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Highlights • The functional characterization of callosal connections is informed by anatomical data. • Callosal connections play a conditional driving role depending on the brain state and behavioral demands. • Callosal connections play a modulatory function, in addition to a driving role. • The corpus callosum participates in learning and interhemispheric transfer of sensorimotor habits. • The corpus callosum contributes to language processing and cognitive functions., The brain operates through the synaptic interaction of distant neurons within flexible, often heterogeneous, distributed systems. Histological studies have detailed the connections between distant neurons, but their functional characterization deserves further exploration. Studies performed on the corpus callosum in animals and humans are unique in that they capitalize on results obtained from several neuroscience disciplines. Such data inspire a new interpretation of the function of callosal connections and delineate a novel road map, thus paving the way toward a general theory of cortico-cortical connectivity. Here we suggest that callosal axons can drive their post-synaptic targets preferentially when coupled to other inputs endowing the cortical network with a high degree of conditionality. This might depend on several factors, such as their pattern of convergence-divergence, the excitatory and inhibitory operation mode, the range of conduction velocities, the variety of homotopic and heterotopic projections and, finally, the state-dependency of their firing. We propose that, in addition to direct stimulation of post-synaptic targets, callosal axons often play a conditional driving or modulatory role, which depends on task contingencies, as documented by several recent studies.

How astrocytes close a critical period During the visual critical period, brain circuits are rewired to adjust to sensory input. Closure of the critical period stabilizes the circuits. Looking at development in the mouse visual cortex, Ribot et al. found that astrocytes increase their expression of the gap junction channel subunit connexin 30, which in turn inhibits expression of a matrix-degrading enzyme (see the Perspective by Kofuji and Araque). As the matrix stabilizes, inhibitory interneurons mature, and the unusual flexibility of the critical period comes to an end. Science , abf5273, this issue p. 77 ; see also abj6745, p. 29

Summary paragraphBrain postnatal development is characterized by critical periods of experience-dependent remodeling1,2. Termination of these periods of intense plasticity is associated with settling of neuronal circuits, allowing for efficient information processing3. Failure to end critical periods thus results in neurodevelopmental disorders4,5. Yet, the cellular processes defining the timing of these developmental periods remain unclear. Here we show in the mouse visual cortex that astrocytes control the closure of the critical period. We uncover a novel underlying pathway involving regulation of the extracellular matrix that allows interneurons maturation via an unconventional astroglial connexin signaling. We find that timing of the critical period closure is controlled by a marked developmental upregulation of the astroglial protein connexin 30 that inhibits expression of the matrix degrading enzyme MMP9 through the RhoA-GTPase signaling pathway. Our results thus demonstrate that astrocytes not only influence activity and plasticity of single synapses, but are also key elements in the experience-dependent wiring of brain developing circuits. This work, by revealing that astrocytes promote the maturation of inhibitory circuits, hence provide a new cellular target to alleviate malfunctions associated to impaired closure of critical periods.

Approximately 2% of children under 7 years old suffer strabismus (Williams et al., 2008), leading to a deficit in their visuel system. Firstly, we studied eye movements during reading and during smooth pursuit in strabismic children and compared these results to non strabismic age-matched children. Secondly, we studied postural control in both simple and double task, and the role of proprioceptive information on postural control in these children. We hypothesize that visual deficit in strabismic children delayed cognitive processing of visual information, and modified motor development by using other sensory systems to compensate their visual deficit. Four peer reviews were conducted to confirm these assumptions. Taken together, these studies provide a better understanding about mechanisms and interactions between oculomotricity and postural control in strabismic children. These findings allow to bring evidence for improve the diagnosis, rehabilitation treatment and also surgical treatment of strabismic children.; Environ, 2% des enfants de moins de 7 ans sont porteurs d'un strabisme (Williams et al., 2008) entraînant une perturbation de leur système visuel. Dans un premier temps, nous allons étudier les mouvements oculaires pendant la lecture d'un texte et pendant la poursuite d'une cible chez des enfants strabiques et de comparer ces résultats à des enfants non strabiques du même âge. Dans un second temps, nous avons étudié l'équilibre postural en condition de simple et de double tâche, puis nous avons examiné le rôle des informations proprioceptives sur le contrôle postural chez ces enfants. Nous émettons l'hypothèse selon laquelle le déficit visuel des enfants strabiques est à l'origine d'un retard ou d'un mauvais traitement cognitif de l'information visuelle ainsi qu'à l'origine d'un développement moteur modifiés s'appuyant sur d'autres systèmes sensoriels pour compenser leur déficit visuel. Quatre études publiées dans des revues internationales ont été réalisés pour tester ces hypothèses. L'ensemble de ces travaux a été réalisé afin d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes et des interactions entre oculomotricité et contrôle postural chez les enfants strabiques. Ceci permet d'apporter des éléments fondés à l'aide au diagnostic, à la prise en charge rééducative mais aussi chirurgical de ces enfants strabiques.

Approximately 2% of children under 7 years old suffer strabismus (Williams et al., 2008), leading to a deficit in their visuel system. Firstly, we studied eye movements during reading and during smooth pursuit in strabismic children and compared these results to non strabismic age-matched children. Secondly, we studied postural control in both simple and double task, and the role of proprioceptive information on postural control in these children. We hypothesize that visual deficit in strabismic children delayed cognitive processing of visual information, and modified motor development by using other sensory systems to compensate their visual deficit. Four peer reviews were conducted to confirm these assumptions. Taken together, these studies provide a better understanding about mechanisms and interactions between oculomotricity and postural control in strabismic children. These findings allow to bring evidence for improve the diagnosis, rehabilitation treatment and also surgical treatment of strabismic children., Environ, 2% des enfants de moins de 7 ans sont porteurs d'un strabisme (Williams et al., 2008) entraînant une perturbation de leur système visuel. Dans un premier temps, nous allons étudier les mouvements oculaires pendant la lecture d'un texte et pendant la poursuite d'une cible chez des enfants strabiques et de comparer ces résultats à des enfants non strabiques du même âge. Dans un second temps, nous avons étudié l'équilibre postural en condition de simple et de double tâche, puis nous avons examiné le rôle des informations proprioceptives sur le contrôle postural chez ces enfants. Nous émettons l'hypothèse selon laquelle le déficit visuel des enfants strabiques est à l'origine d'un retard ou d'un mauvais traitement cognitif de l'information visuelle ainsi qu'à l'origine d'un développement moteur modifiés s'appuyant sur d'autres systèmes sensoriels pour compenser leur déficit visuel. Quatre études publiées dans des revues internationales ont été réalisés pour tester ces hypothèses. L'ensemble de ces travaux a été réalisé afin d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes et des interactions entre oculomotricité et contrôle postural chez les enfants strabiques. Ceci permet d'apporter des éléments fondés à l'aide au diagnostic, à la prise en charge rééducative mais aussi chirurgical de ces enfants strabiques.

Le cerveau des mammifères est composé de deux hémisphères. Bien qu'anatomiquement séparés, ceux-ci coopèrent l'un avec l'autre par l'intermédiaire de faisceaux de fibres qui constituent les commissures cérébrales. Parmi ces commissures, le corps calleux est la plus importante, tout au moins par le nombre de fibres qui la constitue (200 à 800 millions suivant les espèces). Bien que le rôle de cette commissure soit resté longtemps inconnu, il est maintenant bien établi qu'elle transporte des messages aussi divers que des messages visuels, limbiques, auditifs, somesthésiques et moteurs d'un hémisphère à l'autre. En conséquence, le corps calleux s'est révélé être impliqué dans des fonctions cognitives supérieures telles la perception sensorielle, l'apprentissage, la mémoire et la motricité. En dépit de l'établissement de ces concepts importants, la connaissance du corps calleux et de son rôle dans les fonctions cognitives supérieures restent encore extrêmement incomplètes que ce soit au cours du développement ou chez l'adulte. Or, ces questions sont essentielles puisqu'elles posent directement le problème du rôle de l'intégration interhémisphérique dans l'élaboration des fonctions cognitives dans les conditions normales; elles touchent également le problème du rôle de cette même intégration dans les processus de réorganisation et de compensation qui peuvent se développer dans les conditions pathologiques, conduisant à une restructuration des fonctions cognitives. Ce travail de thèse a été réalisé dans le contexte expérimental de C. Milleret et de ses collaborateurs qui étudient les caractéristiques anatomo-fonctionnelles et topographiques des cartes corticales calleuses localisées au niveau des aires visuelles corticales primaires 17 et 18 de chaque hémisphère chez le mammifère et qui sont associées au traitement de la région médiane verticale centrale du champ visuel. Cette région centrale du champ visuel est des plus stratégiques d'un point de vue perceptif puisqu'elle participe à la fusion des deux hémichamps visuels. En utilisant les techniques d'électrophysiologies in vivo et anatomiques (reconstructions 3D d'axones marqués à la biocytine), il a déjà été montré que ces connexions interhémisphériques sont presque exclusivement limitées à la bordure de transition entre les aires visuelle primaires A17 et A18. De plus, les neurones des aires visuels primaires qui sont activés par les axones interhémisphériques présentent des caractéristiques fonctionnelles bien précises. Certaines caractéristiques anatomo-fonctionnelles et topographiques des cartes corticales calleuses sont déjà bien identifiées mais elle se révèlent encore insuffisantes pour préciser le rôle du corps calleux dans les processus d'intégration visuelle interhémisphérique, en particulier en l'absence de données précises des caractéristiques dans les domaines temporels et spatiaux et la façon dont elles sont modifiées dans des conditions de développent visuel asymétriques. Ceci résulte aussi du faible nombre de travaux faisant appel à une approche computationnelle et la modélisation pour aborder ces questions. En particulier, les relations entre les caractéristiques morphologiques des axones calleux et les propriétés spatiales (cartes fonctionnelles) et temporelles (latences de transfert et propriétés spectrales) des populations neurales qu'elle mettent en relation sont encore très imprécises. Caractérisation quantitative des distributions des terminaisons d'axones calleux. Dans sa première partie, notre étude propose de préciser les extensions spatiales et les caractéristiques morphologiques des arborisations d'axones calleux obtenus dans les conditions de développement visuel normal (NR) et dans les conditions de déprivation monoculaire précoces (MD) afin de les différentier quantitativement. Dans cet objectif, deux groupes d'axones reconstruits en 3D sont tout d'abord décrits qualitativement par les méthodes conventionnelles d'anatomie. Cette méthode rencontre néanmoins des difficultés pour caractériser précisément les morphologies des axones, en particulier l'extension de leur terminaisons sur la surface du cortex, leur orientation et leur degré de fragmentation. Pour répondre à ces questions, deux méthodes computationnelles complémentaires et de complexité croissante ont été développées pour caractériser les distributions de terminaison axonales calleuses et mettre en évidences les différences entre les deux groupes. Celles-ci nous ont permis de montrer les plus grandes extensions spatiales ainsi que le plus grand degré de fragmentation des distributions des terminaisons des axones calleux du groupe MD. Dans un dernier chapitre, la simulation de propagation de potentiel d'action dans les structures axonales a permis de montrer que les différences morphologiques constatées dans le groupe MD, ne semblent pas se répercuter sur la dispersion temporelle du signal entre les terminaisons. Ainsi, la distribution temporelle du signal controlatéral demeure pour la grande majorité confinée dans un intervalle inférieur à 2ms, dispersion compatible avec des hypothèses de synchronisation. Développement de la technique d'imagerie optique par colorant sensibles au potentiels Avec la perspective d'explorer expérimentalement les propriétés spatio-temporelles de l'intégration visuelle interhémisphérique et afin de corroborer les résultats présenté dans la première partie de la thèse, la mise en place d'un poste expérimental d'imagerie optique au sein de notre laboratoire est présentée dans la deuxième partie. Cette méthode permet de visualiser in vivo les domaines d'activation spécifique à différents attributs au sein des cartes corticales calleuses et d'approcher certaines caractéristiques temporelles de l'activité neuronale. Réalisé en parallèle avec les travaux de modélisation des axones calleux, le montage complet du poste a montré d'abord permis de cerner les limitations du système initial. Dans un deuxième temps l'adaptation du système à la problématique interhémisphérique, réalisée au fils des mois, a montré d'importants progrès après plusieurs modifications spécifiques. La mise en place du poste expérimental a pu bénéficier de l'expertise en imagerie optique de l'équipe de recherche du Dr. S. Tanaka au RIKEN Brain Science Institute au Japon, où l'auteur a effectué plusieurs séjours au cours desquelles ont pu être initiées un certain nombres d'adaptation importantes comme le développement du protocole d'enregistrement en Voltage Sensitive Dye (VSD), permettant l'enregistrement de l'activité neurale avec un grande précision temporelle, ainsi que le développement de techniques de traitement des signaux appropriées. La mise en place du poste expérimental dans les locaux parisiens a pu être achevée fin 2006 avec l'obtention de données prometteuses pour la poursuite du programme expérimental, comme l'enregistrement à 3 ms/image de l'activation corticale bilatérale et ainsi que celle du transfert interhémisphérique. Ces résultats ouvrent les perspectives de recherche visant la combinaison des données anatomiques morphologiques avec les données d'enregistrement d'activations spatio-temporelles in vivo de l'intégration visuelle hémisphérique au sein des cortex visuels primaires.; no data

Le cerveau des mammifères est composé de deux hémisphères. Bien qu'anatomiquement séparés, ceux-ci coopèrent l'un avec l'autre par l'intermédiaire de faisceaux de fibres qui constituent les commissures cérébrales. Parmi ces commissures, le corps calleux est la plus importante, tout au moins par le nombre de fibres qui la constitue (200 à 800 millions suivant les espèces). Bien que le rôle de cette commissure soit resté longtemps inconnu, il est maintenant bien établi qu'elle transporte des messages aussi divers que des messages visuels, limbiques, auditifs, somesthésiques et moteurs d'un hémisphère à l'autre. En conséquence, le corps calleux s'est révélé être impliqué dans des fonctions cognitives supérieures telles la perception sensorielle, l'apprentissage, la mémoire et la motricité. En dépit de l'établissement de ces concepts importants, la connaissance du corps calleux et de son rôle dans les fonctions cognitives supérieures restent encore extrêmement incomplètes que ce soit au cours du développement ou chez l'adulte. Or, ces questions sont essentielles puisqu'elles posent directement le problème du rôle de l'intégration interhémisphérique dans l'élaboration des fonctions cognitives dans les conditions normales; elles touchent également le problème du rôle de cette même intégration dans les processus de réorganisation et de compensation qui peuvent se développer dans les conditions pathologiques, conduisant à une restructuration des fonctions cognitives. Ce travail de thèse a été réalisé dans le contexte expérimental de C. Milleret et de ses collaborateurs qui étudient les caractéristiques anatomo-fonctionnelles et topographiques des cartes corticales calleuses localisées au niveau des aires visuelles corticales primaires 17 et 18 de chaque hémisphère chez le mammifère et qui sont associées au traitement de la région médiane verticale centrale du champ visuel. Cette région centrale du champ visuel est des plus stratégiques d'un point de vue perceptif puisqu'elle participe à la fusion des deux hémichamps visuels. En utilisant les techniques d'électrophysiologies in vivo et anatomiques (reconstructions 3D d'axones marqués à la biocytine), il a déjà été montré que ces connexions interhémisphériques sont presque exclusivement limitées à la bordure de transition entre les aires visuelle primaires A17 et A18. De plus, les neurones des aires visuels primaires qui sont activés par les axones interhémisphériques présentent des caractéristiques fonctionnelles bien précises. Certaines caractéristiques anatomo-fonctionnelles et topographiques des cartes corticales calleuses sont déjà bien identifiées mais elle se révèlent encore insuffisantes pour préciser le rôle du corps calleux dans les processus d'intégration visuelle interhémisphérique, en particulier en l'absence de données précises des caractéristiques dans les domaines temporels et spatiaux et la façon dont elles sont modifiées dans des conditions de développent visuel asymétriques. Ceci résulte aussi du faible nombre de travaux faisant appel à une approche computationnelle et la modélisation pour aborder ces questions. En particulier, les relations entre les caractéristiques morphologiques des axones calleux et les propriétés spatiales (cartes fonctionnelles) et temporelles (latences de transfert et propriétés spectrales) des populations neurales qu'elle mettent en relation sont encore très imprécises. Caractérisation quantitative des distributions des terminaisons d'axones calleux. Dans sa première partie, notre étude propose de préciser les extensions spatiales et les caractéristiques morphologiques des arborisations d'axones calleux obtenus dans les conditions de développement visuel normal (NR) et dans les conditions de déprivation monoculaire précoces (MD) afin de les différentier quantitativement. Dans cet objectif, deux groupes d'axones reconstruits en 3D sont tout d'abord décrits qualitativement par les méthodes conventionnelles d'anatomie. Cette méthode rencontre néanmoins des difficultés pour caractériser précisément les morphologies des axones, en particulier l'extension de leur terminaisons sur la surface du cortex, leur orientation et leur degré de fragmentation. Pour répondre à ces questions, deux méthodes computationnelles complémentaires et de complexité croissante ont été développées pour caractériser les distributions de terminaison axonales calleuses et mettre en évidences les différences entre les deux groupes. Celles-ci nous ont permis de montrer les plus grandes extensions spatiales ainsi que le plus grand degré de fragmentation des distributions des terminaisons des axones calleux du groupe MD. Dans un dernier chapitre, la simulation de propagation de potentiel d'action dans les structures axonales a permis de montrer que les différences morphologiques constatées dans le groupe MD, ne semblent pas se répercuter sur la dispersion temporelle du signal entre les terminaisons. Ainsi, la distribution temporelle du signal controlatéral demeure pour la grande majorité confinée dans un intervalle inférieur à 2ms, dispersion compatible avec des hypothèses de synchronisation. Développement de la technique d'imagerie optique par colorant sensibles au potentiels Avec la perspective d'explorer expérimentalement les propriétés spatio-temporelles de l'intégration visuelle interhémisphérique et afin de corroborer les résultats présenté dans la première partie de la thèse, la mise en place d'un poste expérimental d'imagerie optique au sein de notre laboratoire est présentée dans la deuxième partie. Cette méthode permet de visualiser in vivo les domaines d'activation spécifique à différents attributs au sein des cartes corticales calleuses et d'approcher certaines caractéristiques temporelles de l'activité neuronale. Réalisé en parallèle avec les travaux de modélisation des axones calleux, le montage complet du poste a montré d'abord permis de cerner les limitations du système initial. Dans un deuxième temps l'adaptation du système à la problématique interhémisphérique, réalisée au fils des mois, a montré d'importants progrès après plusieurs modifications spécifiques. La mise en place du poste expérimental a pu bénéficier de l'expertise en imagerie optique de l'équipe de recherche du Dr. S. Tanaka au RIKEN Brain Science Institute au Japon, où l'auteur a effectué plusieurs séjours au cours desquelles ont pu être initiées un certain nombres d'adaptation importantes comme le développement du protocole d'enregistrement en Voltage Sensitive Dye (VSD), permettant l'enregistrement de l'activité neurale avec un grande précision temporelle, ainsi que le développement de techniques de traitement des signaux appropriées. La mise en place du poste expérimental dans les locaux parisiens a pu être achevée fin 2006 avec l'obtention de données prometteuses pour la poursuite du programme expérimental, comme l'enregistrement à 3 ms/image de l'activation corticale bilatérale et ainsi que celle du transfert interhémisphérique. Ces résultats ouvrent les perspectives de recherche visant la combinaison des données anatomiques morphologiques avec les données d'enregistrement d'activations spatio-temporelles in vivo de l'intégration visuelle hémisphérique au sein des cortex visuels primaires.; no data