The complex wiring of the mammalian brain is established by accurate axonal guidance and synaptogenesis. These developmental processes are highly regulated by ligands and their corresponding cell surface receptors expressed on neurons. Unfortunately, the mature central nervous system (CNS) severely restricts neurite outgrowth following injury in part due to the presence of inhibitory ligands and receptors. The Nogo66 receptor (NgR1) is expressed by mature neurons and inhibits the regrowth of injured CNS neurons by binding to multiple inhibitory ligands. Further, NgR1 is highly expressed in synaptogenic areas such as the cortex and hippocampus where it regulates synaptic plasticity and restricts experience-dependent plasticity. Interestingly, NgR1 levels in neurons can be altered by proteolytic activity termed shedding, which is mediated by metalloproteinases. This process reduces cell surface full length NgR1 and generates a soluble dominant negative fragment, which has the potential to impact NgR1 function in the brain. My thesis focused on studying the impact of metalloproteinase induced shedding on NgR1 function. Herein I provide evidence that membrane anchored metalloproteinases can cleave NgR1 from neurons and attenuate responses to inhibitory cues. Membrane type metalloproteinases are expressed in the adult mouse brain and promote NgR1 shedding until late adulthood. NgR1 is shed from synaptosomes suggesting that this mechanism may regulate NgR1 function at the synapse. These results prompted us to investigate whether metalloproteinase activity can regulate axonal outgrowth through other cell surface proteins. We determined that membrane anchored metalloproteinases promote axonal outgrowth from CNS and PNS neurons. We identified several candidate targets by mass spectroscopy, which include the adhesive protein family IgLONs that are known to regulate axonal outgrowth. Together, the data presented here extends our understanding of metalloproteinase-dependent regulation of neurite outgrowth during development. In addition, our observations with NgR1 shedding by metalloproteinases suggest that this process is conserved in neurite outgrowth inhibition and restriction of synaptic plasticity. / La complexité du circuit du cerveau des mammifères est établie par le guidage axonal et la synaptogenèse. Ces processus de développement sont réglementés par des ligands et leurs récepteurs localisés à la surface cellulaire des neurones. Malheureusement, suite à une lésion, le système nerveux central (SNC) de mammifères adultes restreint sévèrement la croissance des neurites en partie par la présence de ligands et récepteurs inhibiteurs. Le récepteur de Nogo66 (NgR1), exprimé par les neurones matures, inhibe la repousse des neurones du SNC lésés par sa liaison à de multiples ligands inhibiteurs. En outre, NgR1 est fortement exprimé dans les zones synaptogeniques comme le cortex et l'hippocampe où il régule la plasticité synaptique et limite la plasticité dépendante d'expérience sensorielle. Les niveaux de NgR1 dans les neurones peuvent être altérés par l'activité protéolytique des métalloprotéinases. Celle-ci réduit les niveaux de NgR1 à la surface neuronale en générant un fragment soluble dominant négatif, qui peut avoir un impact sur la fonction de NgR1 dans le cerveau. Mon mémoire porte sur l'étude de l'impact de la protéolyse de NgR1 par les métalloprotéinases sur sa fonction dans le SNC. Ici, je présenterai des preuves que les métalloprotéinases membranaires peuvent cliver NgR1 à la surface neuronale et atténuer les réponses aux signaux inhibiteurs. Ces métalloprotéinases sont exprimées dans le cerveau de souris et peuvent promouvoir la protéolyse de NgR1 jusqu'à l'âge adulte. NgR1 est aussi clivé dans les synaptosomes suggérant que ce mécanisme peut réguler la fonction de NgR1 à la synapse. Ces résultats nous ont incités à rechercher si l'activité des métalloprotéinases peut réguler la croissance axonale par d'autres protéines de surface cellulaire. Nous avons déterminé que les métalloprotéinases membranaires peuvent promouvoir la croissance axonale du SNC et du système nerveux périphérique (SNP). Pour élucider le mécanisme sous-tendant ce phénotype, nous avons identifié des protéines candidates par spectrométrie de masse, qui comprennent les protéines adhésives IgLONs, une famille de protéines connues pour réguler la croissance axonale. Ensemble, les données présentées ici accroissent notre compréhension de la régulation par métalloprotéinases sur la croissance des neurites au cours du développement. En outre, nos observations avec la protéolyse de NgR1 par les métalloprotéinases suggèrent que ce processus est conservé dans l'inhibition de la croissance des neurites et la restriction de la plasticité synaptique.

Hippocampal theta rhythm is an oscillatory activity in the range of 3 – 12 Hz, prominently observed in hippocampal extracellular field recordings in vivo. Hippocampal theta rhythm has been closely associated with episodic memory and spatial learning in both humans and animals. Here, I describe two research projects I carried out in the course of my Ph.D., exploring several different types of neurons that could serve as potential rhythm generators for hippocampal theta rhythm. The medial septum and diagonal band of Broca (MS-DBB) has long been known to provide crucial inputs for the generation of hippocampal theta rhythm in vivo. The 'septohippocampal network' thus refers to the hippocampal formation, the MS-DBB and the connections between the two structures. While there has been many studies investigating the contributions of cholinergic and GABAergic MS-DBB neurons, the role of the recently described glutamatergic MS-DBB neurons in the septohippocampal network and theta rhythm generation remains unknown. In order to address this issue, for my first project, I investigated the electrophysiological properties of the glutamatergic MS-DBB neurons and examined their functional role in the septohippocampal network. Recently, a study using a complete hippocampal preparation in vitro demonstrated that the CA1 region of the hippocampal formation can generate its own theta oscillations independently of external inputs. It is unknown which CA1 interneuron subtype plays a key role in generating this intrinsic CA1 theta rhythm. During in vivo theta rhythm, parvalbumin (PV)- and somatostatin (SOM)-expressing interneurons fire strongly phase-locked to field theta rhythm, indicating that they may be good candidates for potential theta rhythm generators. Thus, for my second project, I explored the intrinsic properties of PV and SOM interneurons and examined their cellular behaviour during in vitro CA1 theta rhythm. Furthermore, I investigated the causal role of these interneurons in CA1 field theta oscillations using optogenetic silencing methods. Results from the first project illustrate that in addition to the well-known cholinergic and GABAergic septohippocampal pathway, the glutamatergic MS-DBB neurons provide a functional excitatory synaptic input to hippocampal neurons that may contribute to theta rhythm generation and synchronization across the septohippocampal network. Results from the second project demonstrate that both synaptic and intrinsic factors determine the interneurons' firing patterns during theta rhythm and that PV interneurons, with their highly synchronous and powerful inhibitory outputs onto pyramidal cells, appear to play an important role in generating the field theta signal. These findings provide new information about the potential role of several different neuronal classes in the septohippocampal network in relation to theta rhythm generation. It is my hope that a greater understanding of this matter will bring new insights into the mechanisms with which neural oscillations contribute to essential operations of the brain such as learning and memory. / Le rythme thêta de l'hippocampe est une activité neuronale oscillatoire dans la gamme de 3 - 12 hertz, pouvant être primordialement observée durant les enregistrements extracellulaires de champ hippocampal in vivo. Le rythme thêta hippocampal a été étroitement associé à la mémoire épisodique et à l'exploration spatiale chez les humains et les animaux. Dans cette thèse, je décris deux projets de recherche mis à exécution au cours de mon Ph.D. et explorant différents types de neurones qui pourraient potentiellement servir de générateurs pour les rythmes thêta de l'hippocampe. Le septum médian et la bande diagonale de Broca (MS-DBB) ont été longtemps reconnus comme les zones principales fournissant les entrées cruciales pour la génération du rythme thêta de l'hippocampe in vivo. Le « réseau septohippocampal » se rapporte ainsi à la formation hippocampale, au MS-DBB et aux raccordements entre les deux structures. Bien qu'un grand nombre d'études ait déjà exploré la contribution des neurones cholinergiques et GABAergic du MS-DBB dans le réseau septohippocampal et dans la génération des rythmes thêta, le rôle d'une population de neurones glutamatergiques nouvellement découverte au niveau du MS-DBB, reste pour l'instant inconnu. Afin d'aborder cette question, pour mon premier projet, j'ai étudié les propriétés électrophysiologiques des neurones glutamatergiques du MS-DBB et j'ai examiné leur rôle fonctionnel dans le réseau septohippocampal. Récemment, une étude utilisant une préparation hippocampale complète in vitro a par ailleurs démontré que la région CA1 de la formation hippocampale peut produire ses propres oscillations thêta, indépendamment des entrées externes. L'identité des sous-types d'interneurones qui sont impliquées dans la production de ce rythme thêta intrinsèque à CA1 est pour l'instant inconnue. Pendant le rythme thêta in vivo, les interneurones qui expriment la parvalbumin (PV) - ou la somatostatin (SOM) - déchargent fortement et à phase-verrouillé sur le rythme extracellulaire, indiquant qu'elles pourraient être de bons candidats de générateurs pour le rythme thêta. Ainsi, pour mon deuxième projet, j'ai exploré les propriétés intrinsèques des interneurones PV et SOM et j'ai examiné leur comportement cellulaire au cours du rythme thêta enregistré in vitro dans la région CA1. En outre, j'ai examiné le rôle causal de ces interneurones dans la thêta de champ en utilisant des méthodes optogénétiques pour contrôler l'activité neuronale. Les résultats du premier projet illustrent qu'en plus des voies septohippocampales cholinergiques et GABAergiques bien connues, les neurones glutamatergiques du MS-DBB fournissent une entrée synaptique excitatrice fonctionnelle aux neurones de l'hippocampe. Ces neurones pourraient ainsi contribuer à la génération et à la synchronisation des rythmes thêta à travers le réseau septohippocampal. Les résultats du deuxième projet démontrent; 1) que plusieurs facteurs synaptiques et intrinsèques déterminent les modes de mise à feu des interneurones pendant le rythme thêta et ; 2) que les interneurones PV, avec leurs sorties inhibitrices fortement synchrones et puissantes sur les cellules pyramidales, semblent jouer un rôle prépondérant dans le contrôle du signal thêta de champ. Ces résultats fournissent de nouvelles informations au sujet du rôle potentiel de différentes classes neuronales du réseau septohippocampal par rapport à la génération du rythme thêta. J'ai grand espoir que ces travaux mèneront à une meilleure compréhension des mécanismes avec lesquels les oscillations neurales contribuent aux opérations essentielles du cerveau telles que l'apprentissage et la mémoire.

The olfactory systems play a critical role in the survival and mating behavior of most terrestrial vertebrates. Two different classes of odorants, general odorants and pheromones, are processed by the olfactory systems and convey several cues in vertebrates such as the presence of danger or of food, as well as social and sexual cues. In both the main and accessory olfactory systems, axons of chemosensory neurons must coalesce in the olfactory bulbs and form stereotypic connections with second order neurons in structures termed glomeruli. The proper guidance to and convergence of olfactory axons into glomeruli and the formation of these stereotyped connections are essential for olfactory function. This thesis examines the role of the Slit and Robo families of axon guidance molecules in the guidance of vomeronasal sensory neuron (VSN) axons to their relay structure, the accessory olfactory bulb (AOB). It also focuses on the molecular mechanisms that regulate glomerular axonal coalescence in the accessory olfactory system and how the Kirrel family of transmembrane proteins are involved in this process.I report here that Robo-1 and Robo-2 are expressed in basal vomeronasal sensory neurons and that the Robo ligands, the Slits are expressed in the target region, the AOB. In Chapter 2, analysis of Robo-2 and Slit null show targeting defects of basal VSN axons to the anterior region of the AOB. I demonstrate that Slit-Robo-2 signaling is essential for the accurate guidance of basal vomeronasal sensory neuron axons to the posterior region of the AOB. In Chapter 3, I perform a detailed analysis of the spatio-temporal patterns of expression of Kirrel-1-3 and show that Kirrel-2 and -3 are expressed in four distinct patterns in vomeronasal sensory neurons. Furthermore, I show that Kirrel expression patterns generate a molecular diversity code that is required for the proper coalescence of vomeronasal axons into glomeruli of the AOB. Ablation of Kirrel-3 leads to altered glomerular formation, including large misshapen glomeruli in the posterior AOB. The perturbed glomerular layer is associated with behavioral defects, namely a loss of male-male aggression in kirrel-3-/- mice. This thesis therefore supports a role for proper wiring of the accessory olfactory system in the control of innate behaviors in the mouse. / Les systèmes olfactifs jouent un rôle critique dans la survie et le comportement reproducteur de la plupart des vertébrés terrestres. Deux classes d'odorants, d'odorants généraux, et de phéromones sont traitées par les systèmes olfactifs et transmettent une multitude d'indices chez les vertébrés, tel la présence de danger où de nourriture, en plus d'indices sociaux et sexuels. Dans le système olfactif principal, comme dans le système accessoire, des axones de neurones chimio-sensorielles doivent converger vers les bulbes olfactifs pour former des connections stéréotypiques avec des neurones de seconde classe en structures appelées glomérules. Le guidage appropriée vers les glomérules, la coalescence des axones olfactifs en glomérules, et la formation de ces connections stéréotypiques sont essentiels aux fonctions olfactives. Cette thèse examine le rôle des familles de molécules de guidage d'axones Slit et Robo dans le guidage des axones de l'organe voméro-nasal vers leur structure cible, le bulbe olfactif accessoire. La thèse se concentre aussi sur les mécanismes qui régularisent la coalescence glomérulaire axonale dans le système olfactif accessoire, et sur comment les protéines transmembranaires de la famille Kirrel sont impliquées dans le processus. Dans la présente thèse je démontre que Robo-1 et Robo-2 sont exprimés dans les neurones sensorielles voméro-nasals basal et que les Robo ligands, les Slits sont exprimés dans la région cible, soit le bulbe olfactif accessoire. Dans le chapitre 2, des analyses de souris sans Robo-2 et Slit montrent des défauts ciblant les axones des neurones sensorielles voméro-nasal basal à la région antérieure du bulbe olfactif accessoire. J'établis que le signalement de Slit-Robo-2 est essentiel afin de guider de façon précise les axones des neurones sensorielles voméro-nasals basal à la région postérieure du bulbe olfactif accessoire. Dans le chapitre 3, j'exécute une analyse détaillée des motifs d'expression spatiotemporels de Kirrel-1-3 et démontre que Kirrel-2 et -3 s'expriment en quatre motifs distincts dans les neurones sensorielles voméro-nasals. De plus, j'indique que les motifs d'expression de Kirrel génèrent un code de diversité moléculaire requit pour une fusion adéquate des axones voméro-nasal en glomérules du bulbe olfactif accessoire. L'ablation de Kirrel-3 mène à l'altération de la formation glomérulaire, incluant de larges glomérules difformes dans le bulbe olfactif accessoire postérieur. La perturbation de la couche glomérulaire est associée à des défauts comportementaux, en particulier à une perte d'agressivité male-male chez les souris kirrel-3-/-. Cette thèse supporte donc le rôle d'une connexion adéquate du système olfactif accessoire dans le contrôle des comportements innés chez les souris.

Neurons in sensory areas of our nervous system respond to sensory stimuli, but they are also modulated at the same time by both feed-forward and feed-back mechanisms. The history of prior sensory stimulation shapes the way neurons respond to future stimuli, a bottom-up plasticity effect known as adaptation. In addition, we can willfully employ top-down attention, which affects the activity of sensory neurons in a way that enables us to focus on a relevant task at hand. In this thesis, adaptation and attention are studied predominantly in the context of time and timing. Time is an elusive phenomenon perceived by the brain that plays an important role in many cognitive functions. Understanding bottom-up and top-down effects in a temporal context is a less studied area of neuroscience that is needed for a better understanding of brain's function, cognition, and possibly consciousness. An important feature of our study was to observe both phenomena in awake animals that were engaged in a relevant behavioral task.In addition to the usual characterization of the effects for spikes, we also analyzed the lower frequency voltage modulations in the brain known as the local field potentials (LFPs). Knowledge about the meaning of the LFPs provides a broader understanding of how the brain works. One advantage of LFPs is that they sum all kinds of neural activity for many neurons in the vicinity of the electrode tip, and hence they have the potential to be informative about the correlations among the activity of those neurons.In the first chapter, a brief introduction is presented on background information with a focus on choice-related modulations of neural activity. In the second chapter, the methods used in our experiments are introduced. In the third chapter, the neural correlates of detecting dysrhythmia is studied by analyzing the spiking activity of neurons in area MT. In the fourth chapter, the effects of adaptation and attention on the LFPs and also on the relationship between LFPs and spikes is presented. In the fifth chapter, the effects of adaptation on temporal dynamics of neural response in area MT and its possible role in a temporal illusion in humans is addressed. In the final chapter, the implications of our findings and future perspectives are briefly discussed. / Les neurones dans les zones sensorielles de notre système nerveux répondrent aux stimuli sensoriels, mais dans le même temps ils sont aussi modulés à la fois par des mécanismes feed-forward et feed-back. L'histoire de la stimulation sensorielle affecte la façon dont les neurones répondent à des stimuli à venir, un effet de plasticité connu sous le nom d'adaptation. En outre, nous pouvons employer volontairement l'attention, ce qui affecte l'activité des neurones sensoriels d'une manière qui nous permet de concentrer sur une tâche pertinente à portée de main.Dans cette thèse, l'adaptation et l'attention sont étudiés surtout dans le contexte de temps et le calendrier. Le temps est un phénomène insaisissable perçue par le cerveau qui joue un rôle important dans de nombreuses fonctions cognitives. Modulation neuronal dans un contexte temporel est un domaine moins étudié des neurosciences qui est nécessaire pour une meilleure compréhension de la fonction cérébrale, la cognition, et peut-être la conscience. Une caractéristique importante de notre étude était d'observer les deux phénomènes chez les animaux éveillés qui ont été engagés dans une tâche pertinente du comportement.En plus de la caractérisation usuelle des effets de potentiels d'action, nous avons également analysé les modulations de fréquence inférieure de tension dans le cerveau connue sous le nom des potentiels de champs locaux (LFP). La connaissance de la signification des LFP offre une plus large compréhension de la façon dont le cerveau fonctionne. Un avantage de LFP est qu'ils résument toutes sortes d'activités de neurones pour de nombreux neurones dans le voisinage de l'extrémité de l'électrode, et donc ils ont le potentiel pour être informatif sur les corrélations entre l'activité de ces neurones.Dans le premier chapitre, une brève introduction est présentée sur des informations d'arrière-plan avec un accent sur les modulations de l'activité neuronale liée à la décision. Dans le deuxième chapitre, les méthodes utilisées au cours de nos expériences sont introduits. Dans le troisième chapitre, les corrélats neuraux de la détection des troubles du rythme est étudié par l'analyse de l'activité neuronale dans l'aire MT. Dans le quatrième chapitre, les effets de l'adaptation et l'attention sur les LFP et aussi sur la relation entre LFP et les potentiels d'action est présenté. Dans le cinquième chapitre, les effets de l'adaptation sur la dynamique temporelle de la réponse neuronale dans l'aire MT et son rôle possible dans une illusion temporelle chez l'homme est présenté. Dans le dernier chapitre, les implications de nos résultats et perspectives d'avenir sont brièvement discutées.

Persistent low back pain (LBP) is the most common form of chronic illness in Canadians age 60 and under, affecting 15% of the population. In addition to being a major health problem, it also has serious economic consequences. Current diagnostic and therapeutic approaches to chronic back pain are limited by our narrow understanding of the underlying biological mechanisms. As a consequence, treatment is not always effective and individuals may suffer for years without relief. LBP is often associated with signs of degeneration in the intervertebral discs. LBP encompasses a wide spectrum of pain disorders including axial pain in the back region and radiating pain down one or both legs. This thesis investigates the mechanisms and treatment of axial and radiating pain associated with disc degeneration (DD) in a transgenic mouse model and in human subjects. SPARC-null mice show anatomical signs of disc degeneration and behavioral signs of pain and are thus a valid model of LBP due to DD.Our results show that loss of lumbar disc height correlates with radiating pain in mice. In addition, we show that axial pain and radiating pain have different pharmacological profiles, suggesting the involvement of different mechanisms. Furthermore, we explore the use of opioid-adrenergic combination therapy to improve therapeutic outcome in our model. Finally, we propose an epigenetic mechanism governing SPARC expression, disc degeneration, and back pain in aging wild-type mice and in human subjects with LBP.The results shown in this thesis will serve to increase our understanding of the mechanisms of pain due to DD. This mechanism-based approach is key in improving therapeutic options for the millions of patients suffering from chronic low back pain. / La douleur persistante du bas du dos (lombalgie) est la forme la plus commune des maladies chroniques chez les Canadiens de 60 ans et moins, touchant 15% de la population. En plus d'être un problème majeur de santé, la lombalgie a également de graves conséquences économiques. Les approches actuelles de diagnostic et de traitement de la lombalgie chronique sont limitées par notre compréhension limitée des mécanismes biologiques sous-jacents et la prise en charge n'est pas toujours efficace. Ainsi, les patients peuvent souffrir pendant de très longues périodes de temps sans soulagement. La lombalgie est souvent associée avec des signes de dégénérescence des disques intervertébraux. Elle englobe un large éventail de désordres douleureux et peut être sub-divisée en douleur axiale (dans la région du dos) et/ou douleur radiculaire (le long d'une jambe ou deux). Cette thèse étudie les mécanismes et le traitement des douleurs axiales et radiculaires associées à la dégénérescence des disques (DD) dans un modèle murin transgénique et chez des sujets humains. Les souris SPARC-nul montrent simultanément des signes anatomiques de dégénérescence des disques intervertébraux et des signes comportementaux de douleur. Ces souris représentent donc un modèle valide de lombalgie due à la dégénérescence des disques.Nos résultats prouvent que la perte de hauteur des disques lombaires corrèle avec le développement de douleur radiculaire chez la souris. En outre, les douleurs axiales et radiculaires présentent des profils pharmacologiques différents, suggèrant l'implication de mécanismes différents. Dans notre modèle, nous explorons également l'utilisation d'une thérapie combinant des traitements opiacés et adrénergiques pour améliorer des résultats thérapeutiques. Finalement, nous proposons un mécanisme épigénétique régissant l'expression de SPARC, la dégénérescence des disques, et la lombalgie chez des souris sauvages agées et des sujets humains. Nous croyons que les résultats présentés dans cette thèse serviront à améliorer notre connaissance des mécanismes de la douleur lièe à la dégénérescence des disques intervertébraux. Une telle approche mécanistique permettra d'augmenter les options thérapeutiques pour des millions de patients souffrant de douleur lombo-sacrée chronique.

The extension of axons to their appropriate targets during development or regeneration relies on the growth cone, a specialized structure that integrates extracellular signals to guide axon growth. Achieving the many complex connections formed by the nervous system while relying on a limited number of cues, requires the growth cone to modulate its response to signals in both space and time. The mechanisms by which the growth cone is able to spatially and temporally regulate its underlying cytoskeletal response to guidance cues are only beginning to become understood. Proteomic analysis of isolated growth cones identified the 14-3-3 adaptor proteins as major constituents of the growth cone. Given their role in regulating spatial and temporal activity of multiple cell signalling events, 14-3-3s are excellent candidates to play a similar role in the growth cone. This thesis establishes the critical role of 14-3-3 proteins in the spatial and temporal regulation of growth cone response to axon guidance cues. In chapter 2, we describe how loss of 14-3-3 function in dorsal root ganglion (DRG) neurons, converts their response to gradients of nerve growth factor (NGF) and myelin associated glycoprotein (MAG) from repellent to attractive. This switch can be blocked by antagonizing cAMP-dependent kinase (PKA), implicating 14-3-3 in the regulation of PKA activity. Consistently, we find that 14-3-3s interact with PKA and that disrupting this interaction results in the release of active catalytic subunits of PKA. In Chapter 3, we describe the role of 14-3-3 proteins and PKA in establishing a cell intrinsic, time dependent switch in the turning response of commissural interneurons to gradients of Sonic Hedgehog (SHH). The change from an attractive to a repellent response to SHH at the midline is critical in the proper formation of the axonal projections of dorsal commissural neurons in the developing spinal cord, and interfering with this switch in vivo, either by prematurely overexpressing 14-3-3s or by blocking 14-3-3 function results in aberrant axon growth. In Chapter 4, we identify a role for 14-3-3 proteins in mediating the signalling of another guidance cue used by commissural neurons, Netrin-1. Together these studies demonstrate the 14-3-3s are a multifunctional family of adaptor proteins that provide a critical layer of regulation to axon guidance signals, allowing the growth cone to respond to cues appropriately during development and provide a potentially interesting target for modulating growth cone responses after axon injury. / La projection des axones vers leurs cibles appropriées au cours du développement ou de la régénération s'appuie sur le cône de croissance, une structure spécialisée qui intègre les signaux extracellulaires pour guider la croissance axonale. La mise en place des connexions multiples et complexes formées par le système nerveux, tout en s'appuyant sur un nombre limité de signaux, requière que le cône de croissance module sa réponse à ces signaux tant dans l'espace que dans le temps. Les mécanismes par lesquels le cône de croissance est en mesure réguler la réponse spacio-temporelle de son cytosquelette à des signaux de guidage commencent seulement à être compris. L'analyse protéomique de cônes de croissance isolés a identifié les protéines adaptatrices 14-3-3 en tant que constituants principaux du cône de croissance. Compte tenu de leur rôle dans la régulation de l'activité spatiale et temporelle de multiples événements de signalisation cellulaires, les protéines 14-3-3 sont d'excellents candidats pour jouer un rôle similaire dans le cône de croissance. Cette thèse établit le rôle essentiel des protéines 14-3-3 dans la régulation spatiale et temporelle de la réponse du cône de croissance à des signaux de guidage axonal. Dans le chapitre 2, nous décrivons comment la perte de fonction des protéines 14-3-3 dans les neurones du ganglion de la racine dorsale (DRG), convertit leur réponse à des gradients de facteur de croissance nerveuse (NGF) et glycoprotéine associée à la myéline (MAG) de la répulsion à l'attraction. Ce commutateur peut être bloqué par l'inactivation de la kinase dépendante à AMPc (PKA), ce qui implique 14-3-3 dans la régulation de l'activité de PKA. Dans ce sens, nous constatons que les protéines 14-3-3 interagissent avec PKA et que perturber cette interaction résulte en la libération de sous-unités catalytiques actives de la PKA. Dans le chapitre 3, nous décrivons le rôle des protéines 14-3-3 et de PKA dans l'établissement d'un commutateur intrinsèque à la cellule, et dépendant du temps lors de l'orientation des axones des interneurones commissuraux soumis à un gradient de Sonic Hedgehog (Shh). Le changement d'une réponse attractive à une réponse répulsive à SHH au niveau de la ligne médiane est essentiel à la formation des projections axonales appropriées des neurones commissuraux dorsaux de la moelle épinière lors du développement, et interférer avec ce commutateur in vivo, soit en surexprimant prématurément les 14-3 – 3, soit en bloquant la fonction des 14-3-3, entraîne une croissance axonale aberrante. Dans le chapitre 4, nous identifions un rôle pour les protéines 14-3-3 dans la médiation d'un autre signal de guidage utilisé par les neurones commissuraux, la nétrine-1. Ensemble, ces études montrent que les protéines 14-3-3 sont une famille multifonctionnelle de protéines adaptatrices qui fournissent un niveau supplémentaire de régulation du guidage axonal, permettant au cône de croissance de répondre à des signaux de façon appropriée au cours du développement et de fournir une cible potentiellement intéressante pour la modulation de cette croissance après blessure axonale.

Somatostatin (SOM) is a neuropeptide fulfilling numerous physiological and neuro-modulatory functions throughout the body and brain. Its actions are mediated through a family of G Protein-coupled receptors (GPCRs), designated sst1-5, which are differentially regulated. While in vitro studies have previously demonstrated that the co-expression of several SOM receptor subtypes in cell lines has influence over receptor regulation and trafficking, this has yet to be confirmed in situ. Moreover, SOM receptors carry on their C-terminal ends, PDZ-binding motifs that mediate dynamic interactions between the receptors and various scaffolding and accessory proteins that also contain PDZ-binding motifs. For example, the "Protein Interacting Specifically with Tc10", abbreviated PIST, is a Golgi-associated chaperone that has been implicated in the cell surface targeting of sst5. The goal of my Master's thesis is to clarify, in situ, the regional and sub-cellular distributions of the sst2a and sst5 receptors, as well as the PDZ protein PIST, in the rat Basal Forebrain (BF). In the first portion of my thesis, I set out to identify, using stereology based quantification methods, neuronal populations co-expressing sst2a and sst5. Within the BF, 72% of SOM receptor expressing neurons co-expressed both sst2a and sst5. However, when qualitatively analyzed at the sub-cellular level, sst2a and sst5 did not co-localize to the same organelle compartments. In the second part of my project, I semi-quantitatively examined the sub-cellular distribution of PIST in nuclei of the BF. I found that the majority of immuno-labeled neurons (57% within the Olfactory Tubercle, 84% in the Ventral Pallidum and 82% in the horizontal limb of the diagonal band of Broca) presented a dispersed and granular pattern of of PIST distribution, where the chaperone localized primarily to punctate organelles that were separate from markers for the Trans-Golgi. Finally, I employed stereology-based methods to quantify the proportions of sst5-containing neurons that co-express the PIST chaperone. Though sst5 and PIST were found co-expressed in 46% of immuno-labeled neurons of the BF, their sub-cellular distributions indicated no overt signs of co-localization at the organelle level. In summary, past in vitro studies have shown that the intracellular trafficking of SOM receptors may be regulated through the expression of multiple SOM receptor subtypes, as well as through interactions with PDZ-motif containing chaperones, like PIST. My anatomical project suggests that the regional and subcellular distributions of SOM receptors and PIST in situ may be conducive to these models of regulation. / La Somatostatine (SOM) est un neuropeptide ayant de nombreuses fonctions physiologiques et neuro-modulatrices dans tout le corps et le cerveau. Ses actions sont contrôlées par une famille de récepteurs couplés aux protéines-G (GPCR), désignés sst1-5, et qui sont régulés différemment. Alors que des études in vitro ont déjà démontré que la co-expression de plusieurs sous-types du récepteur SOM dans des lignées cellulaires a une influence sur la régulation et le trafic du récepteur, cela reste encore à être confirmé in situ. De plus, les récepteurs SOM contienent, aux C-terminaux, des motifs de liaison PDZ qui interviennent dans les interactions dynamiques entre les récepteurs et des protéines d'échafaudages, et des accessoires qui contiennent également des motifs de liaison PDZ. Par exemple, le chaperon «Protein Interacting Specifically with Tc10», PIST, une est protéine associée à l'appareil de Golgi, et impliqué dans le ciblage, au niveau de la surface-cellulaire, des récepteurs neuropeptidique, tel que le sst5. Le but de ma thèse de maîtrise est de clarifier in situ la répartition régionale et sous-cellulaire de sst2a et sst5, ainsi de que PIST, dans le cerveau antérieur basal (BF) chez le rat. Dans la première partie de ma thèse, j'ai identifié, en utilisant des méthodes de quantifications stéréologiques, les populations neuronales qui co-expriment sst2a et sst5. Dans le BF, 72% des neurones exprimant des récepteurs SOM ont co-exprimé sst2a et sst5. Cependant, quand ils ont été analysés qualitativement au niveau sous-cellulaire, sst2a et sst5 n'ont pas été trouvés co-localisés dans les mêmes organelles.Dans la deuxième partie de mon projet, j'ai examiné semi-quantitativement la distribution sous-cellulaire de PIST dans les noyaux du BF. J'ai trouvé que la majorité des neurones immuno-marqués (57% dans le tubercule olfactif, 84% dans le pallidum ventral et 82% dans la branche horizontale de la bande diagonale de Broca) ont présenté une distribution de PIST dispersée et granulaire qui ressemble à des compartiments vésiculaires et qui sont séparés des marqueurs du trans-Golgi. Finalement, j'ai employé des méthodes stéréologiques pour quantifier les proportions des neurones contenant le sst5 qui co-expriment le chaperon PIST. Bien que sst5 et PIST ont été trouvés co-exprimés dans 46% des neurones immuno-marqués de la BF, leurs distributions sous-cellulaires n'indiquent pas des signe de co-localisation au niveau des organelles. En résumé, des études precédentes in vitro ont montré que le trafic intracellulaire des récepteurs SOM peut être régulé par l'expression de plusieurs sous-types de récepteurs SOM, ainsi que par des interactions avec des chaperons-PDZ comme PIST. Mon projet anatomique in situ suggère que la répartition régionale et sous-cellulaire des récepteurs SOM et PIST favorise ces modèles de régulation.

It has been shown that subsecond duration perception can be modulated by novelty. By varying novelty in using the direction of a motion stimulus, Sadeghi et al. (2011) showed that duration perception of a motion stimuli is correlated with neural activity in area MT. Although their study suggested that adaptation could explain the observed modulation in duration perception, it investigated only two test directions (0 and 180) and did not provide a complete description of duration perception in term of novel direction of motion. Studies of adaptation in area MT suggests that the most novel motion direction should be 180. We performed a systematic study of duration perception for a wider range of novel direction of motion and found that the direction creating the longest perceived duration was around 120. Although our results are not in agreement with previous studies of adaptation in MT, we show that an enhanced model of neural adaptation could account for the pattern of subsecond duration modulation by taking advantage of features shown by electrophysiology recordings. This model provides a novel perspective of neural adaptation and reinforces the idea that changes in duration perception can be explained through known neural mechanisms. / Il a été démontré que la perception d'un stimulus de courte durée, i.e. moins d'une seconde, peut varier selon la nouveauté du stimulus. En variant la nouveauté, Sadeghi et al. (2011) ont démontré que la perception d'un stimuli contenant du mouvement est en corrélation avec l'activité neuronale dans la région MT du cortex visuel. Bien que leur étude suggère que l'adaptation neuronale pourrait expliquer les modulations observées dans la perception de la durée, ils n'ont enquêté qu'avec deux directions de test (0 et 180) et n'ont pas fourni une description complète de la perception de la durée en fonction d'une nouvelle direction de mouvement. Certaines études sur l'adaptation neuronale dans la région MT suggère que la direction du mouvement la plus novatrice devrait être de 180. Nous avons effectué une étude systématique de la perception de la durée pour une gamme plus large d'orientation et nous avons constaté que la nouvelle direction créant la plus longue durée per\c cue est d'environ 120. Bien que nos résultats ne sont pas en accord avec les études antérieures sur l'adaptation dans la région MT, nous avons construit un modèle amélioré de l'adaptation neuronale pouvant expliquer les variations de la modulation de la durée. Ce modèle tire parti des caractéristiques présentées par des enregistrements électrophysiologiques et offre une nouvelle perspective de l'adaptation neurale. Il renforce aussi l'idée que les changements de la perception de la durée peuvent être expliquée par des mécanismes neuronaux connus.

Background: Multiple sclerosis (MS) is an autoimmune-mediated inflammatory and neurodegenerative disease of the central nervous system. Peripheral immune mechanisms drive disease in relapsing-remitting MS (RRMS), whereas the contribution of immune mechanisms to progressive MS, including secondary progressive MS (SPMS) and primary progressive MS (PPMS), is uncertain. Naive CD4 T-cells initiate autoimmune responses. Our objective was to investigate naive CD4 T-cells in patients with progressive MS. Methods: We compared naive CD4 T-cell gene expression profiles of progressive MS patients and healthy controls (HCs) using whole genome microarrays. Key genes and pathways identified from the microarray study were validated by surface protein expression. Potential functional defects in naive CD4 T-cells were explored by assessing response to T-cell receptor (TCR) stimulation, cytokine production, and proliferative potential. Results: Hierarchical clustering, based on the most variably expressed genes among all patients and controls, segregated progressive MS patients from HCs and separated progressive MS patients into two subgroups, which we termed P-1 and P-2. Most differentially expressed genes between P-1 and HCs were upregulated in P-1 and enriched for immune response genes, whereas in P-2 most differentially expressed genes were downregulated compared to HCs. These findings suggest peripheral immune mechanisms are active only in P-1 patients. SPMS patients from subgroup P-1 had a shorter RRMS duration before conversion to SPMS than SPMS patients from subgroup P-2, suggesting P-1 SPMS patients may have a more aggressive/rapid disease course. In-depth pathway analysis, focusing on P-1 SPMS, suggested altered TCR and toll-like receptor (TLR) signalling in naive CD4 T-cells of P-1 SPMS patients. We report a 5 gene T-cell activation transcriptional signature specific for P-1 SPMS patients. Protein expression studies support the microarray findings: 3 of the 5 signature genes (TLR2, TLR4 and CCR1) had higher membrane expression on freshly isolated naive CD4 T-cells from P-1 SPMS vs. P-2 SPMS patients. TCR stimulation for 48h induced significantly higher TLR expression in P-1 SPMS vs. P-2 SPMS and HCs, as well as increased IFN- secretion in P-1 SPMS. Further, we found higher surface expression of co-stimulatory molecules CD28 and CD27 at 24h in P-1 SPMS, which may have permitted a continued response of naive CD4 T-cells to TCR signalling, explaining the sustained linear increase in TLR protein expression in P-1 SPMS patients. P-2 SPMS patients showed increased CD95 surface expression on naive CD4 T-cells and increased IL-10 secretion after 48h stimulation. No difference in proliferative potential of activated naive CD4 T-cells was observed between the groups. Conclusions: Our transcriptional signature identifies for the first time, a sub-population of SPMS patients having rapid RRMS progression, T-cell immune dysregulation and differences in responses to TCR stimulation. These findings reflect the heterogeneity of progressive MS and suggest that a subgroup of SPMS patients with rapid progression may benefit from anti-inflammatory therapies. / Introduction: La sclérose en plaques (SP) est une maladie à médiation des processus auto-immunes, inflammatoires et neurodégénératives du système nerveux central. Les mécanismes immunologiques périphériques entrainent la maladie en SP récurrente-rémittente (SP-RR), tandis que la contribution des mécanismes immunologiques en SP progressive, incluant SP (secondaire progressive) (SP-SP) et SP primaire progressive (SP-PP), est incertaine. Les cellules T naïves CD4 initient les réponses auto-immunes. Notre objectif était d'étudier les cellules T naïves CD4 en patients atteints de SP progressive. Méthodes: Nous avons comparé les profils d'expression génétiques des lymphocytes T naïves CD4 de patients atteints de SP progressive et les contrôles en utilisant les microarrays du génome complet. Les gènes et voies d'intérêt identifiés de l'étude microarray étaient validés par l'expression de surface des protéines. Des défauts de fonctionnement potentiels des cellules T naives CD4 ont été explorés par l'évaluation de la réponse à signalisation des récepteurs cellules-T (RCT), la production des cytokines, et potentiel prolifératif. Résultats: Regroupement hiérarchique, fondé sur les gènes les plus variablement exprimés parmi tous les patients et contrôles, a ségrégué les patients atteints de SP progressive des contrôles et a séparé les patients atteints de SP progressive en deux sous-groupes, que nous avons appelée P-1 et P-2. Les gènes exprimés de façon différentielle entre P-1 et contrôle étaient régulés à la hausse en P-1 et enrichis des gènes de réponse immunitaire, tandis qu'en P-2 les gènes exprimés de façon différentielle étaient réprimées. Ces résultats suggèrent que les mécanismes immunologiques sont actifs seulement dans les patients de P-1. Les patients SP-SP de sous-groupe P-1 avaient une plus courte durée SP-RR avant la conversion en SP-SP que les patients de SP-SP du sous-groupe P-2, ceci suggérant que les patients de P-1 SP-SP peuvent avoir une évolution de la maladie plus agressive/rapide. L'analyse en profondeur des voies, concentrée sur les patients P-1 SP-SP, suggérait des altérations en signalisation des récepteurs cellules-T (RCT) et des récepteurs de type Toll (RTT) chez les cellules T naives de P-1 SP-SP. Nous rapportons une signature de 5 gènes d'activation des cellules T de la transcription spécifique pour les patients P-1 SP-SP. Des études d'expression de protéines soutiennent les conclusions microarray: 3 des 5 signatures des gènes (TLR2, TLR4, CCR1) avaient d'expression membranaire en hausse sur les cellules T naïves CD4 fraîchement isolées des patients P-1 SP-SP vs. P-2 SP-SP. Stimulation du RCT pour une durée de 48 heures induite de manière significative une augmentation de l'expression de RTT en P-1 SP-SP vs. P-2 SP-SP et contrôles, ainsi qu'une augmentation de production de IFN-γ. En outre, nous avons trouvé une augmentation en expression de surface des molécules de co-stimulation CD28 et CD27 à 24h en P-1 SP-SP, qui peuvent avoir permis une réponse continue de cellules T naïves à signalisation RTT, expliquant l'augmentation soutenue linéaire de l'expression de protéine TRR en patients P-1 SP-SP. Les patients de P-2 SP-SP ont montré une expression membranaire augmentée de CD95 chez les cellules T naives et à augmenté la sécrétion d'IL-10 après de la stimulation pour 48hr. Aucune différence en potentiel prolifératif chez les cellules T naives activées a été observée entre les groupes. Conclusion: Notre signature transcriptionnelle identifie pour la première fois, une sous-population des patients SP-SP ayant une progression rapide de SP-RR, une dysrégulation immunitaire de cellule-T et de différentes réponses à la signalisation des RCT. Ces résultats reflètent l'hétérogénéité de SP progressive et suggèrent qu'un sous-groupe des patients atteints de SP-SP ayant progression rapide peuvent bénéficier du traitement avec thérapies anti-inflammatoires.

Research on plasticity in motor systems has for the most part developed separately from work on sensory plasticity, as if training-induced changes to the brain affected each of these systems in isolation. The aim of this thesis is to explore the association between the sensory and motor systems when a new skill is acquired. The experiments reported in this dissertation systematically examine two hypotheses about neuroplasticity: (i) that motor learning changes perceptual function and the function of somatosensory areas of the brain, and (ii) that somatosensory training changes both motor function and motor areas of the brain. The first study aimed at providing a unified approach to test the first hypothesis. We combined both psychophysical and neuroimaging procedures to examine the connection between changes in the behavior and brain as a result of motor learning. We used a dynamics adaptation task as a model of motor learning in conjunction with somatosensory discrimination of the limb's movement direction which permits quantification of perceptual changes that occurs in conjunction with motor learning. We used functional magnetic resonance imaging (fMRI) to calculate measures of functional connectivity during resting-state periods following learning. This technique allowed us to study longer lasting plasticity in the sensorimotor system, during the period in which the motor memory is being consolidated. We developed a new hypothesis-driven technique which enables us to incorporate psychophysical measures in functional connectivity analysis to identify behaviorally-related neuroplasticity as a result of learning. Using this technique, we identified a new network in motor learning involving second somatosensory cortex, ventral premotor cortex and supplementary motor area whose activation is specifically related to perceptual changes that occur in conjunction with motor learning. Subjects who showed greater change in functional connectivity within this network, also showed a greater change in perceptual function. In study two, we proposed and implemented a new analytic data-driven method based on independent component analysis (ICA), which enabled us to systematically extract and classify shared and condition-specific networks corresponding to the pre-learning and post-learning conditions. The proposed algorithm was specifically designed to solve the problems of the regular ICA approach in conducting between-condition comparisons. Using this method we identified a specific network corresponding to the post-learning condition comprising clusters in contralateral superior parietal lobule, second somatosensory cortex, premotor cortex, and supplementary motor area. The third study was aimed at testing the second hypothesis described above. Using similar procedures and techniques to those used in the first study, we found that somatosensory discrimination training combined with periods of passive movement as short as 45 minutes increased functional connectivity between sensory and motor areas of the brain and, importantly, in motor areas alone. In behavioral terms, somatosensory training facilitates motor learning. Improvements were seen in both the rate and extent of learning and they persisted for at least one day. Sensory repetition without perceptual learning was less able to induce plasticity in the motor system. This suggests that somatosensory training can induce reorganization in the motor system and benefits from cognitive involvement and skill acquisition in the sensory domain. Overall, our studies point to a unified model of sensorimotor plasticity in which the effects of learning are not local to either sensory or motor systems, but rather each has effects that spread into functionally related areas of the brain beyond the base modality. / La recherche sur la plasticité dans les systèmes moteurs a été développée en grande partie séparément des travaux sur la plasticité sensorielle, comme si des changements au cerveau apportés par l'apprentissage affectaient chacun de ces systèmes séparément. Le but de cette these est d'explorer le lien entre le système sensoriel et le système moteur lorsqu'une nouvelle aptitude est acquise. Les expériences rapportées dans cette dissertation examinant systématiquement deux hypothèses sur la neuroplasticité: (i) l'apprentissage moteur modifie le fonction perceptuelle, ainsi que la fonction des régions somesthésiques du cerveau, et (ii) que l'apprentissage somestésique modifie les fonctions motrices et des régions motrices du cerveau.La première étude vise à donner une approche unifiée pour tester la première hypothèse. Nous avons combiné des procédures psychophysiques et de neuroimagerie pour observer le lien entre les changements de comportement et ceux au niveau du cerveau suite à de l'apprentissage moteur. Nous avons utilisé une tâche d'adaptation dynamique comme modèle d'apprentissage moteur ainsi que de la discrimination somesthésique de la direction de mouvement du membre, ce qui permet la quantification des changements perceptuels qui se produisent suite à l'apprentissage moteur. Nous avons utilisé l'imagerie par resonance magnétique fonctionnelle (IRMf) pour calculer des measures de connectivité fonctionnelle lors de péridoes de repos suivant l'apprentissage. Cette technique nous a permis d'étudier la plasticité de plus longue durée dans le système sensori-moteur, lors de la période pendant laquelle la mémoire motrice est en train de se consolider. Nous avons développé une nouvelle technique fondée à partir d'hypothèses qui nous permet d'inclure des mesures psychophysiques dans l'analyse de connectivité fonctionnelle pour identifier la neuroplasticité liée au comportement comme résultat de l'apprentissage. En utilisant cette technique, nous avons identifié un nouveau réseaux d'apprentissage moteur impliquant le deuxième cortex somesthésique, le cortex prémoteur ventral et une région motrice supplémentaire dont l'activation est spécifiquement reliée aux changements perceptuels qui se produisent suite à l'apprentissage moteur. Les sujets qui démontraient de plus grands changements de connectivité fonctionnelle démontraient aussi un plus grand changement au niveau de la fonction perceptuelle. Dans la deuxième étude, nous avons proposé et implémenté une nouvelle méthode analytique fondée sur des données et basée sur l'analyse en composantes indépendantes (ACI), ce qui nous a permis de systématiquement extraire et classer des réseaux partagés et spécifiques à la condition correspondant aux conditions avant et après l'apprentissage. La troisième étude visait à tester la deuxième hypothèse décrite ci-dessus. En utilisant des procédures et des techniques similaires à celles utilisées dans la première étude, nous avons trouvé que l'apprentissage somesthésique discriminatoire, combiné avec des périodes de mouvements passifs pouvant duré seulement 45 minutes, augmentait la connectivité fonctionnelle entre les régions sensorielles et motrices du cerveau, et, notamment, dans des régions motrices. En termes comportementaux, l'entrainement somesthésique facilite l'apprentissage moteur. Des ameliorations ont été constatées au niveau du taux et de l'étendue de l'apprentissage, et elles demeuraient pour au moins une journée. La repetition sensorielle sans apprentissage perceptuel était moins apte à induire de la plasticité dans le système moteur. En général, nos études mènent vers un modèle unifié de plasticité sensori-moteur dans laquelle les effets de l'apprentissage ne sont pas spécifiques aux systèmes moteurs ou sensoriels, mais chacun des systèmes a des effets qui s'étendent dans des régions du cerveau fonctionnellement reliées, au-delà de la modalité de base.