Sensory information processing is a key process in the brain because it involves many sensory inputs. Some of them are relevant and should induce a motor or cognitive response. In addition, many irrelevant stimuli reach sensory pathway and should be ignored. Synaptic plasticity in the central nervous system is a general process that enhances or decreases sensory responses according to the temporal pattern of stimuli. My main aim is to study synaptic plas- ticity in the somatosensory pathway, mainly in the thalamo-cortical loop. Sensory information from rodent whiskers is sent from the whisker follicle to the contralateral area of the thalamus and from the thalamus to the barrel cortex (BC). In this Doctoral Thesis we performed extracel- lular in vivo recordings in the BC and thalamus of urethane anesthetized rats and mice in order to unravel the mechanisms of synaptic plasticity and sensory processing. We observed that repetitive stimulation at frequencies at which the animal explores the environment induced
long-term potentiation (LTP). In addition, low frequency stimulation could induce LTP or long-term depression (LTD) depending on the intracellular Ca2+ concentration during the stimulation time period. This long-term plasticity depended on NMDA receptors activation and the activation of muscarinic and nicotinic cholinergic receptors. Through an optogenetic study we showed that the basal forebrain (BF), the main source of acetylcholine (Ach) to the neocortex, sent its projections in an organized way. Consequently, the Ach-depending
facilitation of cortical responses occurs in a very specific manner. We also found that the postero-medial thalamic nucleus (POM) regulated BC whisker responses through GABAergic (γ-aminobutyric-acid: GABA) neurons located in upper cortical layers.
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Le traitement de l’information sensorielle est un processus clef dans le cerveau parce qu’il reçoit de nombreux inputs sensoriels. Certains d’entre eux sont pertinents et devraient provo- quer une réponse motrice ou sensorielle. La plasticité synaptique dans le système nerveux central est un processus général qui améliore ou réduit les réponses sensorielles selon le circuit temporel des stimuli. L’information sensorielle des vibrisses des rongeurs est envoyée depuis le follicule de la vibrisse jusqu’à la zone contralatérale du thalamus et du thalamus jusqu’au cortex somato-sensoriel (BC). Au cours de cette thèse de doctorat nous avons effectué des enregistrements extra-cellulaires in vivo dans le BC et le thalamus de rats et souris anesthésiés à l’uréthane afin de découvrir les mécanismes de la plasticité synaptique et du traitement sensoriel. Nous avons observé qu’une stimulation répétée à des fréquences auxquelles l’ani- mal explore son environnement provoquait une potentialisation à long terme (LTP). De plus, une stimulation à basse fréquence peut provoquer une LTP ou une dépression à long terme (LTD) selon la concentration intra-cellulaire de Ca2+ pendant la durée de la stimulation. Cette plasticité à long terme dépend de l’activation des récepteurs NMDA et de l’activation des récepteurs cholinergiques muscariniques et nicotiniques. Grâce à une étude optogénétique nous avons pu montrer que le prosencéphale basal (BF), la source principale d’acetylcholine (Ach) vers le cortex, envoyait ses projections de façon organisée. Par conséquent, la facilitation des réponses corticales dépendant de l’Ach se produit de manière très spécifique. Nous avons également découvert que le noyau thalamique postéro-médial (POM) régulait la vibrisse du BC grâce à des neurones GABAergiques situés dans les couches supérieures du cortex.
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El procesamiento de la información sensorial es un proceso clave en el cerebro ya que involu- cra varios inputs sensoriales. Algunos de ellos son relevantes e inducen respuestas motoras o cognitivas. Además, muchos estímulos irrelevantes alcanzan la via sensorial y deben ser descartados. La plasticidad sináptica en el sistema nervios central es un proceso que aumenta o deprime las respuestas sensoriales según un patrón temporal de estimulación. Mi objetivo principal es estudiar la plasticidad sináptica en la via somatosensorial principalmente en el circuito tálamo-cortex. La información sensorial de las vibrisas de los roedores viaja del folículo de estas a la zona contralateral del tálamo, y desde esta a la corteza de barriles (BC). En esta Tesis Doctoral hicimos registros extracelulares in vivo en la BC y el tálamo en ratas y ratones anestesiados con uretano con el objetivo de conocer los mecanismos de la plasti- cidad sináptica y el procesamiento sensorial en esta vía. Observamos que una estimulación repetitiva a las frecuencias a las cuales el animal explora su entorno, inducen potenciación a largo plazo (LTP). Además, la estimulación a baja frecuencia pudo inducir LTP o depresión a largo plazo (LTD) dependiendo del la concentración de Ca2+ intracellular durante el periodo de estimulación. Mediante un estudio de optogenética, observamos que el prosencefalo basal (BF), el núcleo que surte principalmente a la corteza de acetilcolina (Ach) manda proyecciones de forma organizada. Encontramos tambien que el núcleo posterior-medial del talamo (POM) regula la respuesta de la corteza de barriles a traves de las neuronas GABAérgicas de la capa I.