Soutenance de thèse de SCHAFFHAUSER Maud
Titre de thèse
Etude de la contribution du striatum dorsal dans une nouvelle tâche de foraging chez la souris
Study of the contribution of the dorsal striatum to a novel foraging task in mice
Résumé de la thèse
Le striatum dorsal s'est vu attribuer plusieurs fonctions distinctes (apprentissage procédural, sélection de l'action, spécification de la cinématique, régulation de la vigueur…) chacune établie dans une tradition expérimentale propre, avec ses paradigmes et ses controverses. Ces fonctions ont en commun d'avoir été mises en évidence dans des tâches contraintes : répertoire d'actions réduit, comportement découpé en essais, entraînement prolongé. Ce format a permis d'isoler des variables avec précision, mais il isole une dimension à la fois, alors que ces processus se déploient conjointement dans le comportement spontané, et il n'oblige jamais l'animal à décider s'il agit, seulement comment. Ce travail teste la robustesse de ces attributions en les faisant coexister au sein d'un même comportement chez la souris libre de ses mouvements.
Nous avons pour cela développé le Tower Foraging Park (TFP), un paradigme de foraging auto-rythmé dans lequel l'animal obtient des récompenses hydriques en effectuant des quarts de tour orientés autour de quatre tours carrées (exploitation), et change de tour à mesure que celles-ci s'appauvrissent (exploration). Ce dispositif donne accès, dans un flux comportemental continu, à des variables de décision et à des variables cinématiques simultanées, et distingue trois catégories de déplacement selon leur degré de contrainte par la tâche. Les souris y apprennent rapidement la direction récompensée, accélèrent, stéréotypent leurs trajectoires et quittent les tours avant épuisement ; l'inversion de la contingence déclenche une adaptation rapide, et des inversions répétées améliorent progressivement la flexibilité.
Deux manipulations striatales ont ensuite été appliquées dans ce cadre. L'activation chémogénétique unilatérale des neurones de projection D1 ou D2 du striatum dorso-médian réduit, dans les deux cas, le nombre et la vitesse des quarts de tour, indépendamment de la congruence entre le biais rotationnel induit et la direction récompensée, un résultat qui s'accorde mal avec la prédiction canonique du modèle Go/No-Go. De façon inattendue, seules les perturbations congruentes dégradent la proportion de rotations réussies, effet que nous interprétons comme un surcoût moteur lié aux contraintes d'orientation imposées par la géométrie des tours. Les lésions excitotoxiques bilatérales du striatum dorsal, réalisées avant toute exposition à la tâche, ne produisent quant à elles ni déficit d'apprentissage, ni déficit du choix directionnel, ni altération de l'exploitation ou de la reproductibilité des trajectoires. Leurs effets se distribuent de façon graduée sur le répertoire moteur : les courses exploratoires libres sont massivement affectées, dès la familiarisation et dans les deux dimensions à la fois, tandis que les mouvements contraints par la tâche ne le sont que ponctuellement.
Ces résultats convergent vers une hypothèse unificatrice : le striatum dorsal contribuerait à évaluer le coût d'une action afin d'en régler la vigueur, sans produire le mouvement lui-même. Une telle variable n'étant indépendante d'aucune des quatre familles d'interprétations, une même altération peut se manifester comme un déficit de sélection, d'exécution ou de motivation selon ce que la tâche mesure. Cela invite à traiter le format expérimental, au même titre que le sexe des animaux, comme une variable à part entière plutôt que comme du bruit.
Mots-clés : striatum dorsal, foraging, vigueur, coût moteur, chémogénétique, lésion excitotoxique, souris
Thesis resume
The dorsal striatum has been credited with several distinct functions (procedural learning, action selection, kinematic specification, and vigour regulation…) each established within its own experimental tradition, with its own paradigms and controversies. What these functions share is that they were all demonstrated in constrained tasks: a restricted action repertoire, behaviour segmented into discrete trials, and prolonged training. This format has isolated variables with remarkable precision, but it isolates one dimension at a time, whereas these processes unfold jointly in spontaneous behaviour, and it never requires the animal to decide whether to act, only how. The present work tests the robustness of these attributions by having them coexist within a single behaviour in freely moving mice.
To this end, we developed the Tower Foraging Park (TFP), a self-paced foraging paradigm in which mice collect water rewards by performing directional quarter-turns around four square towers (exploitation) and switch between towers as these become depleted (exploration). The design gives simultaneous access, within a continuous behavioural stream, to decision variables and kinematic variables, and distinguishes three categories of movement according to how strongly the task constrains them. Mice rapidly learn the rewarded turning direction, increase their speed, reduce trajectory variability, and typically leave towers before depletion; reversing the contingency triggers rapid adaptation, and repeated reversals progressively improve flexibility.
Two striatal manipulations were then applied within this framework. Unilateral chemogenetic activation of D1- or D2-expressing projection neurons of the dorsomedial striatum reduced, in both cases, the number and speed of quarter-turns, regardless of whether the induced rotational bias was congruent with the rewarded direction. Unexpectedly, only congruent perturbations degraded the proportion of successful turns, an effect we interpret as an added motor cost arising from the body-orientation constraints imposed by the square geometry of the towers. Bilateral excitotoxic lesions of the dorsal striatum, performed before any exposure to the task, produced neither a learning deficit, nor a directional choice deficit, nor any alteration of exploitation or of trajectory reproducibility. Their effects were instead graded across the motor repertoire: free exploratory runs were massively affected, from the familiarisation session onwards and along both dimensions at once, whereas task-constrained movements were affected only sporadically.
Together, these results converge on a unifying hypothesis: the dorsal striatum would contribute to evaluating the cost of an action in order to set its vigour, without generating the movement itself. Because such a variable is independent of none of the four families of interpretation, a single underlying alteration may surface as a deficit of selection, of execution, or of motivation depending on what the task measures, which argues for treating the experimental format, much like the sex of the animals, as a variable in its own right rather than as noise.
Keywords: dorsal striatum, foraging, vigour, motor cost, chemogenetics, excitotoxic lesion, mouse