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

Abstract

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.

Sensory informations are computed in the cortex by networks of co-activated neurons forming functional ensembles. Visual processing in the cortex underlies several aspects of neuronal characteristics such as anatomical, electrophysiological and molecular. In the primary visual cortex, neurons display selectivity for stimulus features such as orientation, motion direction and spatial frequency. Each stimulus property elicits a maximal firing rate of specific neuronal populations. Visual neurons display transient modifications of their response properties following prolonged exposure to an appropriate stimulus using visual learning or visual adaptation to a non-preferred stimulus. The main objective of this thesis is to investigate the neuronal mechanisms underlying the visual processing during adaptation-induced plasticity in adult animals. These mechanisms are examined through different aspects: the neuronal connectivity, the neuronal selectivity, the electrical properties of neurons, and the effects of drugs (serotonin and fluoxetine). The tested model is the orientation columns of the primary visual cortex. The present thesis is divided into four main chapters. The first chapter (A) focuses on the cortical reorganization following visual adaptation. The second chapter (B) examines the neuronal connectivity using pair-wise correlations and populational correlations of neuronal activities. The third chapter (C) further relate the previous aspects, i.e. the adaptation effects and the functional connectivity to the properties of neurons (two classes: regular-spiking and

fast-spiking neurons). Finally, the fourth chapter (D) investigates the coupling of visual adaptation with the local administration of drugs (serotonin and fluoxetine). Methodology Using in vivo extracellular recordings of the neural activity in the primary visual cortex (V1) combined with intrinsic optical brain imaging, we record the spiking activity of neuronal populations and examine, from the multi-unit activity, the activity of individual neurons. The analysis of brain activity uses different algorithms: the electrophysiological distinctions between neurons are based on the trough-to-peak time of each spike (spike-width), the selectivity of neurons is based on the firing rate at different stimuli, and the functional connectivity uses a crosscorrelation computation. The usage of drugs is performed locally on the visual cortex (after craniotomy and removing of the dura). Results and conclusions In the first chapter, we demonstrate the ability of neurons to modify their selectivity to the presented stimuli following visual adaptation, exhibiting a well-organized reprogramming of the orientation columns; we attribute this result to a flexibility of functional units rather than rigid anatomical structures. Indeed, we observe an extensive restructuring of the complete orientation domain in order to refine the columnar organization where every stimulus is equally represented. This is further confirmed in the second chapter where in this case, the connectivity maps are investigated. In concordance with the previous results, the connectivity maps also exhibit restructuring but interestingly, neurons use a summative strategy to stabilize their total connectivity weights. These connectivity dynamics are examined in the third chapter in relation to electrophysiological properties of neurons. Indeed, two differently firing modes dissociate between two classes of neurons. Their distinct correlation dynamics point to the fact that they play different key roles in stimulus encoding within a neuronal population. Finally, in the last chapter, visual adaptation is coupled with the administration of serotonin and fluoxetine. Both drugs produce similar effects by facilitating the acquisition of the imposed stimulus. The non-preferred stimulus when adapted with the presence of the drug results in an increased firing rate of neurons at this particular stimulus. We present a neuronal model based on our findings to explain the fluctuations of firing with and without the drug. This thesis provides new insights into how visual neurons adapt to change their selectivity in the interplay between their plastic ability and their homeostatic dynamic.