Cortico-striatal interaction during motor control

Le striatum, principal noyau d'entrée des ganglions de la base, joue un rôle important dans l'acquisition et l'exécution des comportements adaptatifs. On estime que cette fonction provient, en partie, de la multitude de projections excitatrices que le striatum reçoit du neocortex. Pourtant, le mécanisme de transmission et de traitement de l'information du cortex vers le striatum est encore méconnu. Une théorie suggère que le transfert d'information entre deux groupes neuronaux pourraitêtre assuré par une activité oscillatoire coordonnée entre ces deux régions. Dans l'équipe, une nouvelle tâche comportementale a récemment été développée lors de laquelle des rats apprennent, par essai et erreur, une séquence motrice stéréotypée. Des enregistrements extracellulaires dans la région sensorimotrice du striatum suggèrent que cette région encode des informations sensorimotrices nécessaires à la réalisation de cette séquence. Ainsi, le but initial de cette thèse était d'étudier l'interaction supposée entre cortex et striatum sensorimoteur lors de l’exécution d'une séquence motrice apprise. Pour étudier l'activité des populations neuronales dans chacune de ces régions, nous avons enregistré les oscillations des potentiels de champs locaux, supposés refléter l'activité synaptique synchronisée des neurones proches des électrodes. En premier lieu, nous avons observé des oscillations importantes dans la bande de fréquence theta (6-10Hz) dans ces deux régions lorsque les rats sont en locomotion. Des oscillations theta avaient été précédemment enregistrées dans le striatum dorsal de rongeurs en comportement et certaines études ont estimé que ces oscillations reflètent bien l'activité de réseau du striatum. Nous avons examiné si, dans nos conditions expérimentales, les oscillations theta enregistrées dans le striatum sensorimoteur étaient générées localement ou étaient contaminées par une propagation passive depuis d'autres régions. A l'aide de méthodes d'analyse complémentaires (changement de référence, relations activité unitaire/LFP, coherence et causalité de Granger), plusieurs résultats ont été obtenus et, dans leur ensemble, contredisent l'hypothèse établie d'une génération locale de cette oscillation. Nous concluons que l'oscillation theta enregistrée dans le striatum sensorimoteur de rats effectuant notre tache motrice est massivement contaminée par conduction volumique. Nous proposons que les oscillations striatales ne sont pas un reflet de l'activité locale du réseau striatal et doivent être interprétées avec précaution.The striatum, the main input nucleus of the basal ganglia, is known to play an important role in the learning and expression of adaptive behaviors. Such general function is assumed to derive, in part, from the fact that this brain region receives massive and organized excitatory inputs from the entire neocortex. Yet, how behaviorally-relevant information is transferred and processed from the neocortex to the striatum is largely unknown. It has been proposed that information transferbetween two brain regions could be mediated via the coordinated oscillatory activity of ensemble of neurons. In the laboratory, a new task has been recently developed in which rats, running on a motorized treadmill, develop through trial-and-error a stereotyped adaptive running sequence. Recordings of the spiking activity in the sensorimotor region of striatum suggested that this brain region encodes task-relevant sensorimotor information. Thus, the original goal of this thesis was to investigate the possible interaction between sensorimotor cortex and striatum while rats performedthe learned running sequence. To capture the activity of ensemble of neurons in both regions, we recorded local field potentials (LFPs) oscillations, that are believed to reflect synchronized synaptic activity of local neuronal populations. First, we observed prominent LFP oscillations in the thetaband (6–10 Hz) in these two regions, while rats were running on the treadmill. Theta oscillations have been previously observed in dorsal striatal regions of rodents in different behavioral conditions and assumed to reflect local network activity. Still we examined if, in our experimental conditions, the theta LFP oscillation recorded from the sensorimotor striatum was locally generated or was volume-conducted from other distal brain areas. Using complementary spectral analysis methods (re-referencing, spike-LFP relationship, coherence and Granger causality analyses), several arguments were found against a striatal generation of the field. The most parsimonious interpretation of these results is that theta oscillations observed in striatal LFPs are largely contaminated by volume conducted signals. We propose that striatal LFPs are not optimal proxies of network dynamics in the striatum and should be interpreted with caution.i