Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La microstructure de l'émail est étudiée depuis longtemps, mais ses modalités de formation sont encore floues. J'ai employé une approche multi-disciplinaire alliant paléontologie et biologie cellulaire dans une perspective évolution-développement afin de parvenir à une vision intégrée et en profondeur de la microstructure, de sa morphologie et de ses modes de formation. J'ai ainsi pu décrire en 2D l'évolution de la microstructure chez un grand groupe de mammifères fossiles et actuels, les cétartiodactyles, qui ont révélé que tous les caractères de l'émail ne se valent pas, et font état de différentes contraintes développementales les rendant plus ou moins labiles aux changements évolutifs. J'ai également travaillé au niveau cellulaire et en 3D avec des modèles actuels, en particulier des rongeurs, sur les rapports entre les prismes d'émail et leurs cellules sécrétrices, les améloblastes, révélant que l'agencement de ces derniers contribue en grande part à la morphologie de la microstructure. Enfin, j'ai réalisé une démarche de synthèse, en proposant un modèle de la microstructure de l'émail chez les mammifères sur la base de mes données 2D+3D. Il en est ressorti d'une part un nouveau logiciel de reconstruction virtuelle de la microstructure, Simulémail, et il a été mis en évidence différents moyens de générer la décussation chez les mammifères, ainsi que les probables mécanismes développementaux sous-jacents. / I approached enamel microstructure's morphology and modes of formation with a dual angle, combining paleontological and cellular biology observations, in 2D and 3D. Studying microstructure of extinct and extant Cetartiodactyla in a phylogenetic context, I discovered that some enamel characters are more likely to evolve and change than others, which is linked to different developmental constrains. I also explored microstructure through the relationship between enamel prisms and ameloblasts, the enamel-secreting cells, showing that the arrangement of the cells is directly associated with the prisms'. Then, combining these data, I constructed a model of mammalian enamel microstructure based on 2D and 3D observations and suggested underlying cellular mechanisms, and created a new software dedicated to enamel reconstruction, Simulémail, based on this model. It helped to show that microstructure is not always created the same way for different mammals, and allowed to explore enamel characters efficiently.

La formation de l'émail dentaire met en jeu des phosphoprotéines sécrétées liant le calcium. Parmi celles-ci figurent amélogénine (AMEL), améloblastine (AMBN) et énaméline (ENAM), qui ont fait l'objet de nombreuses études chez les mammifères. Plus récemment, une quatrième protéine de la même famille a été découverte, l'amélotine (AMTN). Elle n'a été étudiée que chez les rongeurs et son rôle au cours de l'amélogenèse reste mal défini. L'objectif de cette thèse est d'élargir les connaissances sur AMTN en étudiant son évolution chez les amniotes et son expression au cours de l'amélogenèse chez le lézard Anolis carolinensis. Les séquences d'AMTN d'un grand nombre d'amniotes ont été extraites des bases de données ou obtenues par PCR, et analysées. Ces analyses ont mis en évidence différentes structures géniques et des acides aminés très conservés au cours de l'évolution. Cette conservation indique qu'ils sont essentiels à la structure ou à la fonction de la protéine. L'expression d'AMTN ainsi que celle d'AMEL, AMBN et ENAM ont été étudiées par hybridation in situ sur des coupes de mâchoires de lézard. La comparaison des patrons d'expression chez le lézard avec ceux décrits chez la souris a révélé des différences dans l'expression spatio-temporelle d'AMTN. De ce fait, afin de mieux comprendre l'évolution de ce gène, son expression a été étudiée chez un amphibien (Pleurodeles waltl) et un marsupial (Monodelphis domestica).Ces travaux suggère un lien entre l'évolution de la structure génique d'AMTN (perte d'exons et de domaines fonctionnels) et de son expression (précoce versus tardive) avec l'émergence de la structure prismatique de l'émail chez les mammifères. / Enamel formation requires the involvement of secretory calcium-binding phosphoproteins. Three of them, amelogenin (AMEL), ameloblastin (AMBN) and enamelin (ENAM), have been extensively studied in mammals. More recently, a fourth protein belonging to the same family has been identified: amelotin (AMTN). AMTN has only been studied in rodents and its role during amelogenesis remains unclear.The aim of this thesis is to extend the knowledge on AMTN by studying its evolution in amniotes and its expression in the lizard Anolis carolinensis.AMTN sequences from many amniote species have been extracted from databases or obtained by PCR, and analyzed. Those analyses allowed us to reveal differences in the gene structure and to highlight residues that were conserved during mammalian or amniote evolution. These conserved amino acids are essential to the structure and/or function of the protein.The expression of AMTN and of AMEL, AMBN and ENAM has been studied by in situ hybridization on lizard jaw sections. Comparison of the expression pattern of these genes during amelogenesis in the lizard with that described in rodents points to similarities (AMEL, AMBN and ENAM) but also to important differences, especially in the spatio-temporal expression of AMTN. In order to better understand AMTN evolution in tetrapods, I studied its expression in an amphibian (Pleurodeles waltl) and a marsupial (Monodelphis domestica).Taken together, these results suggest a link between the evolution of AMTN gene structure (loss of exons and of functional domains in mammals) and its expression (early in non-mammals versus late in mammals) with the emergence of prismatic structure of enamel in early mammals.

Ce travail de thèse porte sur la variation exo- et endostructurale des couronnes des dents permanentes du maxillaire et de la mandibule chez les Néandertaliens et les Hommes modernes. Il intègre trois champs d’investigation faisant appel à l’imagerie a haute-résolution (e.g. μCT-scan) et a la 3eme dimension appliquées sur les canines, les prémolaires et les molaires. L’un de ces champs concerne l’épaisseur et la proportion de l’email 3D, le deuxième concerne la forme de la surface externe de l’email et de la jonction email-dentine (morphométrie géométrique 3D) et le dernier concerne les traits non métriques a la surface externe de l’email et à la jonction email-dentine. Cette étude comprend un échantillon microtomographique de 190 dents néandertaliennes, incluant les données inédites des dents de l’Hortus (Hérault, France) et du Portel-Ouest (Ariège, France) (n=45), et de 300 dents d’Hommes modernes. Les résultats montrent que l’approche 3D des couronnes dentaires au moyen de la microtomographie s’avère être très utile pour distinguer les Néandertaliens des Hommes modernes en termes d’épaisseur et de proportion d’email 3D pour la majorité des dents étudiées, a l’exception des M1/M1 et de la forme 3D du contour marginal de la JED de la majorité des dents. De plus, des différences dans l’organisation des tissus des couronnes ont été observées au sein de l’échantillon des Néandertaliens entre les spécimens de Krapina, pouvant être considères comme des premiers représentant de ce taxon (SIM5e, env. 130 ka) et ceux de l’Hortus et du Portel, pouvant être considérés comme des derniers représentants (SIM3, env. 44 ka) et dont l’organisation des tissus des couronnes dentaires se rapproche de celle des Hommes modernes. Cela suggère une importante variation intergroupe chez les Néandertaliens d’ordre géographique ou diachronique, lequel se traduirait par une réorganisation endostructurale des tissus coronaires en lien avec la réduction du volume absolu des couronnes dentaires. / This work focuses on the exo- and endostructural crowns variations of maxillary and mandible permanent teeth of Neandertals and modern Humans. It integrates three fields of investigation using high-resolution imaging (e.g. μCT-scan) and the third dimension applied in canines (excepted 3D geometric morphometrics), premolars and molars. One of these fields relates to the 3D enamel thickness and the 3D tissues proportion, the second concerns outer enamel surface and enamel-dentine junction shapes (3D geometric morphometrics), and the third concerns the nonmetric traits at the outer enamel surface and enamel-dentine junction. This study includes a sample of 190 microtomographic Neandertal teeth, including unpublished microtomographic data of Hortus (Hérault, France) and Portel-Ouest (Ariège, France) teeth (n = 45), and microtomographic sample of 300 modern Humans teeth. The results show that 3D approach of dental crowns using microtomography data is very useful to distinguish Neandertals from modern Humans in terms of 3D enamel thickness and tissues proportions (except for the M1 / M1), as well as in terms of the EDJ marginal edge shape, for the majority of studied teeth. Moreover, differences of tissues organization in crowns were observed within the Neandertal sample, between the Krapina specimens, that can be considered as a group of early Neandertals (MIS 5e, approx. 130 ka), and the Hortus and Portel specimens, that can be considered as a group of least Neandertals (MIS 3, approx. 44 ka) and show a tissues organization of dental crowns more similar to modern Humans. This suggests a significant geographic or diachronic inter-group variation among Neandertals that seems to relate endostructural reorganization of the coronary tissues to the reduction of the absolute volume of dental crowns.

L'étude du développement physiologique humain et de sa variabilité a toujours été au centre des préoccupations non seulement des anthropo-biologistes, mais également des médecins légistes, des dentistes, orthodontistes et des pédiatres. Les attentes de la société dans ce domaine de l'identification biométrique ont évolué. Désormais, la qualité des identifications ne se présume plus. Elle doit être définie, évaluée, prouvée et, au-delà, constamment améliorée. L'objectif de cette thèse était de concevoir et de réaliser un système optique pour la mesure et l'analyse des périkymaties de la couronne de la dent. L'intérêt principal est de proposer un système non invasif pour la mise en évidence des périkymaties, utiliser, tester et évaluer la qualité d'une méthode de comptage des périkymaties. Le but étant la détermination de la périodicité des périkymaties, pour un classement des Hominidés. En s'appuyant sur les théories optiques: la réflectance bidirectionnelle (BRDF) et la fonction bidirectionnelle de la texture (BTF), nous avons reçu et réalisé un système optique qui répond à tous ces critères. Au vu des résultats que nous avons obtenus sur des dents du registre des fossiles, largement étudiés dans la littérature, nous pouvons souligner la pertinence de notre approche. En effet, les résultats de nos mesures ont démontré pour la première fois la variabilité chez l'Homme actuel. Le système optique que nous avons développé permet aussi de mesurer la variabilité de la périodicité des périkymaties, rappelons que cette périodicité n'est que, très partiellement connue chez l'Homme actuel et pourrait chevaucher celle observée chez les Hominidés fossiles. Notre outil offre alors un outil objectif pour un classement des Hominidés.

Les diagnostics d’hypominéralisations molaire-incisive (HMI) et de colorations post-mortem de l’émail sont peu fiables et reproductibles dans des séries archéologiques. Notre guide de diagnostic a permis de distinguer les hypominéralisations de l’émail des colorations taphonomiques. L'émail hypominéralisé est caractérisé par des taux de β-carbonate plus élevés et une densité minérale plus faible. Les colorations taphonomiques présentent une concentration plus élevée en manganèse, en fer, en cuivre et en plomb, mises en évidences par des analyses en fluorescence X. Les dentures d’individus immatures issus de 21 séries archéologiques ont été examinés et comprenaient : 4 séries françaises, Sains-en-Gohelle (Pas-de-Calais), Cognac-Saint-Martin (Charente), Beauvais (Oise) et Jau-Dignac-et-Loirac (Gironde) provenant de cimetières médiévaux et post-médiévaux et 17 séries anglaises (Londres) provenant de cimetières romains, médiévaux et post-médiévaux. Nous avons dénombré 555 individus dont l’âge au décès est compris entre 5 et 19 ans et dont la datation chronologique s’étale sur une période allant du 1er au 19ème siècle. Au total, sur les 290 individus avec au moins une première molaire permanente (PMP) présente, 42 avaient au moins une opacité délimitée de l’émail sur une PMP (soit 14,5%). Parmi les 17 individus dont les dents ont été analysées, les tests statistiques n’ont mis en évidence que 9 cas de HMI, soit 52,9% de l’effectif. Une prévalence de 9,3% de HMI a été estimée dans nos séries archéologiques ce qui avoisine les prévalences connues à l’heure actuelle dans les populations du vivant en Europe. Les défauts du développement de d'émail sont souvent utilisés comme indicateurs de la santé générale dans les populations archéologiques passées. La possibilité de trouver des HMI dans des populations anciennes minimise l’importance de certaines hypothèses étiologiques contemporaines (par exemple les dérivés de dioxines, les bisphénols ou les antibiotiques) sans exclure l'aspect multifactoriel possible de l'anomalie. / Developmental enamel defects are often used as indicators of general health in past archaeological populations. It can be difficult to macroscopically distinguish subtle hypomineralised enamel opacities such as Molar Incisor Hypomineralisation (MIH) from post-mortem staining. The diagnostic guide developed enables the differentiation of developmental hypomineralisation of enamel from taphonomic discolorations. Hypomineralised enamel had higher β-carbonate rates and lower mineral density. Taphonomic discoloration had higher concentration of manganese, iron, copper and lead, determined by means of X-ray fluorescence analyses. Sub adults from 21 archaeological series were examined and included: 4 French series, Sains-en-Gohelle (Pas-de-Calais), Cognac-Saint-Martin (Charente), Beauvais (Oise) and Jau-Dignac-et-Loirac (Gironde) from medieval and post-medieval cemeteries and 17 English series (London) from Roman, medieval and post-medieval cemeteries. We recorded 555 individuals aged between 5-19 years dating from 1st to 19th century. Among 290 specimens with at least one first permanent molar (FPM) present, 42 showed at least one FPM opacity (14.5%). Among the 17 individuals whose teeth were analysed, statistics highlighted 9 cases of MIH (52.9%). MIH prevalence of 9.3% was estimated among the archaeological series which is close to prevalence in living populations in Europe. The identification of MIH among past populations downplays contemporary aetiological hypotheses (e.g. dioxins, bisphenols, antibiotics) without excluding multifactorial aetiology of this pathology.

L'objectif de ce travail est de contribuer à la compréhension du système technique des sociétés de la fin du Néolithique en Provence entre le milieu du 4ème et le début du 2ème millénaire avant J.-C par la caractérisation de l'économie animale et des modalités de gestion des troupeaux des groupes humains du Néolithique final provençal. Il s'appuie sur un corpus de huit sites d'habitats de plein air localisés en Provence-Alpes-Côte-d'Azur et issus de contextes chrono-culturels fiables : Le Collet-Redon, Ponteau-Gare, La Brémonde, La Citadelle, La Fare, Le Mourre-du-Tendre, Le Plan Saint-Jean et Les Calades. Les techniques et les pratiques d'élevage mises en œuvre sont abordées tant du point de vue techno-économique qu'au niveau de la saisonnalité des activités d'élevage. <br />L'économie animale des groupes humains de la fin du Néolithique en Provence se caractérise à la fois par une uniformisation des modes d'approvisionnement carné, fourni principalement par le bœuf puis par les caprinés et les cochons, et par une exploitation de l'ensemble des produits animaux, de leur vivant et après abattage, à la fois diversifiée et complémentaire entre les différents cheptels (viande, lait, graisse, toisons et force). Par l'analyse de la composition isotopique en oxygène de l'émail dentaire des caprinés actuels puis archéologiques, nous avons pu mettre en évidence, sur les sites du Collet-Redon et de La Citadelle, que les mises bas sont regroupées entre le milieu de l'hiver et le début du printemps. A partir de la saisonnalité des abattages, aux vues de l'ensemble des informations issues du mobilier archéologique, nous avons pu proposer des hypothèses sur la saison d'occupation des sites : certains sites sont occupés de manière permanente et d'autres de manière saisonnière (La Citadelle). A la fin du Néolithique, il est possible d'envisager une diversification fonctionnelle des sites dans l'espace pastoral, notamment pour les besoins en pâturage. <br />Comparés à la période néolithique précédente, les choix de gestion révèlent des changements socio-économiques. La mise en évidence d'élevages orientés vers la viande, la recherche d'un apport en protéines animales maximum, l'exploitation des bovins pour leur force, sont autant d'éléments qui traduisent des réponses à de nouveaux besoins comme de l'acceptation de nouvelles techniques, en relation avec la sédentarisation croissante et l'augmentation de la démographie. A partir de la description des modes de consommation, nous avons pu accéder à une partie de la structuration des groupes humains : groupes de consommateurs, groupes de producteurs et gardiens de troupeaux.

La datation non destructive de formations carbonatées a été entreprise par spectrométrie y du déséquilibre de la famille 238*U (limité par 230Th - Ionium - 75 ka). Un nouveau spectromètre y Ge-HP à bas bruit-de-fond <10 ppb U - équivalent) a permis de dater des échantillons de faible teneur en U (> 0,1 ppm) et peu contaminé en Th < 5% U par comparaison avec des étalons en équilibre radioactif. - Une nouvelle méthode de datation par dosimétrie RPE comparative a été appliquée sur l'émail dentaire de mammifères fossiles. Cette méthode semble pouvoir être utilisée de ~ 0,1 à plus de 10 Ma. - Application à la Caune de l'Arago (Tautavel, France) : L'âge - Ionium de la formation supérieure - 120 ka (10%) - indique une mise en place pendant la fin du Riss. La formation intermédiaire contaminée (Th/u ~ 50%) n'a pu être datée. - L'âge - RPE de l'émail de EQUUS mosbachensis est : - 400 ka (10%) pour le sol G - associé à H. erectus Arago XXI _ - 600 ka (10%) pour le sol Q - ~ 1 m. au-dessus de la formation inférieure dont l'âge - Ionium est plus ancien que 350 ka.

Les taches blanches sont liées à l'hypominéralisation sous la surface de l'émail et sont la 1ère étape du développement de la carie dentaire. La détection précoce des caries dentaires naissantes avant qu'elles n'atteignent le stade de la cavitation offre une opportunité pour des soins dentaires efficaces. Pour réaliser les objectifs de cette étude qui sont de renforcer l'idiome des soins minimalement invasifs, nous avons identifié un modèle de cycle de pH modifié qui permet d’imiter les conditions intra-buccales qui conduisent à la formation de lésions de type tache blanche, dans un court laps de temps. Des techniques optiques non invasives, comme la microscopie Raman confocale et la microscopie multiphotonique, ont été utilisées dans cette étude pour détecter de petits changements dans la composition chimique de l'émail in vitro.De plus, la technique de nano-indentation a été appliquée pour étudier les changements dans les propriétés mécaniques de l'émail et les relier à ceux affectant sa composition chimique après l'induction des caries, afin d‘ajouter de la spécificité chimique-mécanique aux informations sur les lésions sous-surface de l'émail. Les résultats obtenus démontrent un grand potentiel pour les techniques examinées, fournissant une base pour des applications intéressantes dans le diagnostic clinique de différentes pathologies dentaires. Pour résoudre le problème du traitement des lésions primitives sans intervention chirurgicale, l'efficacité de la crème GC Tooth Mousse et du dentifrice contenant de la nano-hydroxyapatite «KAREX» dans l'amélioration de la reminéralisation de l'émail déminéralisé par la localisation du phosphate de calcium amorphe à la surface de la dent a été inspectée. L'étude a indiqué le manque de preuves fiables soutenant l'efficacité des agents reminéralisants dans le traitement des taches blanches. Ce travail doit être poursuivi par d'autres études in-vitro et par des études cliniques. / White spot lesion is the subsurface hypomineralization of enamel indicating the 1st stage of dental caries development. Early detection of incipient dental caries before it reaches the stage of cavitation offers an opportunity for effective dental care. The objectives of this study were to strengthen the idiom of minimally invasive treatment. In order to achieve the specified goals; we have identified a modified pH cycling model that can mimic the intraoral conditions leading to white spot lesions formation in a short time. In addition, non-invasive optical techniques, such as confocal Raman microscopy and multiphoton microscopy were used in this study to detect small changes in the enamel chemical composition in vitro.Furthermore, nano-indentation technique was used to detect the changes in the mechanical properties of enamel and relate them to those affecting its chemical composition after caries induction in order to add chemico-mechanical specificity in providing important information about subsurface lesions in enamel. The obtained results demonstrate a great potential for the examined techniques, providing a basis for interesting applications in the clinical diagnosis of various pathological conditions in dentistry. To treatment the incipient carious lesions non-invasively, the effectiveness of GC Tooth Mousse cream and nHA containing-dentifrice "KAREX" in the remineralization of demineralized enamel through localizing amorphous calcium phosphate at tooth surface has been inspected. The study indicated a lack of reliable evidence supporting the efficacy of remineralizing agents in the treatment of white spot lesions. Within the limitations of this study, further laboratory studies together with clinical research are therefore required to increase the available knowledge on this prevalent subject.

À partir de la fin du Pléistocène, une réduction de la taille des dents humaines et une simplification morphologique ont été observées et débattues en lien avec des changements culturels et environnementaux. Suite à de nouvelles découvertes et à la révision des contextes archéologiques de certains gisements, une réévaluation de la nature des variations de plus de 1900 couronnes dentaires est proposée pour 176 individus de la fin du Paléolithique, du Mésolithique et du début du Néolithique provenant du Bassin aquitain et de ses marges. Particulièrement, les variations de la structure interne (épaisseur de l’émail, proportions des tissus dentaires, morphologie de la jonction émail-dentine) ont été évaluées de manière non invasive grâce aux méthodes d’imagerie 3D (microtomographie) et de morphométrie géométrique afin de caractériser et d’interpréter l’évolution des couronnes dentaires selon une approche intégrée. Les résultats des analyses morphométriques montrent une discontinuité entre les populations de la fin du Pléistocène et celles du début de l’Holocène. Une réduction des dimensions externes, des épaisseurs de l’émail et des proportions des tissus est mesurée entre la fin du Paléolithique et le Mésolithique, alors que des différences majeures dans les types d’usure et la distribution de l’émail sont observées entre le Mésolithique et le Néolithique. Ces données suggèrent que les modifications induites par les changements environnementaux de l’Holocène ont eu un impact plus important sur la réduction dentaire dans les populations humaines et que les changements culturels néolithiques ont surtout affecté la distribution de l’émail. Enfin, une corrélation entre le type d’usure occlusale et la distribution de l’épaisseur de l’émail a été mise en évidence et associée à des changements de régime alimentaire. En particulier, l’épaisseur de l’émail peut évoluer rapidement comme une réponse sélective aux changements fonctionnels dans la biomécanique de la mastication. / Since the Late Pleistocene, a reduction in size and a morphological simplification of human teeth have been observed and arguably linked to cultural and environmental changes. Following new discoveries along with the revision of key archaeological contexts, a re-assessment of the nature of crown variations on more than 1900 teeth is proposed for 176 Late Paleolithic, Mesolithic and Early Neolithic individuals from the Aquitaine Basin and its margins. In particular, a non-invasive assessment of internal tooth structure variability (enamel thickness, dental tissue proportions, enamel-dentine junction morphology) has been performed using 3D imaging methods (microtomography) and geometric morphometrics in order to characterize and interpret dental evolution from a whole crown perspective. Results from the morphometric analyses show a discontinuity between Late Pleistocene and Early Holocene populations. External dimensions, enamel thicknesses and tissue proportions are reduced in Mesolithic individuals compared to those of the Late Paleolithic, while major differences are observed in occlusal wear patterns and enamel distribution between Mesolithic and Early Neolithic samples. These data suggest that environmentally-driven modifications during the Early Holocene had a major impact on dental reduction in human populations and that Neolithic cultural changes had mostly affected enamel distribution. Finally, a correlation between occlusal wear pattern and enamel thickness distribution is observed and associated with dietary changes. In particular, enamel thickness may have rapidly evolved as a selective response to functional changes in masticatory biomechanics.