Synaptic plasticity and sensory information processing through the thalamus and the cortex of the rodent barrel field

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. -- Le traitement de l’information sensorielle est un processus clef dans le cerveau parce qu’il recoit de nombreux inputs sensoriels. Certains d’entre eux sont pertinents et devraient provo- quer une reponse motrice ou sensorielle. La plasticite synaptique dans le systeme nerveux central est un processus general qui ameliore ou reduit les reponses sensorielles selon le circuit temporel des stimuli. L’information sensorielle des vibrisses des rongeurs est envoyee depuis le follicule de la vibrisse jusqu’a la zone contralaterale du thalamus et du thalamus jusqu’au cortex somato-sensoriel (BC). Au cours de cette these de doctorat nous avons effectue des enregistrements extra-cellulaires in vivo dans le BC et le thalamus de rats et souris anesthesies a l’urethane afin de decouvrir les mecanismes de la plasticite synaptique et du traitement sensoriel. Nous avons observe qu’une stimulation repetee a des frequences auxquelles l’ani- mal explore son environnement provoquait une potentialisation a long terme (LTP). De plus, une stimulation a basse frequence peut provoquer une LTP ou une depression a long terme (LTD) selon la concentration intra-cellulaire de Ca2+ pendant la duree de la stimulation. Cette plasticite a long terme depend de l’activation des recepteurs NMDA et de l’activation des recepteurs cholinergiques muscariniques et nicotiniques. Grâce a une etude optogenetique nous avons pu montrer que le prosencephale basal (BF), la source principale d’acetylcholine (Ach) vers le cortex, envoyait ses projections de facon organisee. Par consequent, la facilitation des reponses corticales dependant de l’Ach se produit de maniere tres specifique. Nous avons egalement decouvert que le noyau thalamique postero-medial (POM) regulait la vibrisse du BC grâce a des neurones GABAergiques situes dans les couches superieures du cortex. -- El procesamiento de la informacion 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. Ademas, muchos estimulos irrelevantes alcanzan la via sensorial y deben ser descartados. La plasticidad sinaptica en el sistema nervios central es un proceso que aumenta o deprime las respuestas sensoriales segun un patron temporal de estimulacion. Mi objetivo principal es estudiar la plasticidad sinaptica en la via somatosensorial principalmente en el circuito talamo-cortex. La informacion sensorial de las vibrisas de los roedores viaja del foliculo de estas a la zona contralateral del talamo, y desde esta a la corteza de barriles (BC). En esta Tesis Doctoral hicimos registros extracelulares in vivo en la BC y el talamo en ratas y ratones anestesiados con uretano con el objetivo de conocer los mecanismos de la plasti- cidad sinaptica y el procesamiento sensorial en esta via. Observamos que una estimulacion repetitiva a las frecuencias a las cuales el animal explora su entorno, inducen potenciacion a largo plazo (LTP). Ademas, la estimulacion a baja frecuencia pudo inducir LTP o depresion a largo plazo (LTD) dependiendo del la concentracion de Ca2+ intracellular durante el periodo de estimulacion. Mediante un estudio de optogenetica, observamos que el prosencefalo basal (BF), el nucleo que surte principalmente a la corteza de acetilcolina (Ach) manda proyecciones de forma organizada. Encontramos tambien que el nucleo posterior-medial del talamo (POM) regula la respuesta de la corteza de barriles a traves de las neuronas GABAergicas de la capa I.