existence, lors de stimulations bimodales (un clic sonore et une déflexion d'une vibrisse), d'une somatotopie des vibrisses dans MZ, une aire audio-somatosensorielle.

Les cartes sensorielles du cerveau sont les représentations isomorphiques des récepteurs sensoriels périphériques. Chaque moustache est représentée dans la couche IV du cortex somatosensoriel S1 par un module cytoarchitectural appelé "tonneau". Le facteur de transcription CDP/cux1 est exprimé sélectivement et abondamment dans la couche IV du S1. Je montre que dans le cortex S1 des souris invalidées spécifiquement pour l’homéodomaine (CDP/cux1deltaHD), les neurones épineux étoilés ne s’arrangent plus en tonneaux alors que la ségrégation des fibres thalamocorticales en bouquets est normale. J’indique que l’anomalie corticale n’est pas due à des altérations de la topographie au niveau du tronc cérébral et du thalamus, ni à une absence d’innervation des moustaches. J’ai prouvé que l’invalidation de CDP/cux1 n’induit pas d’anomalies de spécification, de migration et de différenciation des neurones de la couche IV. L’utilisation de la technique de marquage des dendrites de Golgi Cox met en évidence que l'invalidation de Cux1 conduit à une simplification drastique de la complexité morphologique de l'arborisation dendritique des neurones épineux étoilés.

Classiquement, les connexions entre vibrisses et tonneaux corticaux sont considérées comme des voies indépendantes. Cependant le rat génère des contacts multiples lors de l'exploration active. Les champs récepteurs (CR) corticaux sont très étendus, suggérant qu'une information multivibrissale converge sur chaque neurone. Afin d'étudier l'intégration de scènes tactiles dans le cortex, nous avons développé une matrice de 25 stimulateurs qui nous a permis d’étudier les CRs, leur dépendance à l’omission d’un stimulus prédictible et la sélectivité à la direction générale générée par la déflection séquentielle des vibrisses. Le cortex primaire réalise donc une analyse intégrée non-linéaire de l’information sensorielle. Certaines conditions d’activité engendrent une modification durable des CRs. Nous avons observé des modifications de réponse sensorielle dont le signe et l’intensité dépendent de l’ordre et de l’intervalle de temps entre la stimulation et l'activation post-synaptique du neurone enregistré, résultat compatible avec les règles de STDP pour lesquelles ce travail constitue la première validation dans le cortex somatosensoriel in vivo
Classically the connections between whiskers and cortical barrels are considered as independent ways. However, the rat generates complex patterns of contacts during active exploration. The cortical receptive fields (RF) are very large suggesting that multiwhisker information converge on each neuron. In order to study the integration of tactile scenes in the cortex, we have developed a matrix of 25 stimulators. We studied the RFs, their dependence to the omission of a predictable stimulus and the selectivity to global direction generated by sequential deflections of the whiskers. Then primary cortex performs an integrated and non-linear analysis of sensory information. Conditions of activity induce long-term modifications of the RFs. We observed modifications of the sensory response whose sign and intensity depended on the order and the time interval between the stimulations and the post-synaptic activation of the recorded neuron. This result is compatible with STDP rules for which this work is the first validation in the in vivo somatosensory cortex

La douleur neuropathique centrale est une séquelle fréquente après une atteinte du système nerveux centrale. L’impact négatif de ces douleurs sur la qualité de vie des patients ainsi que l’efficacité modérée (40% de répondeurs) des traitements de 1ère intention font de la recherche de thérapies alternatives un enjeu clinique majeur. Depuis plusieurs années, la technique de stimulation magnétique transcrânienne répétée (rTMS) est présentée comme un outil intéressant pour soulager ce type de douleur sans pour autant que son efficacité clinique n’ait été clairement démontrée. Ce travail de thèse s’attache donc à investiguer l’efficacité de la rTMS pour traiter les douleurs neuropathiques centrales. Nous avons dans un premier temps mis en évidence, dans une étude observationnelle, qu’un minimum de 4-5 séances sur deux mois de rTMS à 20HZ sur le cortex moteur primaire (M1) produit un soulagement de la douleur pouvant se maintenir même après une année de stimulation. Afin d’écarter un possible effet placebo, nous avons objectivé l’efficacité antalgique en répliquant ce protocole dans une étude clinique randomisée, contrôlée, en groupes croisés. Les résultats obtenus confirment ceux de l’étude observationnelle puisque que l’effet antalgique de la rTMS active était significativement supérieure à la stimulation placebo pour le critère principal (% de soulagement, +33%) ou l’intensité douloureuse (EVA, -19%), avec 47% de répondeurs. Pour les patients non-répondeurs à la stimulation de M1, nous avons également testé contre placebo, dans une étude randomisée, l’efficacité d’une cible alternative : le cortex somesthésique secondaire (S2). Aucun des patients n’a été soulagé par cette stimulation mais le faible effectif de cette étude ne nous permet pas de conclure définitivement à l’absence d’effet antalgique. Enfin, compte tenu de l’utilisation croissante de nouvelles cibles corticales plus profondes, nous avons à partir de l’enregistrement du champ-magnétique produit par la rTMS dans différents milieux (l’air et modèle ex-vivo), proposé un modèle de distribution de ce champ selon la profondeur de la cible et le type de sonde de stimulation utilisé. Pour conclure, ces travaux objectivent l’effet antalgique de 4 séances de rTMS à 20Hz de M1 sur les douleurs neuropathiques centrales, validant ainsi son utilisation lorsque les traitements de 1ère intention ont échoué. Les résultats obtenus par la stimulation de S2 ainsi que par la modélisation du champ magnétique doivent permettre à de futures études d’explorer de nouvelles cibles corticales pour les patients qui restent encore en échec de traitement
Central neuropathic pain is a common sequelae after central nervous system injury. Its negative consequences on the quality of life and the moderate efficacy (40% of responders) of first-line treatments make the search for alternative therapies a major clinical challenge. For several years, the technique of repeated transcranial magnetic stimulation (rTMS) is presented as an interesting tool to relieve this sort of pain even though its clinical efficacy has not been clearly demonstrated. The aim of this thesis was to investigate the effectiveness of rTMS to relieve central neuropathic pain.We first demonstrated, in an observational study, that a minimum of 4-5 sessions over two months of rTMS at 20HZ on the primary motor cortex (M1) produces pain relief that can be maintained even after a year of stimulation. In order to rule out a possible placebo effect, we objectified the analgesic efficacy by replicating this protocol in a randomized, controlled, cross-over clinical study. The results obtained confirm those of the observational study since the analgesic effect of the active rTMS was significantly greater than the placebo stimulation for the main criterion (% of pain relief, +33%) or pain intensity (VAS, -19%), with 47% of responders. For patients who did not respond to M1 stimulation, we also tested the efficacy of an alternative target in a randomized study: the secondary somatosensory cortex (S2). None of the patients were relieved by this stimulation, but the small size of this study does not allow us to definitively conclude that there is no analgesic effect. Finally, given the increasing use of new deeper cortical targets in rTMS for pain treatment, we have from the recording of the magnetic field produced by the rTMS in different media (air and ex-vivo model), proposed a magnetic-field distribution model according to the depth of the target and the type of stimulation coils used.To conclude, this work objectify the analgesic effect of 4 rTMS sessions at 20 Hz of M1 to relieve central neuropathic pain, validating its use when first-line treatments have failed. The results obtained by S2 stimulation as well as magnetic field modeling should allow future studies to explore new cortical targets for patients who are still failing treatment

Plusieurs illusions tactiles suggèrent que la temporalité des stimulations cutanées dans une séquence modifie leur perception spatiale. S’ils sont assez proches dans l’espace, plus l’intervalle temporel entre deux stimuli est court, plus la distance perçue entre eux est courte. Lorsque les deux stimuli sont présentés simultanément, on observe une perception fusionnée, unique et centrée entre les positions réelles. Ainsi, le système de perception tactile semble utiliser le temps entre les stimuli pour estimer l’espace qui les sépare. Dans l’optique de comprendre comment cette règle perceptive est implémentée dans le système nerveux, nous avons étudié la représentation corticale des stimulations qui induisent ces illusions. Nous avons recherché les distorsions spatiales de la représentation somatotopique dans le cortex somesthésique primaire, à la suite de l’application séquentielle ou simultanée d’une paire de stimuli cutanés sur l’extrémité des phalanges distales de la patte antérieure chez le rat anesthésié. Avec des enregistrements électrophysiologiques et d’imagerie optique extrinsèque, nous avons mis en évidence un phénomène de fusion corticale des entrées sensorielles simultanées, avec un patron spatial d’activation unimodal, centré entre les représentations individuelles des doigts adjacents costimulés. Dans le cas de stimuli successifs, nous avons observé des modifications des réponses au deuxième stimulus dépendantes de l’intervalle inter stimuli. Cette intégration spatiotemporelle ne semble pas contribuer directement au raccourcissement des distances perçues, mais pourrait favoriser les erreurs de localisation constatées lors de la perception des illusions
Several tactile spatiotemporal illusions suggest that the timing of successive cutaneous stimulations modify the perception of their spatial location. If they are close enough in time and space, shorter inter-stimuli time intervals (ISI) lead to shorted perceived distances. To the extreme of this time-space relation, when the stimuli are simultaneous, subjects report the merged perception of a unique and centered point of stimulation. Therefore, the tactile perceptual system seems to use the time separating two stimuli to compute their spatial distance. To understand the implementation of this perceptual rule, one can investigate the neural representation of the stimuli that elicit the illusory percept, looking for spatial distortions and their underlying mechanisms. Studies based on the measure of the hemodynamic responses have shown such distortions of the somatotopic representations in the primary somatosensory cortex, for simultaneous and delayed stimulations. In order to enhance our understanding of the elementary phenomenon that underpins those spatial modifications of the sensory inputs, we investigated the cortical representation of pairs of simultaneous and delayed cutaneous stimuli in the S1 of anesthetized rats. Using electrophysiological recordings and extrinsic optical imaging, we revealed the cortical merging of inputs from simultaneous digits stimulation. When the stimuli were delayed, we observed ISI-dependent modulations of the responses to the second stimulus. This spatiotemporal integration, that didn’t seem to contribute directly to a distance contraction effect, could however favor the mislocalization observed in illusory perception

Lorsque les rongeurs explorent leur environnement, ils contactent activement les objets environnants avec leurs vibrisses qui sont ainsi défléchies selon des séquences spatiotemporelles complexes. Le système vibrissal est néanmoins capable d'extraire des informations pertinentes de ces stimulations pour générer un comportement tactile-dépendant. Une question se pose alors: Comment l’information multivibrissale globale est-elle encodée? La représentation corticale des vibrisses au sein du cortex somatosensoriel primaire (S1) du rongeur est dotée de structures anatomiquement remarquables, nommées "tonneaux", au niveau de la couche IV, qui sont organisées de la même manière que les vibrisses sur le museau de l’animal. A chaque "tonneau" correspond une colonne corticale, unité de traitement de l’information, qui reçoit en priorité les informations provenant la vibrisse principale (VP) correspondante. Des enregistrements extracellulaires réalisés dans notre équipe chez le rat ont révélé que les réponses des neurones du cortex S1 et du thalamus sont non seulement sensibles à la direction de déflection locale de leur VP, mais aussi à la direction d'un mouvement global de l’ensemble de leurs vibrisses. Afin de mieux comprendre la manière dont le réseau cortical traite ces scènes tactiles globales, nous avons construit un poste expérimental permettant d’enregistrer en temps réel l’activité du cortex S1 chez la souris par imagerie sensible au potentiel, tout en appliquant des stimuli tactiles complexes à l'aide d'une matrice de 24-stimulateurs vibrissaux. Nous avons de plus développé une méthode permettant d’aligner les données fonctionnelles ainsi obtenues par rapport la carte cytoarchitecturale du réseau cortical sous-jacent. Nous avons ainsi étudié premièrement la distribution spatiale de la sélectivité à la direction de déflection locale d’une vibrisse au niveau d’une colonne corticale. Les réponses aux différentes directions étaient localisées de manière légèrement distincte, autour du centre de la colonne, mais selon une organisation différente de celle précédemment décrite chez le rat. Nous avons montré par la suite que la sélectivité à la direction globale est spatialement organisée dans le cortex "en tonneaux" à l’échelle supra-colonnaire. Les colonnes correspondant aux vibrisses rostrales étant plus sélectives à la direction globale que les colonnes associées aux vibrisses caudales. En outre, les colonnes correspondant aux vibrisses dorsales répondent préférentiellement aux directions globales ventrales, tandis que les colonnes associées aux vibrisses ventrales répondent préférentiellement aux directions globales caudales. Enfin, les réponses induites par des directions globales caudo-ventrales étaient en moyenne les plus fortes pour toutes les colonnes. Nous avons montré que la répartition spatiale de la sélectivité à la direction globale peut être expliquée ni par la saillance prédominante de la position de départ de la séquence de stimulation multivibrissale (effet de bord), ni par la sommation linéaire des réponses aux déflections de quelques vibrisses. Les réponses aux stimulations globales de l'ensemble des vibrisses sont en effet fortement sous-linéaires, indépendamment de la direction de la stimulation. Brièvement, nous montrons ici que sortir de la vision classique du système vibrissal permet une meilleure compréhension de la façon dont les différentes caractéristiques des stimuli complexes sont traitées et de la manière dont les propriétés émergentes du cortex, comme la sélectivité à la direction globale, sont construites
While rodents explore their environment they actively contact surrounding objects with their array of whiskers, resulting in a complex pattern of multiwhisker deflections. Despite this complexity, the whisker system is able to extract relevant information from the spatiotemporal sequence of deflections to generate touch-dependent behavior. The question that arises is: How is global multiwhisker information encoded? Whiskers are mapped onto layer 4 of the primary somatosensory cortex (S1) as discrete units named “barrels”. Each barrel-related vertical column processes information coming primarily from its corresponding principal whisker (PW). Previous experiments in our lab done with extracellular recordings have revealed that neurons in the rat S1 and thalamus not only show a preferred direction for the local deflection of the PW but also for the direction of a global motion across the whisker pad. To further understand how the cortical network processes global tactile scenes, we built a set-up that enables to perform voltage sensitive dye imaging of the mouse barrel cortex while applying precise tactile stimuli using a 24-multi-whisker stimulator. We further developed a technical method to map the recorded functional data onto the cortical structure. We first studied whether local direction selectivity is spatially distributed within the barrel-related column. Responses to different directions were slightly segregated on space close to the barrel center, but the distribution differed from the one previously described in rat S1, namely a pinwheel-like structure. We then showed that global direction selectivity is spatially organized in the barrel cortex. Columns related to rostral whiskers were more selective to the global direction than columns related to caudal whiskers. Moreover, the columns related to dorsal whiskers preferred ventral global directions, while the columns related to ventral whiskers preferred caudal global directions. Overall the responses to the caudo-ventral global directions were the strongest in average for all the columns. We showed that the spatial distribution of the global direction selectivity can be explained neither by the high salience of the starting position of the deflections on the whiskerpad (a border effect), nor by the linear summation of the responses to deflections of several whiskers. Responses to the global motion of the whisker array are indeed highly sublinear independently of the direction of stimulation. In conclusion, we show here that stepping aside from the classical view of the whisker-to-barrel cortex system allows a better understanding of how different features of complex stimuli are processed and how the emergent properties of the cortex, like the global direction selectivity, are built-up

Cette étude explore les réponses évoquées, l'activité intrinsèque et spontanée de deux populations neuronales différentes dans la région du cerveau correspondant à la patte arrière des souris. Dans cet article, nous nous sommes concentrés sur un modèle murin du syndrome de l'X fragile (SXF), qui est la forme la plus commune de syndrome de retard mental héréditaire et une cause fréquente de troubles du spectre autistique (TSA). SXF est un trouble à gène unique (Fmr1), qui peut être modélisé de manière fiable par un modèle murin transgénique : la souris Fmr1-/y déficiente pour le gène codant Fmr1. L'hyperexcitabilité des réseaux néocorticaux et l'hypersensibilité aux stimuli sensoriels sont des caractéristiques importantes du SXF et des TSA.Ceci est directement lié à un changement du nombre de synapses locales, de canaux ioniques, de l'excitabilité membranaire et de la connectivité des circuits de cellules individuelles. Précédemment, nous avons identifié un défaut dans les canaux ioniques, comme pouvant contribuer à ces phénotypes. Nous avons testé cette hypothèse comme un mécanisme contribuant aux défauts de traitement sensoriel chez les souris Fmr1-/y. Le cortex somatosensoriel primaire de la souris (S1) traite différentes informations sensorielles et constitue la plus grande zone du néocortex, soulignant l'importance de la modalité sensorielle pour le comportement des rongeurs. Nos connaissances concernant le traitement de l'information dans S1 proviennent d'études du cortex en tonneaux lié aux moustaches, mais le traitement des entrées sensorielles des pattes postérieures est mal compris. Par l’utilisation de la technique d’enregistrement de cellule entière par patch clamp in vivo, nous avons classes les cellules en répondeurs supraliminaires (cellules qui répondaient aux stimulations de la patte arrière avec un potentiel d'action), les répondeurs subliminaires (les cellules qui répondaient sans déclencher un potentiel d'action) et les cellules non répondeuses qui ne présentaient aucune réponse. Puis, nous avons comparé les réponses évoquées sub et supraliminaires, les propriétés intrinsèques et l’activité spontanée des neurones pyramidaux de la couche 2/3 (L2/3) de la region S1 de la patte arrière (S1-HP) d’animaux anesthésiés sauvage (WT) et Fmr1-/y. Nous avons identifié des altérations de réponse spontanée, intrinsèque et évoquée chez les souris Fmr1-/y. L’application d’un ouvreur de canaux ioniques BKCa a restauré certaines de ces propriétés altérées chez les souris Fmr1-/y
This study explores the evoked responses, intrinsic and spontaneous activity of two different neuronal populations in the hind paw region of the primary somatosensory cortex (S1) of mice. Initially, we explored information processing in these neurons under normal physiological conditions, and subsequently in a mouse model of Fragile X Syndrome (FXS). FXS is the most common form of inherited mental retardation syndrome and a frequent cause of autism spectrum disorders (ASD). FXS is a single gene (Fmr1) disorder, which can be reliably modeled by a mutant mouse model, the Fmr1 knockout (Fmr1-/y) mouse. Hyperexcitability of neocortical networks and hypersensibility to sensory stimuli are prominent features of FXS and ASD. We previously established a strong causal link between a channelopathy, hyperexcitability of neurons in the primary sensory region of the neocortex and sensory hypersensitivity in this mouse model. In the current study, we extended these findings, by conducting a detailed exploration of the processing of tactile sensory information (evoked by hind paw stimulation) in the neocortex of these mice.Most of our knowledge regarding information processing in S1 comes from studies of the whisker-related barrel cortex (which processes tactile-related sensory information derived from the whiskers), yet the processing of sensory inputs from the hind-paws is poorly understood. Using in vivo whole-cell patch-clamp recordings, we classified the cells into suprathreshold responders (the cells which responded to the hind-paw stimulations with an action potential), subthreshold responders (the cells responded without eliciting an action potential) and non-responder cells (neurons which did not show any response). We then compared the evoked sub- and supra-threshold responses, intrinsic properties, and spontaneous activity of layer (L) 2/3 pyramidal neurons of the S1 hind-paw (S1-HP) region of anaesthetized wild type (WT) and Fmr1-/y mice. We identified spontaneous, intrinsic and evoked response alterations in Fmr1-/y mice. We probed possible mechanisms contributing to this sensory impairment in Fmr1-/y mice. Finally, we tested the possibility of correcting pathophysiological alterations in these neurons using specific pharmacological agents targeting the ion channel defects described previously by our team

L'objectif de cette thèse est d'utiliser MEMRI (manganese-enhanced magnetic resonance imaging) pour étudier le traitement d'odeurs signifiantes dans le cortex olfactif primaire de rats dans les conditions les plus proches de la perception naturelle. MEMRI est une méthode fondée sur la détection d'un agent de contraste fonctionnel et rémanent de l'activité neuronale, le manganèse, qui a prouvé son efficacité pour montrer le traitement différencié d'odeurs dans le bulbe olfactif chez l'animal vigile. Cependant, cette technique a été surtout utilisée pour tracer les voies neuronales, mais relativement peu pour explorer des fonctions sensorielles. C'est pourquoi nous avons conduit deux études visant l'une à définir les conditions d'application du manganèse et l'autre à optimiser le traitement des images MEMRI, avant d'aborder la question biologique proprement dite. S'appuyant sur ces développement méthodologiques, nous avons ensuite utilisé MEMRI pour étudier les variations du traitement d'odeurs signifiantes (odeurs de nourriture et de prédateur comparées à une situation de contrôle) dans le cortex olfactif primaire de rats. Nous avons montré que le traitement cérébral d'une odeur de prédateur est différent de celui de la situation de contrôle dans le cortex olfactif primaire. Nous avons confirmé ce résultat par immunomarquage Fos dans le cortex piriforme. Mis ensemble, les résultats de MEMRI et Fos suggèrent que le traitement cérébral d'une odeur peut varier en terme de taille de populations de neurone recrutés ainsi qu'en termes d'intensité de l'activation de ces neurones. Enfin, les résultats MEMRI montrent qu'un message olfactif crucial, pour la survie, est traité asymétriquement dans le cerveau. Les avancées méthodologiques et scientifiques qu'apporte cette thèse ouvrent la voie à une meilleure compréhension du traitement cérébral des odeurs.

La microglie désigne l'ensemble des macrophages résidents du système nerveux central (SNC). Longtemps considérées comme étant actives uniquement en conditions pathologiques, les cellules microgliales sont pourtant essentielles à l'activité physiologique du SNC. En particulier, pendant la formation du SNC, elles régulent apoptose et survie neuronales, et interagissent directement avec les synapses en les éliminant, en promouvant leur formation ou en régulant leur activité. Toutefois, les mécanismes microgliaux impliqués dans la mise en place et la maturation fonctionnelle des circuits corticaux pendant le développement ne sont pas intégralement élucidés. Afin de mieux comprendre le rôle de la microglie dans le développement cortical, nous avons utilisé le système des champs de tonneaux du cortex somatosensoriel de la souris, et combiné des manipulations in vivo avec des approches électrophysiologiques, optogénétique, pharmacologique et histologique sur tranches de cerveaux de souris génétiquement modifiées. Dans une première étude, nous nous sommes intéressés aux conséquences de l'arrivée de la microglie à proximité des zones de terminaison des fibres thalamiques (les centres des tonneaux) dans le cortex somatosensoriel au cours de la première semaine postnatale sur les propriétés fonctionnelles des synapses thalamocorticales et de l'inhibition disynaptique associée (inhibition antérograde ou feedforward). Nos résultats montrent qu'une déplétion de la microglie pendant la première semaine postnatale entraîne un retard de maturation fonctionnelle de la connexion thalamocorticale excitatrice monosynaptique et de l'inhibition feedforward disynaptique au niveau des cellules principales excitatrices de la couche 4 (CP) entre les 10ème et 12ème jours postnataux (P10-12). Nous avons ensuite testé si le facteur neurotrophique BDNF (brain-derived neurotrophic factor) pouvait être la molécule microgliale impliquée dans la maturation de ces synapses corticales en utilisant une approche transgénique (lignée CX3CR1+/CreERT2;BDNFlox/lox). Nos enregistrements indiquent que l'absence de BDNF microglial entraîne aussi un déficit de maturation fonctionnelle des connexions excitatrices monosynaptiques et inhibitrices disynaptiques thalamocorticales entre P10-12. Nous avons donc identifié un facteur microglial clé dans la maturation des synapses corticales, et nos enregistrements chez le jeune adulte suggèrent que la suppression de BDNF microglial pendant la première semaine postnatale altère la synapse thalamocorticale excitatrice sur le long terme. Dans une deuxième étude, nous avons examiné les conséquences de perturbations de la microglie au cours du développement embryonnaire sur la mise en place des réseaux corticaux. L'induction d'une activation immunitaire maternelle (MIA) par injection de lipopolysaccharide (LPS) bactérien ou la déplétion de la microglie aux stades embryonnaires modifie la répartition laminaire des interneurones inhibiteurs exprimant la parvalbumine (PV+) _cellules responsables de l'inhibition feedforward_ dans le cortex jusqu'à P20. Nos données fonctionnelles ont révélé que ces protocoles de MIA et de déplétion induisent une augmentation de l'inhibition périsomatique des CP à P20, ainsi qu'une exubérance horizontale de l'inhibition soutenue par les interneurones PV+. Cette inhibition exacerbée ne perdure pas et nos enregistrements chez l'adulte indiquent au contraire un affaiblissement des synapses inhibitrices entre les interneurones PV+ et les CP. Nous postulons donc que les cellules microgliales sont le chaînon manquant entre des stimulations immunitaires, telles qu'elles peuvent se produire durant une inflammation pendant la grossesse, et l'augmentation du risque de développer des pathologies neurodéveloppementales. Ainsi, nos résultats mettent en exergue le rôle crucial de la microglie dans le développement des réseaux neuronaux corticaux pendant la période périnatale
Microglial cells are a population of specialized macrophages residing in the CNS only. They have long been studied solely under pathological contexts and were thought to be active only upon homeostatic disturbance following a brain lesion. However, over the last decade, they have been increasingly recognized to be essential players in the physiological functioning of the CNS. Specifically, during the CNS formation, microglia has been shown to regulate apoptosis and neuronal survival. They are also able to directly interact with synapses, by eliminating supernumerary and inappropriate connections, by promoting synapse formation or by regulating their activity. However, mechanisms by which microglia influence wiring and functional maturation of cortical are not fully understood. To better assess the role of microglia in cortical development, we used the barrel field as a model of neuronal development and we combined in vivo manipulations together with electrophysiology, optogenetics, pharmacologic and histologic approaches on brain slices of genetically-engineered mice. We first explored the consequences of microglia entry near the terminals of thalamic afferents (center of the barrels) in the primary somatosensory cortex during the first postnatal week on functional properties of thalamocortical synapses and associated disynaptic feedforward inhibition. By selectively depleting microglia at early postnatal days by intracerebral injections of clodronate-encapsulated liposomes, we show that microglia absence during the first postnatal week delays the functional maturation of both monosynaptic thalamocortical synapse and feedforward inhibition of layer 4 principal cells of the barrel cortex (PC) up to the 10th and 12th postnatal days (P10-12). To identify the mechanism underlying this process, we used the CX3CR1+/CreERT2; BDNFlox/lox mouse line allowing the conditional deletion of microglial BDNF during the first postnatal week. Our recordings indicate that the absence of microglial BDNF, as well as early microglia depletion, leads to a deficit in the functional maturation of both monosynaptic excitatory and disynaptic inhibitory thalamocortical connexions between P10-12. We therefore identified a microglial key factor in the maturation of cortical synapses. Our recordings in the young adult suggest that early microglial BDNF deletion has a long-term effect on thalamocortical excitatory synapses. In a second study, we investigated the consequences of microglia dysfunction during embryonic development on cortical networks wiring. Maternal immune activation (MIA) triggered by bacterial lipopolysaccharide (LPS) injection modifies the laminar repartition of parvalbumin-expressing inhibitory interneurons (PV+), key actors in neuropsychiatric disease, in the cortex until P20. Our functional data revealed that these MIA and depletion protocols lead to an increase of layer 4 PC perisomatic inhibition at P20, as well as a horizontal exuberance of cortical inhibition supported by PV+ interneurons. This increased inhibition does not last within development as suggested by our recordings in the adult. On the opposite, it seems that MIA and early microglia depletion result in weaker inhibitory synapses at P60. To conclude, we postulate that microglial cells are the missing link between maternal immune challenge and à higher risk of having neurodevelopmental pathologies like autism or schizophrenia. Our results highlight the crucial role of microglial cells in neuronal network development during perinatal period

Les deux fonctions principales de la main sont la manipulation d’objet et l’exploration tactile. La détection du glissement, rapportée par les mécanorécepteurs de la peau glabre, est essentielle pour l’exécution de ces deux fonctions. Durant la manipulation d’objet, la détection rapide du micro-glissement (incipient slip) amène la main à augmenter la force de pince pour éviter que l’objet ne tombe. À l’opposé, le glissement est un aspect essentiel à l’exploration tactile puisqu’il favorise une plus grande acuité tactile. Pour ces deux actions, les forces normale et tangentielle exercées sur la peau permettent de décrire le glissement mais également ce qui arrive juste avant qu’il y ait glissement. Toutefois, on ignore comment ces forces contrôlées par le sujet pourraient être encodées au niveau cortical. C’est pourquoi nous avons enregistré l’activité unitaire des neurones du cortex somatosensoriel primaire (S1) durant l’exécution de deux tâches haptiques chez les primates. Dans la première tâche, deux singes devaient saisir une pastille de métal fixe et y exercer des forces de cisaillement sans glissement dans une de quatre directions orthogonales. Des 144 neurones enregistrés, 111 (77%) étaient modulés à la direction de la force de cisaillement. L’ensemble de ces vecteurs préférés s’étendait dans toutes les directions avec un arc variant de 50° à 170°. Plus de 21 de ces neurones (19%) étaient également modulés à l’intensité de la force de cisaillement. Bien que 66 neurones (59%) montraient clairement une réponse à adaptation lente et 45 autres (41%) une réponse à adaptation rapide, cette classification ne semblait pas expliquer la modulation à l’intensité et à la direction de la force de cisaillement. Ces résultats montrent que les neurones de S1 encodent simultanément la direction et l’intensité des forces même en l’absence de glissement. Dans la seconde tâche, deux singes ont parcouru différentes surfaces avec le bout des doigts à la recherche d’une cible tactile, sans feedback visuel. Durant l’exploration, les singes, comme les humains, contrôlaient les forces et la vitesse de leurs doigts dans une plage de valeurs réduite. Les surfaces à haut coefficient de friction offraient une plus grande résistance tangentielle à la peau et amenaient les singes à alléger la force de contact, normale à la peau. Par conséquent, la somme scalaire des composantes normale et tangentielle demeurait constante entre les surfaces. Ces observations démontrent que les singes contrôlent les forces normale et tangentielle qu’ils appliquent durant l’exploration tactile. Celles-ci sont également ajustées selon les propriétés de surfaces telles que la texture et la friction. Des 230 neurones enregistrés durant la tâche d’exploration tactile, 96 (42%) ont montré une fréquence de décharge instantanée reliée aux forces exercées par les doigts sur la surface. De ces neurones, 52 (54%) étaient modulés avec la force normale ou la force tangentielle bien que l’autre composante orthogonale avait peu ou pas d’influence sur la fréquence de décharge. Une autre sous-population de 44 (46%) neurones répondait au ratio entre la force normale et la force tangentielle indépendamment de l’intensité. Plus précisément, 29 (30%) neurones augmentaient et 15 (16%) autres diminuaient leur fréquence de décharge en relation avec ce ratio. Par ailleurs, environ la moitié de tous les neurones (112) étaient significativement modulés à la direction de la force tangentielle. De ces neurones, 59 (53%) répondaient à la fois à la direction et à l’intensité des forces. L’exploration de trois ou quatre différentes surfaces a permis d’évaluer l’impact du coefficient de friction sur la modulation de 102 neurones de S1. En fait, 17 (17%) neurones ont montré une augmentation de leur fréquence de décharge avec l’augmentation du coefficient de friction alors que 8 (8%) autres ont montré le comportement inverse. Par contre, 37 (36%) neurones présentaient une décharge maximale sur une surface en particulier, sans relation linéaire avec le coefficient de friction des surfaces. La classification d’adaptation rapide ou lente des neurones de S1 n’a pu être mise en relation avec la modulation aux forces et à la friction. Ces résultats montrent que la fréquence de décharge des neurones de S1 encode l’intensité des forces normale et tangentielle, le ratio entre les deux composantes et la direction du mouvement. Ces résultats montrent que le comportement d’une importante sous-population des neurones de S1 est déterminé par les forces normale et tangentielle sur la peau. La modulation aux forces présentée ici fait le pont entre les travaux évaluant les propriétés de surfaces telles que la rugosité et les études touchant à la manipulation d’objets. Ce système de référence s’applique en présence ou en absence de glissement entre la peau et la surface. Nos résultats quant à la modulation des neurones à adaptation rapide ou lente nous amènent à suggérer que cette classification découle de la manière que la peau est stimulée. Nous discuterons aussi de la possibilité que l’activité des neurones de S1 puisse inclure une composante motrice durant ces tâches sensorimotrices. Finalement, un nouveau cadre de référence tridimensionnel sera proposé pour décrire et rassembler, dans un même continuum, les différentes modulations aux forces normale et tangentielle observées dans S1 durant l’exploration tactile.
The two most important functions of the hand are object manipulation and tactile exploration. The detection of slip provided by specialized mechanoreceptors in the glabrous skin is essential for the execution of both these functions. During object manipulation, the early detection of incipient slip leads to a grip force increase in order to prevent dropping an object. Slip is also an important aspect of tactile exploration because it greatly increases the acuity of touch perception. In both actions, normal and tangential forces on the skin can describe slip itself but also what occurs just before slip. However, little is known about how these self-generated forces are encoded at the cortical level. To better understand this encoding, we recorded from single neurons in primary somatosensory cortex (S1) as monkeys executed two haptic tasks. In the first task, two monkeys grasped a stationary metal tab with a key grip and exerted shear forces, without slip, in one of four orthogonal directions. Of 144 recorded neurons, 111 (77%) had activity modulated with shear force directions. These preferred shear force vectors were distributed in every direction with tuning arcs varying from 50° to 170°. Also, more than 21 (19%) of these neurons had a firing rate correlated with shear force magnitude. Even if 66 (59%) modulated neurons showed clear slowly adapting response and 45 (41%) other neurons a rapidly adapting response, this classification failed to explain the modulation to force direction and magnitude. These results show that S1 neurons encode force direction and magnitude simultaneously even in the absence of slip. In the second task, two monkeys scanned different surfaces with the fingertips in search of a tactile target without visual feedback. During the exploration, the monkeys, like humans, carefully controlled the finger forces and speeds. High friction surfaces offered greater tangential shear force resistance to the skin that was associated with decrease of the normal contact forces. Furthermore, the scalar sum of the normal and tangential forces remained constant. These observations demonstrate that monkeys control the applied normal and tangential finger forces within a narrow range which is adjusted according to surface properties such as texture and friction. Of the 230 recorded neurons during tactile exploration, 96 (42%) showed instantaneous frequency changes in relation to finger forces. Of these, 52 (54%) were correlated with either the normal or tangential force magnitude with little or no influence from the other orthogonal force component. Another subset of 44 neurons (46%) responded to the ratio between normal and tangential forces regardless of magnitude. Namely, 29 neurons (30%) increased and 15 (16%) others decreased their discharge frequency related to this ratio, which corresponds to the coefficient of friction. Tangential force direction significantly modulated about half the recorded neurons (112). Of these, 59 (53%) responded to both direction and force magnitude. Of the 102 neurons recorded during exploration of three or more surfaces, 17 (17%) showed increased firing rate with increased surface friction and 8 (8%) presented the opposite behavior. However, 37 (36%) neurons seemed to discharge optimally for one of the surfaces without any linear relation to the surfaces’ coefficient of friction. The classification of rapidly and slowly adaptation for neuronal responses in S1 could not be associated with the modulation to forces or direction. These results show that the firing rates of S1 neurons reflect the tangential and normal force magnitude, the ratio of the two forces and the direction of finger movement. These results show that the activity of a significant subpopulation of S1 neurons is represented by normal and tangential forces on the skin. This force modulation uses a frame of reference that can be applied with or without slip. This aspect provides a link between investigations of the cortical representation of surface properties and studies on object manipulation. Our results regarding the distinction between rapidly and slowly adapting neurons leads us to suggest that this difference is a consequence of the manner in which the skin was stimulated. A potential motor component in the modulation of S1 neurons during these sensorimotor tasks is also discussed. Finally, a novel three-dimensional reference frame is proposed to describe, as a single continuum, the different modulations to forces observed in S1 during tactile exploration.

La stimulation électrique transcrânienne à courant direct (tDCS) est une technique non invasive de neuromodulation qui modifie l’excitabilité corticale via deux grosses électrodes de surface. Les effets dépendent de la polarité du courant, anodique = augmentation de l’excitabilité corticale et cathodique = diminution. Chez l’humain, il n’existe pas de consensus sur des effets de la tDCS appliquée au cortex somatosensoriel primaire (S1) sur la perception somesthésique. Nous avons étudié la perception vibrotactile (20 Hz, amplitudes variées) sur le majeur avant, pendant et après la tDCS appliquée au S1 controlatéral (anodale, a; cathodale, c; sham, s). Notre hypothèse « shift-gain » a prédit une diminution des seuils de détection et de discrimination pour la tDCS-a (déplacement vers la gauche de la courbe stimulus-réponse et une augmentation de sa pente). On attendait les effets opposés avec la tDCS-c, soit une augmentation des seuils (déplacement à droite et diminution de la pente). Chez la majorité des participants, des diminutions des seuils ont été observées pendant et immédiatement suivant la tDCS-a (1 mA, 20 min) en comparaison à la stimulation sham. Les effets n’étaient plus présents 30 min plus tard. Une diminution du seuil de discrimination a également été observée pendant, mais non après la tDCS-c (aucun effet pour détection). Nos résultats supportent notre hypothèse, uniquement pour la tDCS-a. Une suite logique serait d’étudier si des séances répétées de tDCS-a mènent à des améliorations durables sur la perception tactile. Ceci serait bénéfique pour la réadaptation sensorielle (ex. suite à un accident vasculaire cérébral).
Transcranial direct-current stimulation (tDCS) is a non-invasive neuromodulation technique which aims to modify cortical excitability using large surface-area electrodes. tDCS is thought to increase (anodal, a-tDCS) or decrease (cathodal, c-tDCS) cortical excitability. At present, there is no consensus as to whether tDCS to primary somatosensory cortex (S1) modifies somatosensory perception. This study examined vibrotactile perception (frequency, 20 Hz, various amplitude) on the middle finger before, during and after contralateral S1 tDCS (a-, c- and sham, s-). The experiments tested our shift-gain hypothesis which predicted that a-tDCS would decrease vibrotactile detection and discrimination thresholds (leftward shift of the stimulus-response function with increased gain/slope), while c-tDCS would increase thresholds (shift to right; decreased gain). The results showed that weak, a-tDCS (1 mA, 20 min), compared to sham, led to a reduction in both thresholds during the application of the stimulation in a majority of subjects. These effects persisted after the end of a-tDCS, but were absent 30 min later. Cathodal tDCS, vs sham, had no effect on detection thresholds; in contrast, there was a decrease in discrimination threshold during but not after c-tDCS. The results thus supported our hypothesis, but only for anodal stimulation. Our observation that enhanced vibrotactile perception outlasts, albeit briefly, the period of a-tDCS is encouraging. Future experiments should determine whether repeated sessions of a-tDCS can produce longer lasting improvements. If yes, clinical applications could be envisaged, e.g. to apply a-tDCS to S1 in conjunction with retraining of sensory function post-stroke.

Les neurones des couches superficielles du collicule supérieur et du cortex visuel primaire du rat adulte sont sensibles à de basses fréquences spatiales de haut contraste défilant à des vitesses élevées. Entre les jours post-nataux 27-30 et l’âge adulte, les fréquences temporelles optimales des neurones du cortex visuel primaire augmentent, tandis que leurs seuils de contraste diminuent. Cependant, les fréquences spatiales optimales, les valeurs de résolution spatiale et les bandes passantes spatiales de ces neurones sont, dès l’ouverture des paupières, similaires à celles observées chez le rat adulte. Ces profils de réponse neuronale suggèrent que les projections rétino-colliculaires et rétino-géniculo-corticales sont essentiellement issues de neurones ganglionnaires rétinofuges magnocellulaires et koniocellulaires. Les neurones du cortex visuel primaire du rat ayant subi des convulsions hyperthermiques présentent, dès l’ouverture des paupières, de basses fréquences spatiales optimales, de larges bandes passantes directionnelles et temporelles ainsi que des seuils de contraste élevés par rapport aux neurones du rat normal. À l’âge adulte, de basses fréquences temporelles optimales et de larges bandes passantes spatiales sont également observées chez le rat ayant subi des convulsions hyperthermiques. L’altération des profils de réponse des neurones du cortex visuel primaire du rat ayant subi de convulsions hyperthermiques suggère un déséquilibre entre les mécanismes neuronaux excitateurs et inhibiteurs de cette aire corticale. Ces résultats suggèrent également qu’un épisode unique de convulsions fébriles infantiles suffit à altérer le développement des propriétés spatio-temporelles des champs récepteurs des neurones du cortex visuel primaire.
Neurons in superficial layers of the rat superior colliculus and primary visual cortex are sensitive to highly contrasted low spatial frequencies drifting at fast speeds. Between post-natal days 27-30 and adulthood, the optimal temporal frequencies of neurons in the primary visual cortex increase, whereas their contrast thresholds decrease. However, the optimal spatial frequencies, spatial resolution values and spatial bandwidths of these neurons are, soon after eyelid opening, similar to those observed in the adult rat. These neuronal response profiles suggest that the retino-collicular and retino-geniculo-cortical projections are mainly innervated by magnocellular and koniocellular retinal ganglion cells. Neurons in the primary visual cortex of rats having experienced hyperthermic seizures are, soon after eyelid opening, sensitive to low optimal spatial frequencies and show broad directional and temporal bandwidths, as well as elevated contrast thresholds when compared to neurons of normal rats. At adulthood, low optimal temporal frequencies and broad spatial bandwidths are also observed in rats having experienced hyperthermic seizures. The alteration of response profiles of neurons in the primary visual cortex of rats having experienced hyperthermic seizures suggests an unbalance between excitatory and inhibitory mechanisms in this cortical structure. These results also suggest that a single episode of febrile seizures could be sufficient to impede the development of the spatio-temporal receptive field properties of neurons in the primary visual cortex.

David Katz a fait l’observation que le mouvement entre la peau et l’objet est aussi important pour le sens du toucher que la lumière l’est pour la vision. Un stimulus tactile déplacé sur la peau active toutes les afférences cutanées. Les signaux résultants sont très complexes, covariant avec différents facteurs dont la vitesse, mais aussi la texture, la forme et la force. Cette thèse explore la capacité des humains à estimer la vitesse et la rugosité de surfaces en mouvements. Les bases neuronales de la vitesse tactile sont aussi étudiées en effectuant des enregistrements unitaires dans le cortex somatosensoriel primaire (S1) du singe éveillé. Dans la première expérience, nous avons montré que les sujets peuvent estimer la vitesse tactile (gamme de vitesses, 30 à 105 mm/s) de surfaces déplacées sous le doigt, et ceci sans indice de durée. Mais la structure des surfaces était essentielle (difficulté à estimer la vitesse d’une surface lisse). Les caractéristiques physiques des surfaces avaient une influence sur l’intensité subjective de la vitesse. La surface plus rugueuse (8 mm d’espacement entre les points en relief) semblait se déplacer 15% plus lentement que les surfaces moins rugueuses (de 2 et 3 mm d’espacement), pour les surfaces périodiques et non périodiques (rangées de points vs disposition aléatoire). L’effet de la texture sur la vitesse peut être réduit en un continuum monotonique quand les estimés sont normalisés avec l’espacement et présentés en fonction de la fréquence temporelle (vitesse/espacement). L'absence de changement des estimés de vitesse entre les surfaces périodiques et non périodiques suggère que les estimés de rugosité devraient aussi être indépendants de la disposition des points. Dans la deuxième expérience, et tel que prévu, une équivalence perceptuelle entre les deux séries de surfaces est obtenue quand les estimés de la rugosité sont exprimés en fonction de l'espacement moyen entre les points en relief, dans le sens de l'exploration. La troisième expérience consistait à rechercher des neurones du S1 qui pourraient expliquer l’intensité subjective de la vitesse tactile. L’hypothèse est que les neurones impliqués devraient être sensibles à la vitesse tactile (40 à 105 mm/s) et à l’espacement des points (2 à 8 mm) mais être indépendants de leur disposition (périodique vs non périodique). De plus, il est attendu que la fonction neurométrique (fréquence de décharge/espacement en fonction de la fréquence temporelle) montre une augmentation monotonique. Une grande proportion des cellules était sensible à la vitesse (76/119), et 82% d’entres elles étaient aussi sensibles à la texture. La sensibilité à la vitesse a été observée dans les trois aires du S1 (3b, 1 et 2). La grande majorité de cellules sensibles à la vitesse, 94%, avait une relation monotonique entre leur décharge et la fréquence temporelle, tel qu’attendu, et ce surtout dans les aires 1 et 2. Ces neurones pourraient donc expliquer la capacité des sujets à estimer la vitesse tactile de surfaces texturées.
David Katz showed that movement between the skin and an object is as important for touch as light is to vision. Moving tactile stimuli activate all of the cutaneous afferents involved in discriminative touch. The resultant signals are complex, varying with multiple factors including speed and also texture, local shape, and force. This thesis explored the human ability to estimate the speed and roughness of moving tactile stimuli. The neuronal basis underlying tactile speed perception was investigated using single unit recordings from primary somatosensory cortex (S1) in awake monkeys. In the first psychophysical experiment, we showed that subjects (n=26) can scale tactile speed (range, 30-105 mm/s), and this, contrary to previous studies, in a situation in which the duration of each trial was constant across all speeds tested. Surface structure was, in contrast, essential since subjects had difficulty scaling the speed of a smooth surface. Moreover, the physical characteristics of the surfaces influenced tactile speed perception. The roughest surface (8 mm raised-dot spacing) seemed to move 15% slower than the smoother surfaces (2 and 3 mm spacing), and this independently of dot disposition (periodic: rectangular array of raised dots vs non periodic: random dots). The effects of surface texture on speed were reduced to a single continuum when the estimates were normalized by dot spacing and plotted as a function of temporal frequency (speed/dot spacing). The absence of any difference in speed scaling as a function of dot disposition (periodic vs non periodic) suggested that tactile roughness should also be independent of dot disposition. A second psychophysical experiment (n=15) confirmed our hypothesis, showing perceptual equivalence for the periodic and non periodic surfaces when these were matched for dot spacing in the direction of the scan. The third experiment investigated the neuronal mechanisms that underlie subjective tactile speed perception, by recording the responses of cutaneous neurones in the hand representation of S1 cortex to the displacement of textured surfaces under the finger tips of two awake rhesus monkeys. The hypothesis was that neurones implicated in tactile speed perception should be sensitive to tactile speed (similar range to that used in the human experiments) and dot spacing, but be independent of dot disposition (periodic vs non periodic). Furthermore, we predicted that the neurometric function (discharge frequency/dot spacing as a function of temporal frequency) would show a monotonic relation. A large proportion of S1 neurones were sensitive to speed (76/119); 82% of these were also sensitive to texture. Speed sensitivity was widely distributed across the three areas that comprise the cutaneous hand representation, areas 3b, 1, and 2. Of 94 neurons fully tested (periodic and nonperiodic surfaces), the large majority of speed-sensitive cells (60/64) showed a significant monotonic relation with temporal frequency for both surfaces when discharge frequency was normalized by dot spacing. The neurones with the strongest relation to temporal frequency were concentrated in caudal S1, areas 1 and 2, and likely contribute to the human ability to scale tactile speed.