Le profil d'activité des neurones dopaminergiques semble fortement évoluer au cours des premières semaines post-natales, faisant intervenir des modifications des propriétés intrinsèques et synaptiques, mais la connaissance des mécanismes à l'origine de ces changements et de leur cinétique est encore parcellaire.Dans un premier article, nous avons caractérisé le profil d'expression des sous-unités des principaux canaux ioniques sensibles au potentiel somato-dendritiques des neurones dopaminergiques au cours des premières semaines de développement post-natal. Nous avons pu décrire les principaux changements d'expression de ces canaux entre P6, P21 et P40. Dans un second article, nous avons défini l'évolution du comportement électrophysiologique des neurones dopaminergiques lors des 4 premières semaines postnatales. Nous avons pu montrer que l'acquisition du phénotype électrique "mature" des neurones dopaminergiques implique essentiellement deux transitions développementales, intervenant respectivement entre P3 et P5 puis entre P9 et P11.Enfin dans une troisième étude, nous avons tenté de déterminer les principaux changements morphologiques intervenant au cours des premières semaines post-natales et de définir leur impact sur le profil électrophysiologique des neurones dopaminergiques. Nos résultats suggèrent que la morphologie de l'axone et du segment initial de l'axone changent fortement au cours des trois premières semaines post-natales.Nous avons ainsi pu caractériser les principales transitions développementales intervenant dans l'acquisition du phénotype électrique des neurones dopaminergiques ainsi que les changements morphologiques et biophysiques associés. / The firing pattern of dopaminergic neurons seems to strongly evolve during the first postnatal weeks, involving changes in intrinsic and synaptic properties, but our knowledge of the mechanisms underlying these changes and their precise timecourse is still fragmented.In a first study, we characterized the expression profile of several somato-dendritic voltage-gated ion channels in dopaminergic neurons during postnatal development. Our results describe the major changes in expression of these ion channels occurring between P6, P21 and P40.In a second study, we described the modifications in electrophysiological behavior of dopaminergic neurons across the first four postnatal weeks. We show that the acquisition of the mature electrical phenotype of dopaminergic neurons mainly involves two developmental transitions occurring between P3 and P5 and then between P9 and P11, respectively.Finally, in a third study, we attempted to define the major morphological changes occurring during early postnatal development and to measure their impact on the electrophysiological profile of dopaminergic neurons. Our results suggest that the morphology of the axon and the axon initial segment strongly change during the first three postnatal weeks, even though these changes do not seem to significantly influence the excitability of dopaminergic neurons or the shape of their action potential.We were able to characterize the main developmental transitions leading to the acquisition of the mature electrical phenotype of dopaminergic neurons, and to describe some of the biophysical and morphological changes associated with this electrophysiological maturation.

Les arythmies auriculaires constituent une pathologie majeure en cardiologie, et leur étude constitue un vaste sujet de recherche. Pour les étudier, de nombreux modèles mathématiques de la propagation du potentiel d'action dans les oreillettes ont été développés. La plupart de ces modèles génériques permettent de reproduire des séquences d'activations typiques des oreillettes. De tels modèles peuvent avoir un intérêt expérimental, voir clinique, par exemple dans l'aide à la localisation des foyers arythmiques ou encore dans l'analyse des échecs du traitement de ces arythmies. Néanmoins, pour atteindre ce but, il faut être capable de recaler au mieux le modèle, dans ses dimensions géométriques ou fonctionnelles, sur des données individuelles. L'assimilation de données, discipline mathématique dans laquelle nous cherchons à combiner de manière optimale théorie et observations, est alors un bon candidat à la personnalisation des modèles de la propagation du potentiel d'action. Dans cette thèse, nous proposons d'étudier différentes méthodes d'assimilation de données -- séquentielles et variationnelles -- dans le but de combiner les modèles de propagation avec des données électroanatomiques. Plus précisément, nous nous intéressons à deux applications possible de l'assimilation de données que sont l'estimation d'état et l'estimation de paramètres. Dans un premier temps, nous étudions un observateur d'état permettant de corriger la position du front de propagation simulé en se basant sur la position du front observé. Cet observateur est alors utilisé afin de compléter une carte d'activation obtenue lors d'une procédure clinique. Ensuite, ce même observateur est combiné à un filtre de Kalman d'ordre réduit afin d'estimer les paramètres de conductivités du modèle mathématique de propagation du potentiel d'action. Une étude de la stratégie d'estimation liée état-paramètre est ensuite réalisée pour voir comment la méthode se comporte face aux erreurs de modélisation. La méthode est ensuite testée sur un jeu de données acquis cliniquement. Puis, nous regardons du côté des méthodes d'assimilation de données variationnelles qui permettent l'estimation de paramètres spatialement distribués. Plusieurs problèmes de minimisation, permettant d'estimer un paramètre de conductivité distribué dans l'espace, sont alors introduits et analysés. Nous montrons alors que la discrétisation de ces problèmes de minimisation, dans le but d'obtenir des méthodes numériques de résolution, peut s'avérer complexe. Une méthode numérique est ensuite mise en place pour un des problèmes de minimisation étudié, et trois cas tests unidimensionnels sont analysés.Enfin, nous démontrons l'existence d'un minimum pour une des fonctions objectif étudiées en nous basant sur des résultats d'analyse fonctionnelle de la littérature. / Atrial arrhythmias are a major pathology in cardiology, and their study is alarge research topic. To study them, many mathematical models of the actionpotential propagation in atria have been developed. Most of those generic models can be used to reproduce typical activation sequences of the atria. Such models may have an experimental or even clinical interest, for example in helping the location of arrhythmic foci or in the analysis of treatment failures for these arrhythmias. Nevertheless, to achieve this goal, it isnecessary to be able to adjust the model at best, based on experimental orclinical data. Data assimilation, a mathematical discipline in which we seek to optimally combine theory and observations, is then a good candidate for the customization of action potential propagation models.In this thesis, we propose to study different data assimilation methods-- sequential and variational -- in order to adjust action potential propagation model on electroanatomical data. More precisely, we are interested in two possible applications of data assimilation: state estimation and parameter estimation.First, we study a state observer which is able to correct the simulatedpropagation front localization based on the observed front localization. Thisobserver is then used to complete an activation map obtained during a clinical procedure.Then, this observer is combined with a reduced order Kalman filterin order to estimate the conductivity parameters of the action potentialpropagation model. A study of the joint state-parameter estimationstrategy is then realized to see how the method behaves faced with modelingerrors. The method is then tested on a clinically acquired dataset.Then, we look at variational data assimilation methods that allow the estimation of spatially distributed parameters. Several minimization problems, allowing to estimate a conductivity parameter distributed in space, are then introduced and analyzed. We then show that the discretization of these minimization problems, in order to obtain numerical methods of resolution, can be complex. A numerical method is then implemented for one of the studied minimization problems, and three 1D test cases are analyzed.Finally, we demonstrate the existence of a minimum for one of the studiedobjective function based on functional analysis results from theliterature.

L'accumulation du peptide amyloïde Aβ semble être le facteurs décisif dans la<br />physiopathologie de la maladie d'Alzheimer.<br />Au cours de ce travail, nous avons montré différents effets de ces peptides.<br />Nous avons montré les effets de différents types de peptides amyloïdes sur les<br />courants calciques des neurones de l'hippocampe. Ainsi, l'Aβ(25-35) augmente les courants<br />calciques de type L alors que l'Aβ(1-40) ceux de types non-L.<br />Ensuite, l'application de peptide Aβ diminue les courants postsynaptiques excitateurs<br />évoqués mais également des courants miniatures spontanés. Ces diminutions seraient dues à<br />une internalisation des récepteurs AMPA et impliquent des processus inflammatoires et<br />l'activation de voies de transduction.<br />Enfin, lors de l'apoptose neuronale induite par le peptide amyloïde la β-tubuline de<br />classe III est exclue des microtubules et forme des agrégats cytoplasmiques. Ces effets ne sont<br />pas dus à des changements dans les modifications post-traductionnelles de la tubuline.

Mon sujet de thèse consistait à étudier les mécanismes de détection des phytoecdystéroïdes chez la Pyrale du maïs, Ostrinia nubilalis Hübner. Des études préalables, ont montré en effet que la Pyrale du maïs détectait ces produits, chez les larves, grâce à des organes gustatifs. En outre, la présence des phytoecdystéroïdes dans l'alimentation inhibait la prise de nourriture. Ces composés ont donc un double aspect, hormones car ils induisent la mue et antiappétents car ils sont détectés par des cellules gustatives et inhibent l'alimentation.<br />Nous avons précisé les modalités d'action de ces composés sur les cellules gustatives. Dans un premier temps, en précisant le spectre de sensibilité des récepteurs gustatifs. A l'aide de 20 composés différents, nous avons montré que les récepteurs gustatifs avaient une sensibilité (1) différente des récepteurs hormonaux et (2) qu'ils différaient selon le type des sensilles gustatives. Ces résultats suggèrent que d'autres molécules que l'hormone de mue (la 20-hydroxyecdysone ou 20E) peuvent avoir un effet antiappétent plus grand. <br />Dans un deuxième temps, nous avons cherché à mettre en relation la sélectivité de l'alimentation avec la sensibilité aux ecdystéroïdes en mesurant l'activité humorale induite dans les cellules gustatives chez des larves de différentes espèces d'Ostrinia qui ont un régime alimentaire différent (oligophage ou sélectif versus polyphage ou peu sélectif). Les résultats de cette étude a permis de montrer que la sélectivité du régime alimentaire n'a pas de relation directe avec la sensibilité aux ecdystéroïdes. <br />Dans un troisième temps, nous avons tenté d'évaluer si les ecdystéroïdes présentés de manière externe par rapport aux organes gustatifs avaient le même effet que lorsqu'ils étaient injectés dans l'animal. En effet, les animaux proches de la mue cessent de s'alimenter et nous voulions vérifier si le pic hormonal interne ne modifiait pas la sensibilité gustative ce qui aurait pu diminuer la motivation alimentaire. Les expériences menées se sont faites en trois étapes : (1) par une mesure de la sensibilité gustative au cours du stade larvaire sur des insectes alimentés en milieu artificiel ou des feuilles naturelles (2) par une exposition des sensilles à une solution de 20E ou solution saline de la larve (3) par une injection de 20E ou de solution saline dans la larve. Les résultats obtenus montrent que la sensibilité évolue au cours du temps et qu'il est impossible d'enregistrer l'activité électrique des neurones gustatifs en fin de stade, probablement pour des problèmes techniques. L'exposition des sensilles est un protocole traumatique qui donne des résultats intéressants, dans la mesure où l'activité des cellules gustatives semble inhibée. L'injection de 20E montre clairement que le taux d'ecdystéroïdes interne n'a pas d'incidence sur la sensibilité mais module par contre l'alimentation.<br />Enfin, dans une dernière partie, nous avons tenté d'élucider par quelle cellule sont perçus les ecdystéroïdes et si ce sont les mêmes cellules qui détectent toutes les substances antiappétentes. Les protocoles utilisés ont consisté à présenter des substances en mélange et à exposer les cellules à l'un des composés au préalable. Les résultats obtenus étaient en faveur de l'hypothèse qui prévoit que les phytoecdystéroïdes excitent le récepteur aux antiappétents. <br />Les phytoecdystéroïdes jouent un rôle de métabolites secondaires de défense, au moins à l'égard de la Pyrale du maïs.

Pour être réellement exploitables, les données d'enregistrements extracellulaires multiunitaires doivent faire l'objet d'un traitement préalable visant à isoler les activités neuronales individuelles qui les constituent: le spike-sorting. Ce travail de thèse est une contribution au développement et à la réalisation d'une méthode automatique de spike-sorting implémentant un algorithme de Monte Carlo par Chaînes de Markov (MCMC). La méthode proposée permet de tenir compte, en plus de la forme des potentiels d'action (PAs), de l'information fournie par leurs temps d'émission pour réaliser la classification. Cette utilisation de l'information temporelle rend possible l'identification automatique de neurones émettant des PAs de formes non stationnaires. Elle améliore aussi grandement la séparation de neurones aux PAs de formes similaires. Ce travail méthodologique à débouché sur la création d'un logiciel libre accompagné de son manuel d'utilisateur.<br /><br />Cette méthode de spike-sorting a fait l'objet d'une validation expérimentale sur des populations de cellules de Purkinje (PCs), dans les tranches de cervelet de rat. Par ailleurs, l'étude des trains de PAs de ces cellules fournis par le spike-sorting, n'a pas révélé de corrélations temporelles significatives en régime spontané, en dépit de l'existence d'une inhibition commune par les interneurones de la couche moléculaire et d'une inhibition directe de PC à PC. Des simulations ont montré que l'influence de ces inhibitions sur les relations temporelles entre les trains de PCs était trop faible pour pouvoir être détectée par nos méthodes d'analyse de corrélations. Les codes élaborés pour l'analyse des trains de PAs sont également disponibles sous la forme d'un second logiciel libre.

Nous nous sommes attachés à étudier les propriétés électrophysiologiques intrinsèques des neurones vestibulaires centraux. Notre objectif était de déterminer les propriétés fonctionnelles de différentes populations de neurones enregistrés au sein d'un même noyau. Plus précisément, deux types cellulaires ont été décrits au sein du noyau vestibulaire médian (NVM) à partir de la forme de leurs potentiels d'action : il s'agit des neurones de type A et B. Afin de comprendre la pertinence physiologique de cette classification, nous avons comparé les propriétés intrinsèques de groupes de neurones enregistrés dans différentes conditions au sein des noyaux vestibulaires centraux. Nous avons (1) étudié le comportement des neurones du NVM en conditions contrôles. (2) Nous avons étudié la plasticité post-lésionelle des propriétés intrinsèques de ces neurones. (3) Par la suite, nous avons comparé les neurones du NVM et du noyau vestibulaire latéral (NVL) en conditions normales. (4) Finalement nous avons comparé les propriétés des neurones vestibulaires enregistrés chez le cobaye à celles des neurones enregistrés chez la grenouille. Nos études de la plasticité à long terme des propriétés électrophysiologiques des neurones vestibulaires médians au cours de la compensation vestibulaire (1) et (2) nous ont permis de montrer que la labyrinthectomie unilatérale affecte différemment les neurones vestibulaires situés de part et d'autre du tronc cérébral. Les neurones ipsilatéraux à la lésion développent des propriétés de décharge plus toniques qu'en contrôle, alors que les neurones contralatéraux à la lésion développent des propriétés de décharge plus phasiques. D'un point de vue fonctionnel, certaines des modifications observées favoriseront la compensation comportementale des déficits induits par la labyrinthectomie unilatérale, mais d'autres rendront au contraire certaines réponses définitivement impossibles. Puis, en (3), l'extension de nos études aux neurones de Deiters du NVL chez le cobaye a montré comment la fonction particulière des cellules d'un noyau peut déterminer l'expression de leurs conductances. Finalement, en (4), la comparaison des propriétés des neurones vestibulaires centraux de deux espèces nous a permis de proposer une organisation des voies centrales vestibulaires en voies fréquentielles complémentaires de traitement des informations sensorielles. Au sein de chaque espèce, nous retrouvons la même distinction fonctionnelle entre les neurones toniques à réponses plutôt linéaires et les neurones phasiques pourvus de non-linéarités importantes, suggérant une conservation de l'organisation de base du système vestibulaire chez les Vertébrés. L'ensemble de mes résultats peut être interprété dans le cadre d'une coadaptation des propriétés intrinsèques et des entrées synaptiques reçues par les neurones.

L'utilisation de l'imagerie médicale et de mesures électrophysiologiques pour l'étude du cœur permet de mieux comprendre son fonctionnement et les pathologies cardiaques, de fournir des outils d'aide au diagnostic et à la planification de thérapies. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'exploitation de ces données sous deux angles différents. La première partie du travail concerne l'estimation de mouvements dans des séquences d'images échocardiographiques à l'aide de l'imagerie par Doppler tissulaire (TDI). La deuxième partie de ce travail concerne l'analyse de mesures de l'activité électrique du cœur en estimant des paramètres d'un modèle électrophysiologique du cœur. La modalité TDI fournit une information quantitative sur la vitesse des tissus dans la direction de la sonde échographique. Le but de ce travail est d'étudier la déformation du muscle cardiaque en utilisant conjointement le TDI et l'échographie classique. Notre approche combine des calculs de flot optique par la méthode de Horn et Schunck sur la séquence classique d'images échographiques, la mesure partielle de vitesse issue de l'imagerie par Doppler tissulaire (TDI) et une régularisation spatio-temporelle pour estimer les champs de vitesse dans un cadre variationnel. Nous validons cette méthode sur des données synthétiques puis nous l'utilisons sur des séquences réelles. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous intéressons à l'estimation de paramètres du modèle d'Aliev et Panfilov de propagation du potentiel d'action dans les ventricules en utilisant des mesures électrophysiologiques. Grâce à une collaboration avec le ''National Institutes of Health'', nous disposons des temps de dépolarisation mesurés sur l'épicarde de plusieurs cœurs de chiens. Les méthodes classiques ne permettent pas de minimiser l'écart entre le modèle et les données dans ce cas spécifique. Après une étape d'ajustement global, nous proposons de minimiser l'écart quadratique entre les données et le modèle en fonction d'un des paramètres que nous faisons varier localement. Le paramètre choisi est le coefficient de diffusion que nous appelons conductivité apparente car ses variations reflètent à la fois les variations de conductivité et les variations des paramètres de réaction. En utilisant la causalité de la propagation modélisée, nous ramenons le problème à des minimisations unidimensionnelles successives par la méthode de Brent. Nous appliquons cette approche à des données réelles dans des cas normaux et aussi dans des cas de cœurs infarcis. Dans ce dernier cas, nous trouvons une forte corrélation entre les zones de faibles conductivités apparentes et l'infarctus. A l'issue de ce travail, nous envisageons l'utilisation de ces méthodes avec des mesures moins invasives telles que celles obtenues par des systèmes intracavitaires sans contact ou même des électrocardiogrammes. Une autre perspective pour ce travail est l'estimation de paramètres d'un modèle du fonctionnement électromécanique du cœur à partir d'images de déplacement comme celles obtenues grâce à l'IRM marquée.

Le syndrome d'épilepsie mésio-temporale (EMLT) est la forme d'épilepsie focale pharmacorésistante la plus fréquente chez l'adulte et est associé à une sclérose de la formation hippocampique. Le noyau parafasciculaire (PF) du thalamus est étroitement connecté à la fois à différentes régions corticales et à l'ensemble des structures des ganglions de la base, lui permettant de participer aux fonctions sous-tendues par ces structures, incluant à la fois des processus cognitifs, sensoriels et moteurs. L'objectif de ce travail a donc été d'étudier l'implication du PF dans le contrôle des crises d'épilepsies focales mésiotemporales dans un modèle d'EMLT chez la souris, présentant à la fois des caractéristiques électrocliniques, histopathologiques et pharmacologiques similaires à celles de l'EMLT humaine. Nous avons montré que l'activité oscillatoire synchrone du PF augmentait dans la seconde précédant la fin des crises hippocampiques, suggérant une communication entre ces deux structures. Ces données ont été corroborées par l'étude de l'activité unitaire des neurones du PF in vivo, montrant une diminution de leur fréquence de décharge pendant la crise et un rebond d'activité concomitant à la fin de crise dans l'hippocampe. Au regard des connexions du PF, nous avons ensuite montré que la modulation pharmacologique et électrique de l'activité du PF avait une incidence sur les crises hippocampiques, suggèrant un rôle du PF quant à la survenue et à la modulation des évènements paroxystiques hippocampiques. De ce fait, nous avons pu mettre en évidence l'implication du thalamus intralaminaire dans le contrôle à distance des crises focales mésio-temporales, chez la souris EMLT.

Les canaux calciques neuronaux activés par le potentiel électrique de membrane (VGCCs) représentent une des voies majeures d'entrée du calcium dans la cellule nerveuse, où ils participent activement aux processus moléculaires de la transmission synaptique. De ce fait, leur activité est finement régulée, afin de garantir une parfaite coordination entre le flux calcique et les processus cellulaires qui lui sont associés. Aussi, les récepteurs couplés aux protéines G hétérotrimériques (RCPGs) occupent un rôle central dans le rétrocontrôle négatif de l'activité des VGCCs suite à la libération de neuromédiateurs. Cette régulation, directe et spatialement délimitée, est conduite par le dimère Gβγ, dont la fixation sur différents déterminants structuraux de la sous-unité Cav2.x conduit à l'inhibition drastique du courant calcique (régulation "ON"), indépendamment de la présence d'une sous-unité β. Le décrochage du dimère Gβγ, en réponse à l'activation du canal, reverse cette inhibition, et induit un ensemble de modifications phénotypiques apparentes de l'activité du canal (régulation "OFF"). Aussi, nous avons mis en évidence que la notion de "reluctance", décrite par le shift dépolarisant de la courbe d'activation du canal, communément accepté comme un caractère de la régulation "ON", ne traduit en définitive qu'une caractéristique particulière de la régulation "OFF". En revanche, la fixation du dimère Gβγ sur la sous-unité Cav2.x, est à l'origine d'un ralentissement de la cinétique d'inactivation du canal, et représente un caractère nouveau de la régulation "ON". Enfin, nous avons caractérisé l'implication majeure de l'inactivation rapide du canal, dans le caractère "OFF" de cette régulation. L'inactivation se présente comme un catalyseur du décrochage du dimère Gβγ, et délimite une fenêtre temporelle durant laquelle le processus peut avoir lieu. Ensemble, ces résultats permettent une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires à la base de la régulation directe de l'activité synaptique par les récepteurs couplés aux protéines G hétérotrimériques.

Chez les insectes, un seul et unique gène code la sous-unité principale α des canaux sodium dépendant du potentiel (Nav). De plus, quatre à cinq gènes codent les sous-unités auxiliaires β. Bien que la blatte, Periplaneta americana, soit un modèle en neurophysiologie, il n'existe aucune donnée sur les structures moléculaires des canaux Nav de cette espèce. L'objectif de cette thèse était de caractériser les canaux Nav exprimés au niveau de la chaine nerveuse (CN), du dernier ganglion abdominal (DGA) et des DUM neurones octopaminergiques. Tout d'abord, nous avons mis en évidence que la diversité moléculaire de la sousunité principale est générée par épissage alternatif au niveau de trois régions du canal. Les combinaisons d'exons majoritaires identifiées parmi les ADNc de CN et du DGA sont l'exon A seul (boucle L1), la combinaison EFHG1129 (boucle L2) et l'exon G1 (IIIS3-S4). En dépit de cette diversité moléculaire, nous n'avons isolé qu'un seul ADNc de 6153 pb codant une sous-unité principale dénommée PaNav1. La combinaison d'exons alternatifs caractérisant cette isoforme (J, A, E, F, G1129, H, G1) s'est alors avérée représentative des ADNc les plus exprimés dans la CN et le DGA. Par contraste, dans les neurones DUM, nous n'avons identifié qu'une seule population d'ADNc codant chaque région citée précédemment. Par ailleurs, une analyse bioinformatique à partir des génomes séquencés d'insecte a permis de montrer que les exons optionnels I et F sont les moins conservés entre les différents ordres d'insecte. Parallèlement à la caractérisation des sous-unités principales classiques, nous avons découvert un nouveau gène codant des sous-unités α atypiques nommées PaFPC1 et PaFPC2. Ces dernières comptent 1153 résidus d'acide aminé dont huit qui les distinguent. Elles partagent seulement 59% d'identité protéique avec PaNav1. L'absence du motif moléculaire impliqué dans l'inactivation des canaux Nav suggère que ces nouvelles sousunités possèdent des propriétés électrophysiologiques originales. Une analyse phylogénétique détaillée a permis de montrer que PaFPC1 se branche à la base des sousunités α des canaux Nav d'insecte. Cette découverte montre alors pour la première fois l'existence d''un événement de duplication du gène des canaux Nav chez les insectes. Finalement, nous avons clonés deux populations d'ADNc codant des sous-unités auxiliaires nommées PaTEH1.1 et PaTEH1.2. Grâce à la récente mise à disposition du génome de plusieurs espèces d'insecte, nous avons pu conduire une étude phylogénétique clarifiant la situation des sous-unités auxiliaires de canaux Nav au sein de ce taxon. De plus, une étude électrophysiologique préliminaire dans des ovocytes de xénope a permis de montrer que PaTEH1.1 se comporte comme une protéine chaperonne. C'est à dire qu'elle augmente significativement l'expression des sous-unités principales d'insecte. Ainsi, nos résultats originaux offrent un nouveau regard sur les canaux Nav et ouvrent de nouvelles perspectives quant à la compréhension des acteurs moléculaires à la base de l'excitabilité membranaire chez les insectes.