La machinerie pour l’exploitation des ressources minérales qui se trouvent au fond des océans est déjà opérationnelle et la délivrance de permis miniers est imminente malgré d’inquiétantes lacunes de connaissances sur ces écosystèmes. En effet, dans une optique de sauvegarde, il est particulièrement important de mieux connaître les processus clés de l’écologie des profondeurs. Quelles sont les conséquences évolutives de la symbiose si répandue dans les écosystèmes profonds? Comment les sources hydrothermales sont-elles connectées? Quelles adaptations permettent la résilience des espèces endémiques de ces milieux? Dans le Pacifique est, la faune hydrothermale est caractérisée par de denses populations de palourdes de la famille Vesicomyidae et de vers polychètes tubicoles qui servent de niche à une multitude d'autres espèces. Ces deux groupes d'invertébrés dépendent pour leur nutrition de bactéries symbiotiques chimiolithotrophes. Celles-ci sont directement transmises de génération en génération chez les palourdes, et acquises de novo à partir de sources environnementales chez les vers. De plus, les vers possèdent une grande plasticité phénotypique associée aux conditions environnementales très variées (en terme de température, d’oxygène et de concentration de minéraux) dans lesquelles ils se retrouvent. Du fait du contraste dans leurs mode de transmission des symbiotes, de leur distribution étendue, et de leur rôle écologique important, ces deux groupes taxonomiques sont un excellent modèle pour étudier l’évolution, la connectivité et la résilience dans les écosystèmes marins profonds basés sur la chimiosynthèse. Ainsi, les objectifs de ma thèse sont de 1) déterminer les conséquences du mode de transmission des symbiotes sur leur évolution, 2) comparer la connectivité inter-sources entre les populations d’hôtes et de symbiotes, et 3) caractériser la méthylation de l'ADN chez les polychètes des sources hydrothermales et déterminer si ce mécanisme épigénétique joue un rôle adaptatif important. Ces objectifs sont abordés dans trois études indépendantes qui révèlent que 1) des processus à la fois neutres et sélectifs façonnent les génomes des symbiotes bactériens, 2) les populations de symbiotes bactériens dans les cheminées hydrothermales ne sont pas panmictiques mais sont influencées par des modèles locaux de connectivité, et 3) la méthylation de l'ADN est un mécanisme important d'adaptation dans les grands fonds marins. Ultimement, ces études permettent d'établir des lignes directrices en matière de conservation pour les opérations minières, et aident à l’établissement d’aires marines protégées. / The mining industry is ready to exploit the mineral resources lying on the seafloor and the issuing of mining permits is imminent despite concerning knowledge gaps about the key evolutionary and ecological processes at play in these ecosystems. What are the evolutionary consequences of symbioses which are ubiquitous in deep-sea benthic ecosystems? How are chemosynthetic-based ecosystems connected? What kind of adaptations enable the resilience of vent endemic species to their extreme environment? In the eastern Pacific, chemosynthetic-based communities are characterized by dense aggregations of vesicomyid clams (in hydrocarbon seeps) or tubeworms (in hydrothermal vents) both of which offer habitat for many other species. Both invertebrates rely on chemolithotrophic bacteria for their nutrition. In the clams these symbionts are transmitted directly to the next generation through the eggs whereas in the tubeworms the symbionts are acquired de novo from the environment. The tubeworms also display striking phenotypic plasticity according to the physico-chemical conditions of their habitat. Because of their contrasting symbiont transmission mode, extended distribution, and ecological significance, these two taxonomic groups constitute an excellent model to study evolution, connectivity, and resilience in deep-sea chemosynthetic-based ecosystems. Thus, the objective of my thesis are to 1) identify the consequences of symbiont transmission mode on their evolution, 2) compare host and symbiont populations connectivity, and 3) characterize DNA methylation in deep-sea polychaetes and assess whether this epigenetic mechanism could explain their resilience. These objectives were addressed in three independent studies which revealed that 1) both neutral and selective processes participate in shaping the genomes of bacterial symbionts, 2) the populations of bacterial symbionts in hydrothermal vents are not panmictic but are influenced by local patterns of connectivity, and 3) DNA methylation is an important mechanism of adaptation in the deep-sea. Ultimately, these studies provide conservation guidelines for mining operations and help with the establishment of marine protected areas.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Les écologistes qui ont fertilisé des écosystèmes lotiques et lentiques ont démontré que la production des jeunes salmonidés peut être contrôlée par les nutriments via la voie trophique. Cependant, à ma connaissance, aucune étude n'a été réalisée sur la limitation de la production des juvéniles du Saumon de l'Atlantique par les nutriments, via les interactions trophiques, en milieux naturels. De plus, bien que plusieurs études portent sur la diète des juvéniles de salmonidés sédentaires, très peu ont été réalisées sur la diète des juvéniles de salmonidés anadromes comme le Saumon de l'Atlantique. Le but de cette recherche est d'identifier les patrons des relations trophiques dans un écosystème lotique du Saumon de l'Atlantique et d'examiner quels sont les facteurs déterminant la sélection des proies de ces jeunes saumons dans l'écosystème de la rivière Ste-Marguerite pour l'été 1995. Pour tester les hypothèses de la première partie de cette recherche, des échantillons de phosphore total, de périphyton, d'invertébrés benthiques ainsi que de juvéniles du Saumon de l'Atlantique ont été récoltés dans cinq ruisseaux et dans quatre sites de la rivière principale. Pour la deuxième partie, des échantillons d'invertébrés de la dérive et de contenus stomacaux de juvéniles du Saumon de l'Atlantique ont été récoltés dans cinq ruisseaux et dans trois sites de la rivière principale. L'échantillonnage s'échelonnait sur une période de deux mois, soit Juillet et Août de l'année 1995. Le premier chapitre porte sur les interactions entre chaque niveau trophique de l'écosystème de la rivière Ste-Marguerite. Le périphyton semble être le seul niveau trophique à être contrôlé par la voie ascendante (ressources). En effet, aucune dépendance significative à cette voie n'a été trouvée pour les niveaux supérieurs au périphyton. Les différences abiotiques entre les habitats (ruisseaux et rivières) semblent contrôler davantage la communauté des juvéniles du Saumon de l'Atlantique que leurs ressources via les interactions trophiques. Le second chapitre porte sur les facteurs déterminant le choix des proies par les juvéniles du Saumon de l'Atlantique. Seulement deux types d'invertébrés sur six sont sélectionnés en fonction de leur taille ou de leur abondance. Ces paramètres ne semblent donc pas être des facteurs primordiaux pour contrôler la sélection des proies par les jeunes saumons. L'augmentation de la taille des proies consommées suite à un accroissement de la taille des juvéniles du Saumon de l'Atlantique est probablement mieux expliquée par la limitation morphologique de la gueule des poissons, la bioénergétique et la base saisonnière de l'échantillonnage que par le phénomène de la sélection en taille. En conclusion, dans un écosystème oligotrophe naturel comme celui de la rivière Ste-Marguerite, il s'avère que la production des juvéniles du Saumon de l'Atlantique n'est pas exclusivement contrôlée par les ressources via la voie trophique. Il semble également que contrairement à la majorité des études publiées, les jeunes saumons ne sélectionnent pas principalement leurs proies en fonction de l'abondance et de la taille de celles-ci.

Le triclosan, un biocide aujourd’hui largement répandu dans l’environnement, peut engendrer des effets négatifs sur les organismes qui y sont exposés. Une infrastructure bleue, les marais filtrants, est proposée comme une solution appropriée pour mitiger les risques liés à ce contaminant. Cependant, les recherches sont toujours incomplètes quant aux impacts du triclosan sur l’état écologique et les performances de cette phytotechnologie. Mon projet de recherche a ainsi pour but d’établir les effets du triclosan en mésocosme de marais filtrants. Pour ce faire, des monocultures et polycultures de trois plantes indigènes au Canada ont été étudiées, en détaillant les impacts du triclosan sur l’efficacité du dispositif expérimental et sur la santé l’écosystème associé. Bien que les végétaux sélectionnés possèdent des taux d’enlèvement des polluants typiques (ammonium, nitrite, nitrate et orthophosphate) très variés, ainsi que des biomasses très divergentes, contrairement à d’autres études, le triclosan n’a pas eu d’impacts sur ces paramètres. Le biocide a toutefois affecté négativement l’Eutrochium maculatum au niveau physiomorphologique, mais Sporobolus michauxianus et Phragmites australis subsp. americanus présentent à l’inverse des signes de résilience. Le potentiel d’oxydo- réduction ainsi que la biomasse algale et bactérienne photosynthétique de l’effluent sont significativement réduits en présence du polluant. Le triclosan a également influencé le microbiote du substrat, des racines et de la rhizosphère, notamment en modifiant la structure des communautés bactériennes et en réduisant significativement la diversité alpha du substrat des monocultures. Cependant, les mésocosmes de polyculture exposés au triclosan semblent résistants, et l'analyse in vivo BIOLOGTM EcoPlate de la caractérisation des fonctions métaboliques des communautés a permis d'identifier la dégradation possible de molécule comparative au triclosan résiduel au sein des mésocosmes.Cette recherche contribue à approfondir la compréhension des conséquences liées au triclosan sur les marais filtrants, en plus de proposer la diversité végétale pour mitiger les impacts sur les communautés microbiennes. / Triclosan, a biocide now widely present in the environment, can have negative effects on exposed organisms. A blue infrastructure, treatment wetlands, is proposed as an appropriate solution to mitigate the risks associated with this contaminant. However, research is still incomplete on the impacts of triclosan on the ecological health and performance of this phytotechnology. The aim of my research project is therefore to establish the effects of triclosan in treatment wetland mesocosms. Thus, monocultures and polycultures of three plants native to Canada were studied, detailing the impacts of triclosan on the efficiency and ecosystem health of the experimental set-up. Although the plants selected had widely differing rates of removal of typical pollutants (ammonium, nitrite, nitrate, and orthophosphate), as well as extensively divergent biomass, unlike other studies, triclosan had no impact on these parameters. The pollutant did, however, adversely affect Eurtochium maculatum physiomorphologically, but Sporobulus michauxianus and Phragmites australis subsp. americanus showed signs of resilience. The oxidation-reduction potential as well as the algal and photosynthetic bacterial biomass of the effluent were significantly reduced in the presence of the contaminant. Triclosan also influenced the substrate and rhizosphere microbiota, notably by modifying the structure of bacterial communities and by significantly reducing the alpha diversity of the monoculture’s substrate. However, "polyculture" mesocosms exposed to triclosan appear to be more resilient, and in vivo BIOLOGTM EcoPlate characterization analysis of the community’s functionalities has even identified the possible degradation of molecule comparable to residual triclosan within the mesocosms. This research contributes to a deeper understanding of the consequences of triclosan on treatment wetlands, as well as proposing plant diversity to mitigate impacts on microbial communities.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Le genre Aster (Asteraceae, Astereae) contient approximativement 250 espèces, dont 150 d'origine nord-américaine. L'Eurasie, l'Amérique du Sud et l'Afrique se partagent le reste du genre (Brouillet, 1981). Aster cordifolius L. appartient à la sous-section Heterophylli (x=8), section Dumosi (x=8), du sous-genre Aster (x=7, 8, 9) (Semple & Brouillet, 1980a, b). C'est une espèce indigène de l'Amérique du Nord confinée à la région appalachienne du continent (Rousseau, 1974). Quatre taxons infraspécifiques sont rapportés au Québec : A. cordifolius L. var. cordifolius, var. polycephalus Porter, var. racemiflorus Fern. et var. Furbishiae Fern. (Fernald, 1950). Deux races chromosomiques (2n=16, 32) sont connues chez l'espèce (Jones, 1977) et leur patron de distribution est fort complexe (Brouillet, 1983a). Le but de cette étude est de définir la distribution des cytotypes de Aster cordifolius L. au Québec et de vérifier la validité des taxons infraspécifiques décrits par Fernald (1950). Nos travaux de cytologie, la morphométrie et les comparaisons sur le terrain nous permettent de tirer les conclusions suivantes : Au Québec, Aster cordifolius L. est constitué de deux cytotypes (2n=16, 32). Les diploïdes sont significativement différents des tétraploïdes pour 6 des variables étudiées. Les variétés Furbishiae Fern., racemiflorus Fern. et polycephalus Porter décrites dans la littérature sont des phénotypes environnementaux et ne méritent pas le statut de variété.

Le biomimétisme est une approche de design grandissante et perçue comme prometteuse en termes d’innovation et de résolution de problèmes. Elle est considérée comme une stratégie de développement possédant un vaste potentiel en respect des perspectives de durabilité. Des études récentes démontrent cependant une situation contradictoire. La pratique biomimétique est qualifiée comme technocentriste et bio-exclusive. Cette situation est symptomatique d’une discontinuité entre les programmes de la durabilité et de la biomimétique. Le déploiement de la typologie de Nigel Cross comme outil conceptuel permet d’analyser le contexte méthodologique du biomimétisme d’une manière révélatrice : l’étude biologique du design nécessite d’être formalisée sous la bannière du biomimétisme. Pour y parvenir, un examen de littérature sur l’application du cadre darwinien, génétique et des méthodes de classification sur la culture matérielle est réalisé. Cet examen méthodologique permet d’introduire les mécanismes d’évolution à la théorie du design comme les mécanismes de conception de l’objet de design, soit comme un modèle ontogénique cohérent et formalisé. L’examen procède aussi à l’analyse de l’usage des méthodes de classification du règne artificiel et permet de formuler un modèle ontologique des objets de design. Ensemble ces modèles ontogéniques et ontologiques constituent un modèle descriptif complémentaire de microévolution et de macroévolution. Finalement le besoin d’un modèle de durabilité est abordé. Basé sur les modèles descriptifs précédents, le principe biologique d’adaptation est proposé comme modèle de durabilité à caractère évolutionniste pour la pratique biomimétique. / Biomimicry is a growing design approach perceived as promising in terms of innovation and problem solving. It is considered a development strategy possessing a vast potential regarding durability prospects. Nevertheless, recent studies report a contradictory situation. Biomimicry is described as techno centrist and bio-exclusive. This situation is symptomatic of a discontinuity between the biomimicry and the durability programs. The implementation of Nigel Cross’s typology as a conceptual device enables us to analyze the methodological context of biomimicry in an insightful manner: the biological study of design remains to be formalized under the biomimicry umbrella. To achieve this, a literature review examining the application of the Darwinian and genetics framework, as well as the classification methods upon our material culture is carried out. This review allows us to introduce the known evolutionary mechanisms to design theory as the development mechanisms of the designed object. This constitutes a cohesive and formalized ontogeny model. The review proceeds to analyze the applications of classification methods on the artificial realm which allows to formulate an ontological model on the designed object. Together these models form a complementary descriptive model of micro and macroevolution. Finally, the need for a model of sustainability is addressed. Based upon the aforementioned descriptive models, the biological principle of adaptation is presented as an evolutionary model of sustainability for biomimetic design practice.

Les sites industriels abandonnés présentent souvent des sols ayant des propriétés physico-chimiques atypiques et des concentrations élevées en métaux traces, rendant leur dépollution coûteuse de surcroît quand les superficies sont grandes. Les phytotechnologies, comme la phytoremédiation, émergent alors comme des options économiques et socialement acceptables. Cette étude, conduite en conditions semi-contrôlées, a examiné la capacité de saules (Salix miyabeana 'SX67') et de peupliers (Populus DNxM '915508') à phytoremédier des sols contaminés, notamment par le cuivre, et a comparé leurs performances suivant l’application de frass, un résidu de l’élevage d’insectes, et de fumier de poule, tous deux produits dans une démarche d’économie circulaire. Dans l'ensemble, aucune tendance claire n'a pu être identifiée entre les traitements et les espèces concernant la production de biomasse, les paramètres physiologiques, ou l'assimilation des éléments traces. Cependant, les saules amendés avec du frass ont atteint une hauteur moyenne de 210 cm, significativement supérieure à celle des saules non fertilisés. Les concentrations de cuivre extrait par les plantes n'ont pas été affectées par les deux types d'amendements organiques. Comme pour le cuivre, qui a montré des concentrations de 407 mg kg-1 dans les racines et de 14 mg kg-1 dans les parties aériennes, la majorité des dix éléments étudiés a été principalement retrouvée dans les racines. Seuls le zinc et le cadmium ont montré un facteur de translocation supérieur à un. En ce qui concerne les différentes fractions de cuivre dans le sol, aucune différence significative n'a été observée entre les traitements pour les fractions labiles et phytodisponibles, bien qu'une tendance puisse être notée pour les peupliers amendés avec du fumier. Les macronutriments tels que l'azote et le phosphore ont montré une interaction complexe impliquant les espèces, les amendements, et la contamination en cuivre. Malgré des résultats ambigus et une complexité inattendue, cette étude semble indiquer que le frass et le fumier de poule sont des matériaux efficaces en comparaison des engrais inorganiques communément utilisés. Néanmoins, ils soulignent également la nécessité d'une recherche plus approfondie sur l'utilisation de ces amendements organiques issus de l'économie circulaire afin d'optimiser leur utilisation. Une telle exploration, en alignement avec les principes de durabilité et de recyclage, pourrait éventuellement orienter nos stratégies vers des solutions plus efficaces, viables et économiques, contribuant ainsi à l'avenir de la restauration écologique des terrains industriels abandonnés. / Brownfield sites, characterized by soils with atypical physicochemical properties and high trace element (TE) concentrations, are generally expensive to decontaminate especially when large areas are involved. Economical and socially approved phytotechnologies, such as phytoremediation, offer environmentally conscious solutions that require an approach distinct from those using chemical fertilizers in industrial or agricultural contexts. This study, conducted under semi-controlled conditions, examined the ability of willows (Salix miyabeana 'SX67') and poplars (Populus DNxM '915508') to phytoremediate contaminated soils, especially those contaminated with copper, and compared their performance following the application of frass, a residue from insect breeding, and chicken manure, both produced in a circular economy approach. The study examined biomass production, specific physiological properties, and the assimilation of copper and other trace elements into plant tissues. Results showed no discernible pattern between the treatments and the species. However, willows treated with frass achieved significantly greater heights, averaging 210 cm. Neither organic amendment influenced the level of copper phytoextracted with, in most cases, higher concentrations of trace elements in roots rather than in the aerial parts, exemplified by copper levels of 407 mg kg-1 in roots and only 14 mg kg-1 in leaves. Notably, only zinc and cadmium had translocation factors greater than one. Concerning soil copper fractions, there were no statistical differences in both labile and phytoavailable copper across treatments despite a visible trend for frass-amended poplars. Macronutrients such as nitrogen and phosphorus demonstrated complex interactions dependent on the species, amendments, and Cu contamination. Despite ambiguous results and unexpected complexity, this study seems to indicate that frass and chicken manure are effective materials compared to commonly used inorganic fertilizers. However, they also emphasize the need for more in-depth research on the use of these organic amendments from the circular economy to optimize their utilization. Such exploration, in alignment with principles of sustainability and recycling, could potentially guide our strategies towards more effective, viable, and economical solutions, thereby contributing to the future of ecological restoration of abandoned industrial sites.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l’Université de Montréal / L'organisation en colonnes est une caractéristique commune de l'architecture corticale. Dans le cortex visuel, il est bien connu que les cellules avoisinantes ont une préférence similaire pour I'orientation, pour la dominance oculaire et pour la localisation rétinotopique. La direction est aussi organisée en colonnes. La latence des réponses ainsi que la fréquence temporelle sont classifiées aussi de cette façon. Notre question est la suivante : est-ce que les neurones de l'aire 18 réagissent de la même façon en réponse à une excitation ou à une dépression de l'aire 17 ? L’objectif de cette étude est de comprendre la réponse des cellules voisines dans l’aire 18 en réponse à des stimuli sous forme de réseau lumineux sinusoïdal défilant (grating)

Comme la demande mondiale des éléments de terres rares (ETR) ne cesse d'augmenter, de nouveaux projets d'exploration ont été lancés dans de nombreux pays, incluant au Canada. Le présent projet découle d'un programme communautaire environnemental issu d'une collaboration entre des chercheurs et la communauté inuite de Kangiqsualujjuaq suite à la proposition d’un projet minier d'ETR au Nunavik. Pour répondre aux études limitées sur la distribution des ETR dans les environnements non pertubés, cette étude rapporte les niveaux actuellement observés des sédiments, des lichens et de multiples espèces animales provenant d'écosystèmes terrestres, d’eau douce et du milieu marin du subarctique de l’est du Canada. Les résultats suggèrent que toutes les matrices ont la capacité d'accumuler les ETR, bien qu'une dilution trophique soit notée. De plus, l’analyse des tissus d’espèces alimentaires traditionnelles a démontré que le foie des vertébrés avait des concentrations d'ETR plus élevées que le muscle et le gras, tandis que les tissus osseux et rénaux présentaient généralement des concentrations intermédiaires. En outre, les tendances observées pendant l'analyse des anomalies du cérium sensibles aux transformations d’oxydoréduction ont suggéré que ces anomalies peuvent servir de biomarqueur dans l’exposition aux ETR et leur transformation biologique. Dans l'ensemble, cette étude présente une bioaccumulation et un fractionnement d’ETR spécifiques aux espèces et aux tissus, ce qui justifie des recherches plus approfondies afin de comprendre les facteurs de contrôle du comportement d’ETR au sein des espèces animales. Ces résultats peuvent également servir à établir des lignes directrices nationales d’ETR, et servir de référence dans les futures études de biosurveillance. / A gradual increase in the release of rare earth elements (REE) to the environment has been reported, as well as a continuous rise in their global demand. New REE exploration projects have been initiated in multiple countries, including within Canada where REE deposits are frequently located in northern regions. This project stems from a community-based environmental program between researchers and the Inuit community of Kangiqsualujjuaq in the context of a prospective REE mine in Nunavik. To address the limited review of REE distribution in natural environments, the present study reports the current REE values for sediments, lichens, and multiple animal species from terrestrial, freshwater and marine ecosystems of the eastern Canadian subarctic. Results suggest that all matrices have the capacity to accumulate REE, though a biodilution across taxonomic groups is noted. Also, a study of animal tissue samples from country food species demonstrated that liver tissues have significantly higher concentrations of REE than the muscle and blubber, with bone and kidney tissues typically presenting intermediate concentrations. Further, the analysis of redox-sensitive cerium anomalies supported the presence of tissue-specific mechanisms that suggest these anomalies may serve as a biomarker in REE exposure and biological transformation. Overall, this study presents a species- and tissue- specific bioaccumulation and fractionation of REE that warrants further investigation to better understand the controlling factors of REE processing within animal species. The results may additionally serve in the establishment of national REE guidelines for environmental health and human consumption, and act as a reference in future biomonitoring studies.

Le cortex cérébral est impliqué dans plusieurs fonctions entre autres le traitement des informations sensorielles. Il inclut des zones recevant directement une entrée sensorielle telle que le cortex visuel primaire (V1) qui traite les informations visuelles. Au niveau du V1 des mammifères, chaque neurone présente une combinaison préférentielle de stimuli pour lesquels sa réponse est optimale. Cela dit, chaque attribut de stimulus tel que les fréquences temporelle et spatiale, l’orientation et la direction du mouvement induit une réponse maximale du neurone. Le neurone du V1 est donc sélectif. Cependant, cette sélectivité n’est pas le résultat de l’activité du neurone en question seul, mais plutôt du réseau neuronal dans lequel il est impliqué. L’ensemble des préférences d’un neurone ainsi que le réseau neuronal auquel il appartient demeurent sensiblement inchangés, tant que les facteurs contextuels ne varient que peu ou pas. Toutefois, si les composantes de l’environnement changent de manière imposante, la sélectivité neuronale et l’organisation du réseau original seront modifiées pour induire un nouvel état d’équilibre. C’est la plasticité neuronale. Le but ultime de cette thèse est de comprendre et d’approfondir les connaissances relatives aux mécanismes régissant la sélectivité à l’orientation ainsi que la plasticité dans V1, et ce, par différentes études qui sont organisées, dans cette thèse en trois sections. Les sections (3) et (4) se basent sur une étude pharmacologique qui vise à examiner l’effet de la kétamine sur la sélectivité à l’orientation (section 3) et sur l’adaptation visuelle tout en traitant la connectivité neuronale (section 4). La section (5) vise à examiner l’effet de l’adaptation sur l’affinité des courbes d’accord des neurones. Ce travail a permis d’étudier l’effet de la kétamine et de l’adaptation visuelle sur les propriétés sélectives à l’orientation des neurones ainsi que sur la dynamique des relations fonctionnelles au sein du microcircuit. / The cerebral cortex plays a key role in several functions including the processing of sensory information. It contains areas that receive direct sensory input such as the primary visual cortex (V1) which processes visual information. V1 neurons of mammals are selective for several attributes, such as spatial and temporal frequencies, orientation, and direction of motion. Thus, V1 neurons exhibit selectivities. This neuronal selectivity rests in the convergence of clusters of synapses involved in the network. Neural selectivity and networks are formed during the sensitive period of brain development and is present throughout the animal’s life. However, in V1 during postnatal life, the neuronal selectivity and the neural circuitry are further shaped by experience, thus, rendering it plastic. The main objective of the current thesis is to understand the mechanisms involved in the orientation selectivity as well as the neuroplasticity in V1. To this aim, different investigations, organized in this thesis, in three sections, were carried out. The sections (3) and (4) are based on a pharmacological study that aim to examine the effect of ketamine on orientation selectivity (section 3) and on visual adaptation in relation with neural connectivity (section 4). The study presented in the third section (section 5) investigated the effect of adaptation on the cell’s tuning. Here, we disclose the effects of ketamine and visual adaptation on the cell’s tuning properties as well as on the dynamics of functional relationships between neurons in the microcircuit.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Caractérisée surtout par une dégradation du cartilage, l'arthrose est une maladie articulaire qui montre également une sclérose de l'os sous-chondral et une formation d'ostéophytes. Au stade clinique, cette pathologie progressive atteint environ 60% des personnes âgées de 65 ans et plus. La dégradation du cartilage qui accompagne cette maladie est la manifestation clinique la plus importante et la plus étudiée au niveau moléculaire. Par contre, la sclérose de l'os sous-chondral était toujours considérée comme secondaire ou comme un phénomène de compensation suite à l'érosion du cartilage. Cependant, la recherche fondamentale intensive sur le cartilage n'a toujours pas réussi à identifier le(s) mécanisme(s) responsable(s) de la dégradation du cartilage. Ainsi, le traitement qui existe présentement se limite à calmer la douleur des patients. Par ailleurs, les études visant à comprendre le rôle de l'os sous-chondral, qui fait partie des tissus touchés par cette maladie, ont été toujours marginales. Notre hypothèse générale est qu'un défaut dans le métabolisme de l'os sous-chondral pourrait contribuer au déclenchement et/ou à la progression de l'arthrose. Ce défaut expliquerait la sclérose osseuse de l'os sous-chondral observée chez ces patients, situation qui serait alors responsable de la détérioration du cartilage via soit; i) un (des) messager(s) chimique(s), ii) l'imposition d'une contrainte mécanique sur le cartilage, ou iii) les deux précédents. De manière à démontrer notre hypothèse générale, nous avons utilisé des extraits d'expiants ex vivo et nous avons mis au point une technique pour cultiver les ostéoblastes provenant du plateau tibial medial de patients arthrosiques ou d'individus normaux. Au tout début de nos travaux nous avons démontré que, grâce à la mesure de marqueurs spécifiques, les ostéoblastes provenants de patients arthrosiques auraient un phénotype altéré lorsque comparé aux normaux. Ainsi, au niveau des expiants d'os sous-chondral, nos données montrent que l'activité de la phosphatase alcaline était augmentée dans les ostéoblastes arthrosiques avant et après une stimulation avec la 1,25 (OH)2 D3 (métabolite actif de la vitamine Ds). La même observation a été notée pour l'ostéocalcine suite à une stimulation à la 1,25 (OH)2 D3 chez les ostéoblastes arthrosiques. Par ailleurs, les ostéoblastes arthrosiques ont montré une résistance à la stimulation par la PTH et la prostaglandine E2 (PGE2), leur taux de synthèse de l'AMPc (Adénosine 3', 5' monophosphate cyclique) étant 50% et 100% inhibé versus les ostéoblastes normaux. Une altération dans la voie de signalisation de la PTH pourrait être la cause de cette inhibition de synthèse d'AMPc chez les ostéoblastes arthrosiques. Toutefois, une stimulation directe de l'adénylate cyclase avec de la foskoline, produit qui court-circuite le récepteur à la PTH et la protéine Gs, a ramené le niveau de l'AMPc à la normale, démontrant que l'activité de l'adénylate cyclase est intacte dans les ostéoblastes arthrosiques. Un traitement à la toxine de choléra qui ribosyle la protéine Gs n'a toutefois pas réussi à augmenter le niveau de l'AMPc après stimulation avec la PTH, ce qui signifie que l'activité de la protéine Gs est partiellement et/ou totalement inhibée. Au contraire, la stimulation de la protéine Gi (la protéine G inhibitrice) par la toxine de Pertussis a complètement inhibé la formation de l'AMPc après stimulation avec la PTH indiquant que la protéine Gi est intacte. Par la suite, la protéine Gs fût l'objet d'une quantification par western blot qui n'a révélé aucun changement au niveau de la quantité de cette protéine versus les ostéoblastes normaux. La quantification du récepteur de la PTH à l'aide d'une étude de liaison avec du I-PTH a montré une diminution de 50% du niveau de récepteurs à la PTH. Cette diminution pourrait être causée par une désensibilisation hétérologue par la PGE2. En effet, les ostéoblastes arthrosiques synthétisent plus de PGE2 que les ostéoblastes normaux et l'inhibition de la synthèse de la prostaglandine par le Naproxen a ramené à la normale le niveau de formation de l'AMPc après stimulation avec la PTH. Par ailleurs, le niveau d'ARNm du récepteur à la PTH évalué par RT-PCR semi-quantitatif était diminué. Le ratio avec le glycéraldehyde phosphate déshydrogénase (GAPDH) dans les ostéoblastes arthrosiques était de 25 à 65 % plus faible que pour les ostéoblastes normaux, le niveau d'inhibition variant en parallèle avec la sévérité de la maladie. Ceci indique que l'expression du récepteur à la PTH était diminuée dans les cellules arthrosiques. Nos résultats ont également montré que l'activité du système PA/Plasmine, le premier système à initier la résorption osseuse, est inhibé dans l'os sous-chondral arthrosique ce qui pourrait entraîner une diminution de la résorption osseuse. Le niveau protéique et l'activité de l'activateur du plasminogène de type urokinase (uPA) et du facteur de croissance de type insulinique-1 (IGF-1) sont tous les deux augmentés dans les expiants arthrosiques comparativement aux expiants normaux, tandis que le niveau de la protéine inhibitrice du plasminogène (PAI-1) pour sa part était inchangée. Afin de vérifier si les modifications observées avec les expiants arthrosiques étaient vraiment dues à un défaut dans les ostéoblastes arthrosiques eux-mêmes, nous avons repris ces expériences avec ces cellules. Les niveaux d'uPA (activité et protéine) et d'IGF-1, dans les surnageants des ostéoblastes arthrosiques ont montré une augmentation significative comparativement aux ostéoblastes normaux. Par contre, le niveau de l'inhibiteur du PA (PAI-1) était similaire entre arthrose et normal. Puisque les systèmes d'uPA/plasmine et d'IGF1/IGFBP sont tous deux impliqués dans la résorption et/ou la formation osseuse, et que des travaux récents démontraient une interrelation possible de ces deux systèmes, nous avons étudié cette question chez les ostéoblastes arthrosiques. L'ajout d'IGF-1 diminua significativement P<0.05) le niveau d'uPA seulement dans les ostéoblastes arthrosiques. Au contraire, l'uPA n'a pas modifié le niveau de l'IGF-1 dans les ostéoblastes normaux ni dans les ostéoblastes arthrosiques. Suite à une stimulation avec l'IGF-1, l'activité basale de l'uPA fut augmentée dans les ostéoblastes arthrosiques, tandis qu'aucun changement n'était observé dans les ostéoblastes normaux. L'ajout de plasminogène a fortement augmenté l'activité de l'uPA via un phénomène de rétro-action positive causée par la génération de la plasmine qui peut à son tour activer l'uPA latent en uPA actif. Le mécanisme de rétroaction positive fut inhibé par le PAI-1 et l'a2-antiplasmine. Le traitement des ostéoblastes arthrosiques avec l'IGF-1 a inhibé le phénomène de rétroaction positive et ceci d'une façon dose-dépendante, ce facteur de croissance n'ayant aucun effet chez les ostéoblastes normaux. Cette inhibition ne peut être due à une modification du niveau de PAI-1 parce que le niveau de cette protéine n'a révélé aucun changement après le traitement avec l'IGF-1. L'ajout d'IGF-1 a aussi diminué l'activité de la plasmine, dosée par l'hydrolyse d'un substrat spécifique, dans les ostéoblastes arthrosiques mais pas dans les ostéoblastes normaux. En résumé nos travaux ont montré que les ostéoblastes arthrosiques avaient un métabolisme altéré. En plus de montrer des changements à la réponse de marqueurs spécifiques, ces cellules pathologiques présentaient une diminution au niveau des récepteurs à la PTH et une réponse anormale au système uPA/plasmine à leur traitement avec l'IGF-1. Cette observation est appuyée par la diminution du nombre de récepteurs à la PTH dans les ostéoblastes, une situation qui est aussi en accord avec une diminution possible de la résorption osseuse. Si ces observations in vitro se transposent in vivo, ceci signifie que la sclérose de l'os sous-chondral pourrait être due en partie à la diminution de la résorption osseuse. Par ailleurs, l'augmentation du niveau d'IGF-1 et son rôle dans le contrôle négatif de la rétroaction positive du système uPA/Plasmine pourrait aussi contribuer à augmenter la formation osseuse et réduire la résorption osseuse respectivement. La sclérose de l'os sous-chondral pourrait alors jouer un rôle clef dans le déclenchement et la progression de l'arthrose.