Th.--Pharm.--Paris, 1879-04-00.

Les microglies sont petites cellules gliales du système nerveux centrale (SNC) considérées comment les cellules immunitaires pour la ressemblance avec les macrophages et la capacité de phagocyter. Bien quelles sont distribués partout le SNC, la densité, la morphologie et l’état d’activation de la microglie diffère selon la région du cerveau. Il a été signalé récemment que les microglies sont fortement activées dans le bulbe olfactif (OB) des souris saines. C’est cet état constant d’activation qui nous suggère que les microglies peuvent jouer un rôle crucial dans l'OB. Dans cette étude, nous avons cherché à expliquer le rôle de la microglie en l’OB. Nous avons évalué les changements survenus dans la densité et le niveau d’activation de la microglie avec: l’abolition de la neurogenèse, la deprivation sensorielle et la présentation des molécules d’odeur. Fait intéressant, en utilisant des souris transgéniques portant le gène de la luciférase sous le contrôle transcriptionnel du promoteur de TLR2, nous avons observé que la présentation d’odeur a induit une activation de la microglie. Nos résultats suggèrent que les microglies dans l'OB peuvent être impliqués dans le traitement sensoriel et jouer donc un rôle important dans le comportement animal. Mots clé: microglie, bulbe olfactif, neurogenèse adulte, olfaction. / Microglia are small glial cells present in the central nervous system (CNS) that are considered as resident immune cells because of their resemblance with macrophages and capacity to phagocyte. Although they are distributed throughout all the CNS, the density, morphology and state of activation of microglia vary according to brain region. It has been recently reported that microglia are highly activated in the olfactory bulb (OB) of healthy mice. It remains however unclear why these cells are present in the activated alert state in the OB and what is their role in the bulbar network stability and/or function. In this study we aimed to examine the role of microglia in the OB. We evaluated changes in the density and level of activation of microglia following: ablation of adult neurogenesis, sensory deprivation as well as presentation of odor molecules. Interestingly, using a transgenic mouse bearing the luciferase gene under the transcriptional control of a murine TLR2 promoter, we observed that odor presentation induces a dramatic increase in the microglia activation. Our findings suggest that microglia in the OB may be involved in the sensory processing and play thus an important role in animal behaviour. Keywords: Microglia, olfactory bulb, adult neurogenesis, olfaction.

La récente découverte de la formation de nouveaux neurones dans certaines régions du cerveau adulte a remis en question notre conception des processus de plasticité neuronale. Dans le bulbe olfactif d’un adulte, il y a chaque jour des milliers de cellules qui envahissent le réseau bulbaire. La façon par laquelle ces neurones générés à l’âge adulte intègrent un réseau neuronal pré-existant demeure jusqu’à ce jour inexpliquée. De plus, nous ne savons toujours pas pourquoi il y a de nouveaux neurones qui sont formés dans le cerveau adulte. Nous avons examiné, dans un premier temps, le processus de formation des épines sur les dendrites des interneurones néoformés dans le bulbe olfactif. Nous avons démontré que les premières étapes de formation des épines dépendent grandement sur l’activité neuronale et que de cette façon le réseau bulbaire peut guider de façon efficace l’intégration des neurones générés à l’âge adulte. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés à la présence de plasticité structurelle une fois que ces nouveaux neurones ont déjà intégrés le réseau neuronal du bulbe olfactif. Nous avons découvert une nouvelle forme de plasticité structurelle qui consiste à un déplacement dans l’espace des épines vers des régions contenant des cellules principales plus actives. Ces résultats suggèrent une forme de plasticité capable de supporter les changements rapides qui ont lieu à l’intérieur du réseau neuronal du bulbe olfactif lorsque celui-ci s’adapte à un nouvel environnement sensoriel. Dans un dernier temps, nous nous sommes intéressés au rôle fonctionnel de l’arrivée incessante de nouveaux neurones dans le bulbe olfactif. Nous avons étudié les conséquences de l’arrêt de la neurogénèse adulte sur la transmission synaptique, sur l’activité neuronale et le comportement olfactif. Nos résultats révèlent que la neurogénèse adulte est importante pour maintenir l’inhibition sur les cellules principales qui en retour permet de synchroniser l’influx nerveux dans ces cellules. Cette influence sur la transmission synaptique à l’intérieur du réseau bulbaire est d’autant plus importante pour le maintien de la mémoire à court-terme des odeurs. Finalement, les résultats inclus dans cette thèse illustre la complexité que constitue l’intégration de nouveaux neurones dans un réseau neuronal pré-établi et l’importance de la neurogénèse adulte sur l’olfaction. / The recent discovery of the formation of new neurons in specific regions of the adult brain has challenged the way we perceived neuronal plasticity processes. In the olfactory bulb of adults, there are thousands of cells populating the neuronal network every day. There are as yet few clues on how adult-born cells mature and incorporate inside a pre-established network of neurons. Moreover, the function of new neurons formed in the adult brain remains elusive. We first investigated how connections in the adult brain are made by recording spine formation and motility on dendrites of adult-born interneurons in the olfactory bulb. We discovered that early steps of spine formation are dependent on network activity inside the olfactory bulb, as a way for the bulbar network to efficiently guide the integration of adult-born cells. Secondly, to understand how new neurons maintain their connections, we monitored the structural plasticity processes occurring once adult-born cells have integrated the network. We discovered a new form of structural plasticity by which spines translocate toward regions of increased neuronal activity. We thus provide an explanation for the rapid synaptic plasticity that can support the adaptation of the olfactory bulb network to the constantly changing odor environment of an animal. Finally, we investigated the functional role of adult-born cells in the olfactory bulb. We recorded the consequences of blocking adult neurogenesis on synaptic transmission, on the network activity and on olfactory behaviors. We reported that adult neurogenesis sustains inhibitory activity essential for synchronizing the principal cells of the olfactory bulb, and for short-term memory of odors. This thesis demonstrates the complexity of integrating and maintaining newborn cells in an adult neuronal network, and the importance of neurogenesis for olfactory functions.

Le bulbe olfactif (BO) représente dans le cerveau le premier relai dans le traitement des informations olfactives. Au niveau de cette structure, plusieurs types de neurones sont impliqués dans la modulation de l’information odorante, avant même que celle-ci ne soit envoyée vers des structures corticales supérieures. Parmi eux se trouvent les cellules granulaires (CGs), une population d’interneurones régulant de manière importante l’activité des cellules principales du BO. De manière intéressante, le BO est capable à l’âge adulte de produire et régénérer une partie de sa population interneuronale via le processus de neurogénèse adulte. Il est ainsi possible de faire la distinction entre les CGs générées au cours de la période postnatale (CGs postnatales) des CGs générées à l’âge adulte (CGs nouvellement générées). Le rôle que jouent ces CGs dans le traitement olfactif mais aussi dans les différents comportements olfactifs a pendant très longtemps donné lieu à des interprétations contradictoires. Le manque de cohérence au niveau des données peut s’expliquer par le fait que pendant longtemps, les CGs ont été considérées comme étant une population homogène de cellules. Néanmoins, des études ont montré que les CGs peuvent exprimer différents marqueurs neurochimiques. Notamment, nous nous sommes intéressés dans le cadre de notre étude à deux de ces marqueurs : la protéine kinase calcium calmoduline dépendante IIα (CaMKIIα) et la Calrétinine (CR). Une telle hétérogénéité au sein des cellules interneuronales du BO pourrait également refléter une hétérogénéité fonctionnelle, chaque sous-population de CGs pouvant contribuer de façon propre et unique au traitement des informations olfactives et donc au comportement olfactif. Dans la première partie de ces travaux, nous avons étudié le rôle fonctionnel des cellules exprimant la CaMKIIα et l’avons comparé à la population générale de CGs. De manière intéressante, nous montrons que, bien que ces deux populations de cellules soient en tous points semblables au niveau morphologique, les cellules CaMKIIα reçoivent un niveau d’inhibition moindre par rapport à leurs homologies négatives, les rendant plus susceptibles d’être activées suite à des tâches comportementales spécifiques. De plus, l’inhibition spécifique des cellules CaMKIIα- positive entraine une perturbation des performances de discrimination fine. Dans la seconde partie de ces travaux, nous nous sommes intéressés cette foisci à la sous-population de CGs exprimant la CR, en tenant compte également de la période développementale de ces cellules (i.e CGs post-natales ou nouvellement générées). Nous montrons que les cellules nouvellement générées exprimant ou non la CR, ainsi que les cellules CR-positives postnatales diffèrent quant à leurs propriétés électrophysiologiques. De plus, tout comme les cellules exprimant la CaMKIIα, les cellules exprimant la CR présentent un niveau d’activation plus important à la suite de certaines tâches comportementales et sont également nécessaires à la bonne réalisation de tâches de discrimination olfactive. / The olfactory bulb (OB) is considered as the first relay in the brain during olfactory processing. Several types of neurons are involved at the level of this structure in the refinement of the olfactory information before it is sent to higher cortical structures. Among the cell types involved is the population of granule cells (GC), a population of interneurons largely regulating the activity of OB principal cells. Interestingly, the OB retain during adulthood the ability to produce and renew part of its interneuronal pool through a process called adult neurogenesis. Therefore, it is possible to distinguish in the adult OB between GCs born during the early postnatal period (early-born GCs) to the one that were generated during adulthood (adult-born GCs). Several studies aimed at determining the precise role played by GC in olfactory processing and olfactory behavior, giving rise quite often to conflicting results. This absence of coherence in the data could come from the fact that for long, the population of GCs was considered as a homogeneous cell population. However, GCs were shown to express diverse neurochemical markers. In this study we investigated more particularly into two of those markers, showed to be expressed by GCs: the Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase IIα (CaMKIIα) and Calretinin (CR). Hence, such a heterogeneity in the phenotype of OB interneurons could also underlie a functional heterogeneity of the different GC subpopulation, each one contributing in a unique way to olfactory processing and thus olfactory behavior. In the first part of this work, we investigated the functional role of CaMKIIα- expressing cells and compared it to the general population of GCs. Interestingly we revealed that CaMKIIα-positive GCs are more prone to activation following specific behavioral tasks, likely due to a decreased level of inhibition as compared to their negative counterparts. Moreover, the specific inhibition of this GC subpopulation let to alteration of animals’ fine discrimination abilities. In the second part of our work, when focusing this time on the subpopulation of CR-expressing GCs, taking this time also into account the developmental period at which they were generated (i.e early- versus adult-born cells), we showed that adultborn CR-expressing and non-expressing GCs, but also early-born CR-expressing GCs display different electrophysiological characteristics. Moreover, as for CaMKIIα- positive GCs, CR-positive GCs present a higher level of activation following specific olfactory tasks and are also important for a proper ability to perform olfactory discrimination tasks.

De nouveaux neurones sont continuellement ajoutés au bulbe olfactif adulte par un processus connu sous le nom de neurogénèse adulte. Dans ce processus, les précurseurs d’interneurones qui sont produits dans la zone sous-ventriculaire près du ventricule latéral migrent suivant un trajet préétabli, le courant de migration rostral, avant d’atteindre le bulbe olfactif. Une fois arrivé dans le bulbe olfactif les précurseurs arrivent à maturation, s’intègrent au réseau neuronal existant et jouent un rôle essentiel dans le comportement olfactif. Tout au long des plusieurs étapes de ce processus, une variété de facteurs moléculaires travaillent en tandem pour orchestrer correctement la production, la maturation, la survie et le guidage de ces nouveaux interneurones, afin qu’ils s’intègrent avec succès au bulbe olfactif adulte. Mes travaux de recherches démontrent que les neurones générés à l’âge adulte détiennent un rôle capital pour le fonctionnement normal du réseau bulbaire et du comportement olfactif. En utilisant des souris transgéniques dont l’expression d’un facteur moléculaire spécifique a été réduite, j’ai premièrement démontré que la neurogénèse post-natale et la neurogénèse adulte dépendent chacune de facteurs moléculaires distincts. J’ai ensuite démontré que les neurones de projections du bulbe olfactif, chez les souris ayant un niveau de neurogénèse adulte réduit, reçoivent une plus faible inhibition qui affecte la synchronisation de leur activité neuronale. Par conséquent, les souris sont incapables d’établir une mémoire à court-terme des odeurs. Dans ma seconde étude, j’ai démenti la croyance stipulant que les cellules granulaires générées à l’âge adulte formaient une population homogène de cellules. J’ai pu décrire, aux niveaux moléculaire et électrophysiologique, différentes sous-populations d’interneurones générés à l’âge adulte dans la couche granulaire du bulbe olfactif, qui pourrait jouer des rôles distincts dans le décodage des odeurs. Finalement, dans ma dernière étude, j’ai démontré le rôle de l’activité sensorielle sur différentes sous-populations de neurones générés à l’âge adulte. Dans cette étude effectuée en équipe, nous avons prouvé que la dépravation sensorielle affecte la spécification et/ou le maintien de certaines sous-populations de neurones générés à l’âge adulte dans le bulbe olfactif. Les résultats de ces trois études nous permettent donc de mettre de l’avant la façon à laquelle la neurogénèse adulte est orchestrée, le rôle des différents sous-types de neurones générés à l’âge adulte dans le bulbe olfactif et la manière par laquelle l’activité sensorielle affecte la spécification neuronale de cellules nouvellement générées. / New neurons are continuously being added to the adult olfactory bulb in a process known as adult neurogenesis. Interneuron progenitors produced from stem cells in the subventricular zone of the lateral ventricle migrate along a well establishes route, the rostral migratory stream to reach the olfactory bulb. Upon reaching the olfactory bulb they mature, integrate into the existing network and play an important role in odor behavior. All throughout this multi-step process various molecular cues work in tandem with each other to properly orchestrate the production, maturation, survival and guidance of these newborn interneurons to successfully integrate into the adult olfactory bulb. My studies show that adult generated interneurons are crucial for proper functioning of the bulbar network and odor behavior. By using mice that lack a specific molecular cue, I first showed that early postnatal and adult neurogenesis rely, at least partly, on different molecular cues. I then demonstrated that mice with impaired adult neurogenesis have reduced inhibition on their principle output neurons that affects their synchronous activity. This in turn leads to inability of mice to establish short-term odor memories. In my next study I have shown that adult-born granule cells are not a homogeneous population of cells, as previously thought. I have described molecularly and electrophysiological different subpopulations of adult-born interneurons in the granule cell layer of the olfactory bulb that may play distinct roles in odor processing. Finally, in my last study, I explored the role of sensory activity on different sub-populations of adult-born neurons. In this collaborative study we showed that sensory deprivation affects fate determination and/or maintenance of particular sub-population of adult-born neurons. All these studies taken together allows us to further our understanding of how adult neurogenesis is orchestrated, the possible role of different sub-populations of adult-born neurons in the olfactory bulb and how sensory activity affects the fate of different sub-population of adult-born cells.

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

Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences cognitives. Neurosciences cognitives : Lyon 2 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. [76]-82. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Le bulbe olfactif (OB) est le premier centre de traitement des informations olfactives où l'entrée est traitée par un réseau complexe de neurones. L'OB décode les informations sur l'appétence des aliments, les dangers et influence l'attention et la mémoire. Dans l'OB la population cellulaire la plus nombreuse est représentée par les cellules granulaires (GC). Le processus de prolifération, de migration et de différenciation des précurseurs des GC se poursuit tout au long de l'âge adulte. Au sein de l'OB, un autre groupe cellulaire important est représenté par les cellules profondes à axone court (dSAC) qui contrôlent, potentiellement, l'activité de centaines de GC à la fois. Bien que la complexité de l'OB fournisse un réseau complexe capable de décoder un grand nombre de molécules, son activité est modulée par le biais de plusieurs régions du cerveau, qui contribuent à contrôler des groupes neuronaux spécifiques. L'une des régions cérébrales les plus important impliquée dans la modulation du signal OB est représentée par le prosencéphale basal (BF). Le BF est une grande structure cérébrale composée de plusieurs régions vaguement définies et avec une population neuronale hétérogène. Au sein du BF, il est possible de trouver des populations GABAergiques, cholinergiques et glutamatergiques, qui contribuent par leur activité aux différentes fonctions comportementales régulées par cette aire cérébrale. L'activité du composant BF GABAergique semble être principalement impliquée dans le comportement alimentaire et motivationnel. Bien que plusieurs études aient décrit les effets de l'entrée des trois neurotransmetteurs libérés par le BF sur l'OB, à notre connaissance, il n'y a pas eu d'étude approfondie décrivant la proportion des cellules OB recevant l'entrée de cette structure. Dans ce travail, nous avons étudié le rôle fonctionnel d'un groupe de neurones GABAergiques dans la *substantia innominata* (SI) du BF. Nous avons examiné le groupe de neurones au sein de l'OB recevant une entrée du SI et nous avons révélé que les populations recevant la proportion la plus élevée de connexions de cette structure sont les GC nés adultes et les cellules de Blanes, une population de dSAC. Nous avons constaté que l'activation aiguë *in vivo* des neurones dans l'SI projetant au OB augmentait le temps passé à étudier les odeurs naturelles (complexes) mais pas monomoléculaires. De plus, nous avons montré que l'inactivation chimiogénétique des neurones projetant SI au OB altérait la capacité discriminatoire fins des animaux. Nos résultats montrent que les neurones SI se projettent sur des populations de neurones spécifiques dans l'OB et suggèrent que les neurones projetant SI OB peuvent avoir des effets distincts sur le traitement et le comportement des odeurs. Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons utilisé des méthodes de traçage rétrograde et antérograde combinées à des enregistrements *patch-clamp*, des approches optogénétiques et chimiogénétiques, ainsi que des tests de discrimination des odeurs *go/no-go* pour identifier un schéma de projection spécifique de la cellules calrétinine+ (CR+) GABAergique dans le membre horizontal de la bande diagonale de Broca (HDB) du prosencéphale basal dans l'OB. Bien que les neurones GABAergiques HDB se projettent sur toutes les couches de l'OB, les neurones CR + projetent l'OB innervent le GCL mais pas le GL. La stimulation optogénétique des projections axonales CR + dans les tranches OB a provoqué des courants GABAergiques monosynaptiques dans les GC, tandis que l'inhibition chimiogénétique des neurones CR + dans le HDB lors d'une tâche de mémoire et d'association d'odeurs *go/no-go* a entraîné une altération de la discrimination et de l'apprentissage des odeurs. Nos résultats révèlent un schéma de projection spécifique au sous-type d'une population spécifique de neurones HDB dans l'OB et indiquent que les projections HDB GABAergiques peuvent avoir des effets distincts sur le traitement et l'apprentissage des informations olfactives. / The olfactory bulb (OB) is the first processing center for olfactory information where the input is processed by an intricate network of neurons. The OB decodesinformation about the food's palatability, and potential harm, influences attention and memory. In the OB the most numerous cell population is represented by the granule cells (GCs). The process of GCs precursor's proliferation, migration, and differentiation continues throughout adulthood. Within the OB another important cell group is represented by the deepshort axon cells (dSACs) which control the activity of, potentially, hundreds of GCs at once. Although the OB complexity provides an intricate network capable of decoding a vast number of molecules, its activity is modulated by the input from multiple brain regions, which contribute to control specific neuronal groups. One of the most important brain regions involved in the OB signal modulation is represented by the basal forebrain (BF). The BF is a large brain structure composed of several, loosely defined regions and with a heterogeneous neuronal population. Within the BF, it is possible to find GABAergic, cholinergic and glutamatergic populations, which contribute with their activity to the different behavioral functions regulated by this brain area. The activity of the BF GABAergic component seems to be mainly involved in feeding and motivational behavior. Although several studies have described the effects of the input of the three neurotransmitters released by the BF onto the OB, to our knowledge, there has been not a comprehensive study describing the proportion of the OB cells receiving input from this structure. In this work, we investigated the functional role of a GABAergic group of neurons in the substantia innominata (SI) of the BF. We examined the group of neurons within the OB receiving input from the SI and we revealed that the populations receiving with the higher proportion of connections from this structure are adult-born GCs and Blanes cells, a population of dSACs. We found that the acute *in vivo* activation of OB-projecting SI neurons increased the time spent investigating natural (complex) but not monomolecular odors. Furthermore, we showed that the chemogenetic inactivation of OB-projecting SI neurons impaired the fine animals' discriminatory ability. Our findings show that SI neurons project to specific neuron populations in the OB and suggest that OB-projecting SI neurons may have distinct effects on odor processing and behavior. In the second part of this work, we used retrograde and anterograde tracing methods combined with patch-clamp recordings, optogenetic and chemogenetic approaches, as well as go/no-go odor discrimination tests to identify a specific projection pattern of calretinin+ (CR+) GABAergic cells in the horizontal limb of the diagonal band of Broca (HDB) of the BF in the OB. Although GABAergic HDB neurons project to all layers of the OB, OB-projecting CR+ neurons innervate the GCL but not the GL. Optogenetic stimulation of CR+ axonal projections in OB slices elicited monosynaptic GABAergic currents in GCs, while chemogenetic inhibition of CR+ neurons in the HDB during a go/no-go odor memory and associationtask led to impairment in odor discrimination and learning. Our results reveal a subtype-specific projection pattern of a specific population of HDB neurons in the OB and indicate that HDB GABAergic projections may have distinct effects on odor information processing and learning.

Une dysfonction olfactive et une altération de la neurogenèse sont observées dans plusieurs maladies neurodégénératives, y compris la maladie de Huntington (MH). Ce déficit est un symptôme précoce de la MH et est en corrélation avec le déclin de la performance cognitive globale, la dépression et la dégénérescence des régions olfactives dans le cerveau. La dysfonction olfactive dans les maladies neurodégénératives est souvent accompagnée par des anomalies structurelles de l’épithélium olfactif, du bulbe olfactif (BO) et du cortex olfactif chez l’humain. En dépit de preuves claires démontrant la dysfonction olfactive chez les patients de la MH l'information disponible est limitée dans des modèles murins et les mécanismes sous-jacents ne sont pas connus. Une diminution du volume et du compte neuronale dans le PC est observée dans les souris YAC128 vs le type sauvage (WT) âgée (12 mois). Nous avons également examiné les comportements lors d'exposition à des odeurs sociales et non sociales chez des souris en utilisant le test habituation. Une habituation aux odeurs tend à être observé dans les souris YAC128 de 1 mois vs WT se traduisant par une tendance de l’augmentation de la durée d’exploration des YAC128 vs WT lors de leurs 2e et 3e expositions à une odeur. Dans les couches glomérulaire et plexiforme externe, l’intensité réciproque du marquage de TH et de GFAP, marqueur de cellules gliales présente une tendance pour une augmentation dans les YAC128 comparativement au WT. Une tendance pour une diminution de Iba-1, marqueur de neuroinflammation, a aussi été observé dans la couche granulaire du BO de YAC128 âgée vs WT. Malgré une diminution de l’expression en ARNm de caspase-3 et -8, une augmentation de l'expression protéique de la proforme de caspase-8 et des formes actives de la caspase-8, -6 et -9 a été observés au stade présymptomatique dans des BO de YAC128 vs WT. De façon similaire aux YAC128, une atrophie du BO à 6 mois est remarqué dans le modèle de rat BACHD (lignées TG5 et TG9). Globalement, un niveau d’expression de la protéine huntington mutante (httm) est plus élevé dans les TG5. L’expression protéique dans les BO de la proforme des caspase-3, -6 et -8 sont supérieurs dans les TG9 lorsque comparés au TG5 et au WT. L’identification de marqueurs précoces pour la MH contribuera aux approches thérapeutiques et permettra de clarifier l'utilité des tests de la fonction olfactive dans les individus à risques de la MH.