This study examined the effect of optic tract ablation on retinotectal fiber regeneration in goldfish. Approximately two-thirds of the left optic tract was removed, and, at various times post lesion (10-75 days), the course of regenerating retinotectal fibers was traced using horseradish peroxidase. In all experimental animals, axons were observed regenerating through the visual pathway but at the brachia most of the fibers were channeled through the ventral brachium. We present evidence that fibers in the ventral brachium originated from ganglion cells in all regions of retina and that these fibers grew almost exclusively into ventral half tectum even though some of these fibers would normally synapse in dorsal half tectum. These observations suggest that optic tract ablation does not prevent retinal fiber regeneration but results in aberrant growth through the brachia and significant inhibition of exploratory fiber growth within the tectum.

acase@tulane.edu

Le développement du système nerveux central fait intervenir de nombreux processus cellulaires comme la prolifération, la différenciation, l'apoptose, la migration neuronale et le guidage axonal. Ces processus sont finement régulés et aboutissent à la formation d'un système nerveux central fonctionnel. Au cours de cette thèse, je me suis principalement intéressé à une molécule chimiotropique, la Nétrine-1 et à ses récepteurs APP (Amyloïd-b Precursor Protein) et DCC (Deleted in Colorectal Cancer). La Nétrine-1 est impliquée à la fois dans le contrôle de la navigation neuronale (ie migration neuronale et guidage axonal) et dans celui de la survie neuronale. Un premier aspect de mon travail a consisté à étudier le rôle d'un nouveau récepteur à la Nétrine-1 : APP. Nous avons donc démontré que APP est un récepteur à la Nétrine-1 impliqué dans le guidage des axones commissuraux. En effet, APP collabore avec DCC afin de stimuler la croissance axonale en réponse à la Nétrine-1. Le second aspect de mon travail a été l'étude du rôle de la Nétrine-1 en tant que facteur de survie neuronale. En effet, son récepteur DCC appartient à la famille des récepteurs à dépendance. En absence de Nétrine-1, DCC ne reste pas inactif, mais déclenche une signalisation pro-apoptotique qui va éliminer la cellule. Nous avons démontré que pendant le développement du système nerveux, la Nétrine-1 inhibe cette signalisation et contrôle la survie des neurones commissuraux. Le contrôle de la signalisation pro-apoptotique de DCC par la Nétrine-1 pourrait ainsi réaliser un contrôle qualité des projections axonales et faciliter l'orientation du cône de croissance lors du guidage du cône de croissance / The development of the central nervous system requires several cellular processes such as proliferation, differentiation, apoptosis, neuronal migration and axon guidance. This whole process is finely regulated and leads to the formation of a functional central nervous system. During my thesis, I have mainly worked on a chemotropic molecule, Netrin-1 and its receptors APP (Amyloid-ß Precursor Protein) and DCC (Deleted in Colorectal Cancer). Netrin-1 is involved in both neuronal navigation (neuronal migration and axonal guidance) and neuronal survival. I have firstly investigated the role of a new Netrin-1 receptor, APP during axonal guidance. We have shown that APP is involved in the guidance of commissural axons. Indeed, APP collaborates with DCC in order to promote axonal outgrowth in response to Netrin-1. Thereafter, I have investigated the role of Netrin-1 as a neuronal survival factor. In fact, the Netrin-1 receptor DCC belongs to the dependence receptor family. In absence of Netrin-1, DCC does not remain inactive, since it triggers a pro-apoptotic signalling pathway. During the development of the central nervous system, we have shown that Netrin-1 blocks the pro-apoptotic signalling pathway and promotes neuronal survival. The Netrin-1 control of DCC pro-apoptotic signalling might carry out a “quality control” of the axonal projection or/and it could promote the steering of the growth cone during axonal guidance

This study examined the precision of central fiber growth in a subpopulation of dorsal root ganglion neurons in developing mouse spinal cord. Immunohistochemical techniques using a monospecific, polyclonal antiserum to mouse adenosine deaminase (ADA) were utilized to label a population of primary sensory afferents that have been found to exclusively innervate laminae I and II of the dorsal horn in adult mice. Initial growth of ADA-immunoreactive (ADA-IR) primary afferents occurred very early in development, embryonic day 10 (E10), a time coincident with the earliest settling time of dorsal root ganglion neurons. Adenosine deaminase immunoreactive primary afferents were observed throughout the cross-sectional area of the primordial dorsal funiculus (DF) as early as E10. Immunostained fibers remained quiescent in the DF during its growth and separation into the tract of Lissauer and dorsal column pathway. By E15, the two pathways had formed and ADA-IR fibers were observed exclusively in the tract of Lissauer. This segregation of fibers remained throughout development and reflected the adult pattern. Growth was reinitiated at E16 when the fibers advanced into the dorsal horn and proceeded directly to laminae I and II mimicking their adult distribution. Exuberant fiber growth was not detected throughout their development. These results strongly suggest that ADA-IR fibers exhibit precise fiber guidance to a preferred pathway, the tract of Lissauer, and accurate laminar innervation of the dorsal horn.

Dans cette thèse, je me suis intéressé aux mécanismes qui permettent aux axones des neurones sensoriels de trouver leurs organes cibles à une grande distance. Dans le cas du système de la ligne latérale postérieure (LLP) du poisson-zèbre, des organes sensoriels sont déposés au cours de la migration d'un primordium. Des neurites sensoriels accompagnent le primordium au cours de cette migration et sont ainsi guidés vers leurs organes cibles. J'ai démontré que l'inactivation du signal «Glial cell line-Derived Neurotrophic Factor » (GDNF) rend les axones sensoriels incapables de suivre le primordium. GDNF est également utilisé comme signal de guidage lors de la régénération axonale après section du nerf et donc permet aux axones de retrouver leur cible. Ensuite j'ai démontré que le signal « Brain Derived Neurotrophic Factor » (BDNF) exerce un autre rôle dans le développement de la LLP puisqu'il est essentiel pour l'ancrage et la connexion des axones à leurs organes cibles. Dans une deuxième partie, nous avons montré que le développement de la LLP embryonnaire du Thon Rouge est fortement similaire à celui du Poisson-Zèbre, pourtant relativement basal. Cette similitude comprend le fait que les axones de la LLP suivent le primordium. / In this thesis, I address the question of how peripheral axons of sensory neurons find their distant target organs. In the case of the posterior lateral line (PLL) system of zebrafish, sensory organs are deposited by a migrating primordium and sensory neurites accompany this primordium during its migration. In this way, the neurites are guided to their prospective target organs. I show that the inactivation of «Glial cell line Derived Neurotrophic Factor » (GDNF) signaling leads to the inability of sensory axons to track the migrating primordium. GDNF signaling is also used as a guidance cue during axonal regeneration following nerve cut. I conclude that GDNF is a major determinant of directed neuritic growth and of target finding in this system, and propose that GDNF acts by promoting local neurite outgrowth. Further, I demonstrate that «Brain Derived Neurotrophic Factor » (BDNF) signaling exerts another role in PLL development as it is essent ial to anchor and properly connect axons to their targets organs.In another project, we could demonstrate that the development of the embryonic PLL of the atlantic blue-fin tuna shows striking similarities to that of the relatively basal zebrafish, including that PLL axons follow the migrating primordium.

Le guidage axonal est un processus très important dans le développement du cerveau, permettant de lui donner sa structure et son organisation. La communauté scientifique des neurosciences lui porte un intérêt grandissant ces dernières années. Plusieurs outils appartenant au domaine des microtechnologies, que sont la microfluidique et le micropatterning, sont d’une aide importante pour étudier le guidage axonal in vitro. Ils permettent de confiner les neurones et leurs axones et de leur appliquer des gradients de molécules de guidage. Lors de ce travail de thèse, j’ai voulu développer un système pour étudier l’effet de gradients de molécules de guidage sur le guidage axonal. J’ai pour cela testé plusieurs configurations de dispositifs microfluidiques, de micromotifs (micropatterns) et de combinaisons de ces derniers.Nous avons d’abord utilisé deux approches pour isoler les axones de neurones dissociés de leurs somas afin de pouvoir étudier, à haut débit, l’effet de l’environnement moléculaire sur les cônes de croissance des neurones. La première approche consistait à faire pousser des neurones sur des motifs (patterns) de différentes protéines. Elle a permis de montrer leur capacité d’adhésion spécifique sur ces motifs. La seconde consistait à ensemencer des neurones dans un dispositif microfluidique dans lequel, lors de leur pousse, les axones sont séparés des somas par des microcanaux. Nous avons ensuite étudié l’effet, sur les axones, de gradients de molécules de guidage. Pour commencer, nous avons mesuré l’effet de deux molécules de guidage : l’éphrine et la sémaphorine, en cultivant des neurones en présence de gradients patternés de ces deux molécules. Par la suite, nous avons étudié un autre modèle où les neurones sont plus proches de leur environnement in vivo, des explants poussant sur des motifs de laminine contenant un gradient. Pour aider au positionnement de l’explant, nous avons polymérisé des hydrogels. Ensuite, nous avons mis des explants à côté de gradients patternés d’éphrine. Enfin, nous avons cherché à obtenir un gradient soluble de molécules de guidage entretenu sur des temps longs, plus proche des gradients existant in vivo. Dans ce but, nous avons voulu fabriquer un dispositif microfluidique permettant d’appliquer un gradient soluble de molécules de guidage sur des neurones. Pour obtenir un gradient stable dans le temps, nous avons aussi cultivé des neurones à côté de cellules exprimant la nétrine, une autre molécule de guidage. Pour finir, nous avons cultivé des neurones et des glies dissociés pour étudier leurs interactions.L’ensemble de ces recherches n’a pas permis d’obtenir un dispositif fiable pour étudier l’effet de molécules sur la pousse et le guidage des axones. Néanmoins, la configuration consistant en une coculture de neurones à proximité de cellules relargant de la nétrine nous a permis d’obtenir des premiers résultats encourageants. Nous avons ainsi mis au point un ensemble de méthodes qui pourront nous permettre de finaliser le développement d’un système pour étudier le guidage axonal, fonctionnel et efficace. / Axonal guidance is a very important process during brain development, allowing to give it its structure and organization. The neuroscience scientific community has a growing interest in it during the last years. Several tools belonging to the field of microtechnologies, microfluidics and micropatterning are of important help to study axonal guidance in vitro. They allow to confine neurons and their axons and to apply gradients of guidance molecules. During this thesis, my goal was to develop a system to study the effect of guidance molecules gradients on axonal guidance. For that, I tested several configurations of microfluidic devices, micropatterns and combinations of both.First, we used two approaches to isolate dissociated neurons axons from their somas. Our goal was to study the effect of the molecular environment on neurons growth cones, with a high throughput. The first approach consisted in growing neurons on different proteins patterns. It also allowed to show their capacity to adhere on these patterns. The second one consisted in seeding neurons in a microfluidic device in which, during their growth, axons are separated from somas by microchannels. Then we studied the effect, on the axons, of guidance molecules gradients. To begin, we measured the effect of two guidance molecules: ephrin and semaphorin, by culturing neurons in the presence of patterned gradients of these two molecules. After that, we studied another model where neurons are closer from their environment in vivo, explants growing on laminin patterns containing a gradient. To help the explant positioning, we polymerized hydrogels. Then, we put explants next to patterned gradients of ephrin. Finally, we tried to obtain a soluble gradient of guidance molecules, over a long period of time (days), closer to existing gradients in vivo. In that goal, we wanted to build a microfluidic device enabling the application of a soluble gradient of guidance molecules on neurons. To obtain a constant gradient, we also cultured neurons next to cells expressing netrin, another guidance molecule. Finally, we cultured dissociated neurons and glial cells to study their interactions.All these experiments did not allow to obtain a reliable device to study the effect of molecules on axons growth and guidance. Nevertheless, the configuration consisting in a coculture of neurons next to cells releasing netrin allows us to obtain promising preliminary results. We thus drew up a group of methods that will enable us to finalize the development of a system to study axonal guidance, functional and efficient.

La matrice extracellulaire (MEC) constitue une source de balises moléculaires qui guident les axones moteurs en direction de leur cible musculaire. Le collagène XV (COLXV) est un collagène associé aux lames basales qui est codé par deux paralogues chez le poisson zèbre, col15a1a et col15a1b. Au cours de ma thèse, nous avons déterminé le patron d’expression du second paralogue col15a1b et caractérisé sa fonction in vivo au cours du développement du poisson zèbre. Dans le tronc, col15a1b est spécifiquement exprimé par les précurseurs du muscle lent qui sont la source d’un grand nombre de molécules de la MEC constituant le chemin des axones moteurs en croissance. Grâce à des anticorps spécifiquement dirigés contre COLXV-B nouvellement générés, nous avons montré que COLXV-B balise la trajectoire des axones moteurs. Des expériences de perte et de gain de fonction ont montré que l’expression et l’organisation extracellulaire de col15a1b dépend des voies de signalisation Hedgehog et unplugged/MuSK respectivement. L’inhibition de l’expression de col15a1b provoque principalement un arrêt de croissance ou des erreurs de trajectoire des axones des motoneurones primaires et secondaires au niveau du point de sélection des trajectoires. Ce défaut d’innervation s’accompagne d’une atrophie musculaire et d’un comportement de nage anormal des embryons en réponse à une stimulation. La conservation de la synthénie, la similarité du patron d’expression de col15a1b et COL15A1 pourrait avoir une fonction identique chez l’humain et représenter un gène candidat pour les maladies neuromusculaires / The extracellular matrix (ECM) provides positional information to guide motoneuron axons toward their muscle target. Collagen XV is a basement membrane component encoded by two paralogs in zebrafish, col15a1a and col15a1b. My PhD project consisted in the characterization of the expression pattern of the col15a1b paralog during development and in the analysis of the in vivo function of this paralog in developing zebrafish embryos. Interestingly, we showed that col15a1b paralog is expressed by slow muscle precursors that represent an important source of the ECM path. Using newly generated antibodies to collagen XV-B (COLXV-B), we found that COLXV-B paves the trajectory of motor axons. Loss and gain of function experiments showed that col15a1b expression and extracellular organization depends respectively on Hedgehog and unplugged/MuSK signaling. Col15a1b knockdown weakly affected slow muscle differentiation but provoked primary and secondary motoneuron axons truncation or pathfinding errors at the choice point where pathway selection takes place. This resulted in muscle atrophy and compromised swimming behavior. Our data identified an unexpected role for COLXV-B as an unplugged/MuSK-dependent cue that paves the axonal motor path to guide the decision of axons at the choice point. The conserved syntheny, the broad expression pattern of col15a1b similar to COL15A1 ortholog and the conservation of the primary sequence of COLXV-B with the mammalian counterparts suggested that the human protein COLXV could display similar function and represent a gene candidate for neuromuscular disorders

Durant le développement du système visuel, les cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) envoient des axones qui seront influencés par divers signaux guidant leur cône de croissance, permettant ainsi la navigation des axones vers leurs cibles terminales. Les endocannabinoïdes, des dérivés lipidiques activant les récepteurs aux cannabinoides (CB1 et CB2), sont présents de manière importante au cours du développement. Nous avons démontré que le récepteur CB2 est exprimé à différents points du tractus visuel durant le développement du hamster. L’injection d’agonistes et d’agonistes inverses pour le récepteur CB2 a modifié l’aire du cône de croissance et le nombre de filopodes présents à sa surface. De plus, l’injection d’un gradient d’agoniste du récepteur CB2 produit la répulsion du cône de croissance tandis qu’un analogue de l’AMPc (db-AMPc) produit son attraction. Les effets du récepteur CB2 sur le cône de croissance sont produits en modulant l’activité de la protéine kinase A(PKA), influençant la présence à la membrane cellulaire d’un récepteur à la nétrine-1 nommé Deleted in Colorectal Cancer (DCC). Notamment, pour que le récepteur CB2 puisse moduler le guidage du cône de croissance, la présence fonctionnelle du récepteur DCC est essentielle.. Suite à une injection intra-occulaire d’un agoniste inverse du récepteur CB2, nous avons remarqué une augmentation de la longueur des branches collatérales des axones rétiniens au niveau du LTN (noyau lateral terminal). Nous avons également remarqué une diminution de la ségrégation des projections ganglionnaires au niveau du dLGN, le noyau genouillé lateral dorsal, chez les animaux transgéniques cnr2-/-, ayant le gène codant pour le récepteur CB2 inactif. Nos données suggèrent l’implication des endocannabinoïdes et de leur récepteur CB2 dans la modulation des processus de navigation axonale et de ségrégation lors du développement du système visuel. / Retinal projection navigation towards their visual targets is regulated by guidance molecules and growth cone transduction mechanisms. Here, we show that cannabinoid receptor 2 (CB2R) is widely expressed throughout the visual pathway during development and in cultured retinal ganglion cells (RGCs) and cortical neurons. Both the number of filopodia and the surface area of the growth cone (GC) are modulated by CB2R activity in a PKA-dependant manner. Furthermore, DCC is required for CB2R induced morphological changes of the GC. CB2R agonists induce GC chemorepulsion. Treatments altering CB2R activity change retinal explants projections length. These effects are specific to CB2R as no changes were observed in cnr2 knockout mouse. A single intraocular injection of AM630 increases retinal projection branch length and aberrant projections were also observed. Moreover, we report defect in eye-specific segregation of retinal projections in the dLGN in cnr2-/- mice. These findings highlight the modulatory role of endocannabinoids and their CB2R during axon guidance.

Durant le développement du système visuel, les cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) envoient des axones qui seront influencés par divers signaux guidant leur cône de croissance, permettant ainsi la navigation des axones vers leurs cibles terminales. Les endocannabinoïdes, des dérivés lipidiques activant les récepteurs aux cannabinoides (CB1 et CB2), sont présents de manière importante au cours du développement. Nous avons démontré que le récepteur CB2 est exprimé à différents points du tractus visuel durant le développement du hamster. L’injection d’agonistes et d’agonistes inverses pour le récepteur CB2 a modifié l’aire du cône de croissance et le nombre de filopodes présents à sa surface. De plus, l’injection d’un gradient d’agoniste du récepteur CB2 produit la répulsion du cône de croissance tandis qu’un analogue de l’AMPc (db-AMPc) produit son attraction. Les effets du récepteur CB2 sur le cône de croissance sont produits en modulant l’activité de la protéine kinase A(PKA), influençant la présence à la membrane cellulaire d’un récepteur à la nétrine-1 nommé Deleted in Colorectal Cancer (DCC). Notamment, pour que le récepteur CB2 puisse moduler le guidage du cône de croissance, la présence fonctionnelle du récepteur DCC est essentielle.. Suite à une injection intra-occulaire d’un agoniste inverse du récepteur CB2, nous avons remarqué une augmentation de la longueur des branches collatérales des axones rétiniens au niveau du LTN (noyau lateral terminal). Nous avons également remarqué une diminution de la ségrégation des projections ganglionnaires au niveau du dLGN, le noyau genouillé lateral dorsal, chez les animaux transgéniques cnr2-/-, ayant le gène codant pour le récepteur CB2 inactif. Nos données suggèrent l’implication des endocannabinoïdes et de leur récepteur CB2 dans la modulation des processus de navigation axonale et de ségrégation lors du développement du système visuel. / Retinal projection navigation towards their visual targets is regulated by guidance molecules and growth cone transduction mechanisms. Here, we show that cannabinoid receptor 2 (CB2R) is widely expressed throughout the visual pathway during development and in cultured retinal ganglion cells (RGCs) and cortical neurons. Both the number of filopodia and the surface area of the growth cone (GC) are modulated by CB2R activity in a PKA-dependant manner. Furthermore, DCC is required for CB2R induced morphological changes of the GC. CB2R agonists induce GC chemorepulsion. Treatments altering CB2R activity change retinal explants projections length. These effects are specific to CB2R as no changes were observed in cnr2 knockout mouse. A single intraocular injection of AM630 increases retinal projection branch length and aberrant projections were also observed. Moreover, we report defect in eye-specific segregation of retinal projections in the dLGN in cnr2-/- mice. These findings highlight the modulatory role of endocannabinoids and their CB2R during axon guidance.

This thesis deals with machine learning techniques for the extraction of structure and the analysis of the vertebrate olfactory pathway based on related methods. Some of its main contributions are summarized below. We have performed a systematic investigation for classification in biomedical images with the goal of recognizing a material in these images by its texture. This investigation included (i) different measures for evaluating the importance of image descriptors (features), (ii) methods to select a feature set based on these evaluations, and (iii) classification algorithms. Image features were evaluated according to their estimated relevance for the classification task and their redundancy with other features. For this purpose, we proposed a framework for relevance and redundancy measures and, within this framework, we proposed two new measures. These were the value difference metric and the fit criterion. Both measures performed well in comparison with other previously used ones for evaluating features. We also proposed a Hopfield network as a method for feature selection, which in experiments gave one of the best results relative to other previously used approaches. We proposed a genetic algorithm for clustering and tested it on several realworld datasets. This genetic algorithm was novel in several ways, including (i) the use of intra-cluster distance as additional optimization criterion, (ii) an annealing procedure, and (iii) adaptation of mutation rates. As opposed to many conventional clustering algorithms, our optimization framework allowed us to use different cluster validation measures including those which do not rely on cluster centroids. We demonstrated the use of the clustering algorithm experimentally with several cluster validity measures as optimization criteria. We compared the performance of our clustering algorithm to that of the often-used fuzzy c-means algorithm on several standard machine learning datasets from the University of California/Urvine (UCI) and obtained good results. The organization of representations in the brain has been observed at several stages of processing to spatially decompose input from the environment into features that are somehow relevant from a behavioral or perceptual standpoint. For the perception of smells, the analysis of such an organization, however, is not as straightforward because of the missing metric. Some studies report spatial clusters for several combinations of physico-chemical properties in the olfactory bulb at the level of the glomeruli. We performed a systematic study of representations based on a dataset of activity-related images comprising more than 350 odorants and covering the whole spatial array of the first synaptic level in the olfactory system. We found clustered representations for several physico-chemical properties. We compared the relevance of these properties to activations and estimated the size of the coding zones. The results confirmed and extended previous studies on olfactory coding for physico-chemical properties. Particularly of interest was the spatial progression by carbon chain that we found. We discussed our estimates of relevance and coding size in the context of processing strategies. We think that the results obtained in this study could guide the search into olfactory coding primitives and the understanding of the stimulus space. In a second study on representations in the olfactory bulb, we grouped odorants together by perceptual categories, such as floral and fruity. By the application of the same statistical methods as in the previous study, we found clustered zones for these categories. Furthermore, we found that distances between spatial representations were related to perceptual differences in humans as reported in the literature. This was possibly the first time that such an analysis had been done. Apart from pointing towards a spatial decomposition by perceptual dimensions, results indicate that distance relationships between representations could be perceptually meaningful. In a third study, we modeled axon convergence from olfactory receptor neurons to the olfactory bulb. Sensory neurons were stimulated by a set of biologically-relevant odors, which were described by a set of physico-chemical properties that covaried with the neural and glomerular population activity in the olfactory bulb. Convergence was mediated by the covariance between olfactory neurons. In our model, we could replicate the formation of glomeruli and concentration coding as reported in the literature, and further, we found that the spatial relationships between representational zones resulting from our model correlated with reported perceptual differences between odor categories. This shows that natural statistics, including similarity of physico-chemical structure of odorants, can give rise to an ordered arrangement of representations at the olfactory bulb level where the distances between representations are perceptually relevant. / <p>QC 20120224</p>