Soutenance de thèse de Mostafa SAFAIE

Ecole Doctorale
Sciences de la Vie et de la Santé
Spécialité
Biologie-Santé - Spécialité Neurosciences
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
estimation du temps,striarum,routine motrice,
Keywords
time estimation,striatum,motor routine,
Titre de thèse
Temps incarné et contribution du striatum dorsal"
Embodied timing and the contribution of the dorsal striatum
Date
Mardi 28 Avril 2020
Adresse
Institut de Neurobiologie de la Méditerranée, Parc scientifique de Luminy, 163 avenue de Luminy, 13273 Marseille, France.
Conference room
Jury
Directeur de these M. David ROBBE Aix-Marseille Université
Rapporteur M. Philippe FAURE Sorbonne Université
Rapporteur M. Nicolas ROUGIER Université de Bordeaux
Examinateur M. Joseph J. PATON Champalimaud Centre for the Unknown
Examinateur Mme Jennifer T. COULL Aix-Marseille Université

Résumé de la thèse

Comment les animaux adaptent leur comportement pour tirer profit des régularités temporelles de leur environnement est une question difficile, en particulier pour ce qui est des intervalles de l'ordre de quelques secondes. Il a été proposé que l'estimation du temps est mesurée de manière interne, en utilisant soit une horloge neuronale, soit la dynamique émergente et auto-entretenue des ensembles de neurones. Les animaux pourraient également utiliser des stratégies incarnées ('embodied'), telles que des routines motrices, dont l'exécution prend la même durée que l'intervalle qu'ils doivent estimer. La validité relative de ces deux mécanismes n'est toujours pas établie. De nombreuses régions du cerveau sont impliquées dans l'estimation du temps, dont l'une, le striatum dorsal (DS), présente un intérêt particulier. En effet, les neurones du DS représenteraient le temps écoulé et la perturbation de l'activité du DS affecterait la perception temporelle. D'autre part, le DS est une zone motrice connue, dont la fonction est également débattue (sélection/répression d'actions, génération des mouvements ou modulation de leur vitesse). Ici, nous avons utilisé une tâche dans laquelle des rats se déplaçant librement sur un tapis roulant motorisé pouvaient obtenir une récompense s'ils s'approchaient de l'avant du tapis après un intervalle de temps fixe. La plupart des animaux profitait de la longueur, de la vitesse et de la direction du tapis roulant et, par tâtonnement, développait une routine dont l'exécution permet de respecter la règle spatio-temporelle et d'obtenir une récompense. Nous avons ensuite abordé deux questions : Les animaux sont-ils capables de de s'adapter à la règle spatio-temporelle sans avoir recours à cette routine motrice ? Comment la DS contribue-t-il à la performance de cette routine motrice. Pour répondre à la première question, nous avons entraîné des animaux dans des versions modifiées du test original, spécialement conçues pour empêcher le développement de leur routine motrice. Par rapport aux rats entraînés selon le protocole original, ces animaux n'ont jamais atteint un niveau comparable de précision temporelle. Nous en concluons que l'adaptation précise à une contrainte temporelle est facilité par la capacité des animaux à développer des routines motrices adaptées à la structure de leur environnement. Pour répondre à la deuxième question nous avons réalisé des lésions du DS. De manière inattendue, à la suite de lésions du DS, l'exécution de la routine motrice a été épargnée, mais modifiée de manière particulière : les animaux ont réduit leur vitesse de course et la période d'attente de leur routine. Des expériences complémentaires ont démontré que les lésions du DS n'affectaient pas la motivation des animaux ni leur capacité à effectuer des routines motrices ou à contrôler leur vitesse de course. En nous appuyant sur des modélisations du comportement, nous concluons que les lésions du DS augmentent la sensibilité des animaux à la dépense énergétique. Ainsi, nous proposons que le DS calcule un signal d'effort qui module la cinématique des actions intentionnelles.

Thesis resume

How animals adapt their behavior to take advantage of temporal regularities in their environment is a puzzling question, particularly in the suprasecond timescale. It has been proposed that time estimation is internally-driven, using either a central neuronal clock or emergent self-sustained dynamics across ensembles of neurons. Alternatively, animals could use embodied strategies, such as a motor routine, the execution of which takes the same duration as the interval they need to estimate. The implementation of both timing mechanisms in the brain is still a matter of debate. Many brain regions are implicated, one of which, the dorsal striatum (DS), is of special interest. DS neurons reportedly represent elapsed time and perturbation of DS activity affects temporal perception. On the other hand, the DS is a known motor area, thought to be involved in the selection/repression of purposive actions, driving their execution on a moment-to-moment basis, or modulating their speed. Here, we used a task in which rats freely moving on a powered treadmill could obtain a reward if they approached it after a fixed interval. Most animals took advantage of the treadmill length, speed, and moving direction, and by trial and error developed a wait-and-run motor routine whose execution resulted in the precise timing of their reward approaches. We then addressed two questions: whether animals are able to time their behavior without resorting to this motor routine; and how the DS contributes to the performance of this motor routine. To address the first question, we trained naïve animals in modified versions of the task, specifically designed to hamper the development of this motor strategy. Compared to rats trained under the normal protocol, these animals never reached a comparable level of timing accuracy. We conclude that motor timing critically depends on the ability of animals to develop motor routines adapted to the structure of their environment. Secondly, the exact contribution of the DS to the execution of such motor routines remains unclear. Unexpectedly, following DS lesions, the performance of the motor routine was spared, but altered in peculiar ways: animals reduced their running speed and waiting period of their routine. Complementary experiments demonstrated that DS lesions did not affect animals' motivation, their ability to perform motor routines, and to control their running speed. We conclude that lesions of the DS increased the sensitivity to energy expenditure. Thus, we propose that the DS computes an effort signal that modulates the kinematics of purposive actions.