Behavioral and electrophysiological study of spatial pattern discrimination in the rat

par Pauline Kerekes

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Valérie Ego-Stengel et de Daniel Shulz.

Soutenue le 26-09-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris) , en partenariat avec Unité de Neurosciences Information et Complexité [Gif sur Yvette] / UNIC (laboratoire) .

Le président du jury était Régis Lambert.

Le jury était composé de Ingrid Bureau.

Les rapporteurs étaient Tansu Celikel, Sylvain Crochet.

  • Titre traduit

    Comportement et étude électrophysiologique de discrimination du modèle spatial chez le rat


  • Résumé

    Le système vibrissal des rongeurs est un modèle très utilisé pour l'étude des processus comportementaux et neurobiologiques qui sous-tendent la perception tactile, en particulier pendant l'exploration de la forme d'un objet, sa localisation, ou la rugosité de sa surface. Le but de cette thèse a été d'explorer les stratégies sensori-motrices impliquées dans une tâche de discrimination tactile, ainsi que l'activité neuronale qui sous-tend ce processus.De façon similaire aux doigts humains scannant un objet, les rongeurs peuvent balayer activement des surfaces avec les vibrisses de leur museau (mouvement appelé «whisking»). En laboratoire, les rats discriminent des niveaux de rugosité en faisant du whisking. D'après leurs conditions de vie naturelles, nous avons fait l'hypothèse que ces animaux peuvent discriminer des motifs spatiaux sans whisking. Pour le démontrer, nous avons développé une nouvelle tâche de discrimination dans laquelle les rats contactent des stimuli en courant à haute vitesse dans un couloir, de sorte à ce qu'il n'y a pas assez de temps pour un cycle de whisking. Les rats ont appris à discriminer des barres verticales régulièrement espacées d'une surface sans barres. Les vibrisses et le cortex somatosensoriel primaire sont impliqués dans la discrimination. Les animaux ont été également capables de discriminer les barres régulières de barres irrégulières. Nous avons montré que les rats ne font pas de whisking sur les stimuli, et qu'ils orientent leurs vibrisses du côté du stimulus récompensé environ 60ms après premier contact (Kerekes et al., 2017). Ces résultats montrent que les rats peuvent discriminer des stimuli sans faire de whisking.Dans une deuxième partie, nous avons analysé les mouvements vibrissaux et réponses neuronales thalamo-corticales évoquées chez le rat anesthésié par le passage des stimuli utilisés pendant la tâche. Les résultats préliminaires révèlent des mouvements vibrissaux à haute accélération, encodés différemment par le cortex selon le type de stimulus (barres régulières ou irrégulières). Quatre rats ont été enregistrés pour cette étude: deux d'entre eux ont été entraînés à la tâche de discrimination, et les deux autres ont été entraînés à une tâche non-tactile sur le même labyrinthe. Grâce à ces expériences, nous allons rechercher les effets potentiels de l'apprentissage sur le traitement neuronal des informations tactiles. Le développement combiné de la tâche comportementale et des enregistrements neuronaux sur rat anesthésié et éveillé vont nous permettre d'explorer de nouvelles questions sur la discrimination tactile, tel que le codage de la régularité de motifs spatiaux, et la modulation de ce codage par l'apprentissage.


  • Résumé

    The rodent whisker system is a widely used model to study behavioral and neurobiological processes underlying tactile perception, in particular during the exploration of an object shape, localization or surface roughness. The general goal of this Ph.D. work was to explore the sensori-motor strategies involved in a tactile discrimination task, as well as the neuronal activity underlying such ability. Similarly to human fingertips scanning an object, rodents are able to sweep their whiskers against surfaces in a rhythmic fashion (a process called whisking) to analyze spatial details. In most laboratory tasks, rats discriminate spatial patterns by whisking on them successively. Based on the life of these animals in the wild, we hypothesized that rodents could discriminate spatial patterns without whisking. To demonstrate this, we developed a novel task inciting the rats to touch the stimuli by running past them at such high speed that the time needed to complete a whisking cycle is not available. Rats learned to discriminate a surface with a series of vertical bars regularly spaced from a smooth surface. Both whiskers and neural activity in the primary somatosensory cortex were involved during the discrimination process. Rats could also discriminate an irregular series from the regular one. We showed that rats do not whisk on the stimuli, and that they orient their whisker arrays towards the rewarded stimulus as soon as 60ms after the first possible contact (Kerekes et al., 2017). These results demonstrate that rats can discriminate stimuli without actively whisking. A second project of this Ph.D. work focused on the analysis of whisker deflections and thalamo-cortical neuronal responses evoked in the anesthetized rat by the stimuli passing on the whiskers mimicking the tactile condition during the task. Preliminary results show the presence of high-acceleration events occurring during whisker stimulation. These events evoked significant cortical responses, that differed according to the stimulus type (irregular or regular series). Four rats have been recorded for this study, two of them were trained on the discrimination task, and the two others were trained on a non-tactile task on the same maze. With this data, we plan to search for potential effects of learning on neuronal treatment of tactile inputs. Both the development of the novel discrimination task and of neuronal recordings in anesthetized and awake rats will allow to tackle new questions on tactile discrimination processes, such as how spatial regularity or irregularity are encoded and how this encoding can be modulated by learning.


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