Les variations de la concentration cytosolique de Ca[indice supérieur 2+] contrôlent divers processus biologiques tel la contraction, la division cellulaire et la transactivation de gènes. Chez les cellules non excitables, la stimulation de certains GPCRs (G protein coupled receptor) ou récepteurs tyrosine kinase mène à l'activation d'une phospholipase C qui produit de l'inositol 1,4,5-trisphosphate (IP[indice inférieur 3]). L'IP[indice inférieur 3] active un récepteur-canal au niveau du réticulum endoplasmique (RE) et permet une relâche de Ca[indice supérieur 2+] du RE. Il existe trois isoformes distinctes d'IP[indice inférieur 3]R (IP[indice inférieur 3]R-1 à -3) différemment exprimées dans les tissus. Dans ces travaux, nous avons étudié un mode de régulation de l'IP[indice inférieur 3]R-2 par la PKC, une kinase elle-même activée lors de la réponse calcique. Nous avons aussi vérifié l'implication de chaque isoforme d'IP[indice inférieur 3]R dans l'activité transcriptionnelle des facteurs de transcription sensibles au Ca[indice supérieur 2+] NFAT et CREB.Les cellules AR4-2J expriment principalement l'IP[indice inférieur 3]R-2 (86%), ce qui en fait un bon modèle d'étude pour les mécanismes de régulation de l'IP[indice inférieur 3]R-2. Dans la première étude, nous avons vérifié si la PKC influençait l'activité calcique de l'IP[indice inférieur 3]R-2. D'abord, nous avons montré que l'IP[indice inférieur 3]R-2 est majoritairement exprimé dans les cellules AR4-2J. Nous avons montré par phosphorylation in vitro et in cellulo que l'IP[indice inférieur 3]R-2 est phosphorylé par la PKC. Nous avons montré que le traitement par la PKC réduit la réponse calcique induite par l'IP[indice inférieur 3] sur des cellules perméabilisées. Finalement, nous avons démontré que la réponse calcique induite par le CCh ou l'EGF sur des cellules entières était réduite avec l'activation de la PKC. Ces résultats indiquent que l'IP[indice inférieur 3]R-2 est une autre cible de la PKC permettant de contrôler l'intensité de la réponse calcique. Dans la deuxième étude l'objectif était de déterminer l'implication des isoformes d'IP[indice inférieur 3]R sur l'activité des facteurs de transcription sensibles au Ca[indice supérieur 2+] NFAT et CREB. Par l'approche des gènes rapporteurs de l'activité de NFAT ou CREB, nous avons montré que NFAT était activé par la voie de la calcineurine et que CREB par les voies de CamKII et de la calcineurine dans les cellules HEK 293A. Nous avons démontré que l'invalidation de l'IP[indice inférieur 3]R-2 diminuait la réponse calcique induite par le CCh et que la costimulation avec le VIP pouvait la restaurer. Nous avons montré que l'activité transcriptionnelle de NFAT était affectée, contrairement à celle de CREB, par l'invalidation de l'IP[indice inférieur 3]R-2. Finalement, nous avons montré que l'IP[indice inférieur 3]R-2, et aussi l'IP[indice inférieur 3]R-1, semblent jouer un rôle secondaire, différent de celui de transporteur de Ca[indice supérieur 2+], dans le mécanisme d'activation de NFAT. Ces résultats laissent envisager que l'IP[indice inférieur 3]R serait impliqué dans la formation d'un complexe protéique facilitant l'activation de NFAT.

Intracellular Ca[superscript 2+] is involved in many biological processes in all cells throughout the organism. In non excitable cells, TRPC proteins located at the plasma membrane are calcium channels involved in calcium entry. TRPC6 is particularly studied since its implication in many pathologies, as FSGS, IPAH and some cancers. Its activation and regulation modes and mechanisms are yet fully understood, in spite of the intense research. The purpose of the present study is to investigate the regulation of TRPC6 by phosphorylation. For this, we used metabolic labeling and videomicroscopy techniques in order to evaluate direct TRPC6 phosphorylation and activity. We hence identified a basal as well as a PKC-dependent phosphorylation on TRPC6. PKC is known to modulate the activity of TRPC1, TRPC3, TRPC4 and TRPC5. Recent studies also showed that TRPC6 is inhibited by PKC. Our first study confirms that activation of PKC leads to TRPC6 activity inhibition. When using GF1, a specific PKC inhibitor, calcium entry in TRPC6-expressing cells is potentiated. We moreover show that TRPC6 is phosphorylated following PKC activation. We identify the serine at position 448 as being phosphorylated and responsible for the PKC-mediated inhibition. The S448A mutant of TRPC6 is no longer phosphorylated nor inhibited by PKC. This first study thus demonstrates that PKC-dependent phosphorylation of serine 448 of TRPC6 mediates channel inhibition. In the second study, we investigate the basal phosphorylation of TRPC6, which was observed in the first study. Mass spectrometry analysis identified serine 814 as being potentially phosphorylated, a fact confirmed by metabolic labeling assays performed on the S814A mutant of TRPC6. We show that the S814A mutation does not affect TRPC6 activity. Even though the S814 is in a consensus CK2 phosphorylation sequence, we also show that CK2 is not involved in the phosphorylation or the regulation of TRPC6. These studies thus led to the identification of two new phosphorylations on TRPC6, serine 448 and 814. We also characterized the mechanism by which PKC regulates TRPC6.

Résumé : La variation de la [Ca2+] intracellulaire participe à nombreux de processus biologiques. Les cellules eucaryotes expriment à la membrane plasmique une variété de canaux par lesquelles le calcium peut entrer. Dans les cellules non excitables, deux mécanismes principaux permettent l'entrée calcique; l'entrée capacitative de Ca2+ via Orai1 (SOCE) et l'entrée calcique activé par un récepteur (ROCE). Plusieurs protéines clés sont impliquées dans la régulation de ces voies d'entrée calcique, ainsi que dans l'homéostasie calcique. TRPC6 est un canal calcique impliquée dans l'entrée calcique dans les cellules à la suite d’une stimulation d’un récepteur hormonal. TRPC6 transloque à la membrane cellulaire et il y demeure jusqu'à ce que le stimulus soit retiré. Les mécanismes qui régulent le trafic et l'activation de TRPC6 sont cependant encore peu connus. Des découvertes récentes ont démontré qu'il y a un rôle potentiel de Rho kinase dans l'activité de TRPC6. Rho kinase est activée par la petite protéine G RhoA qui peut être activée par les protéines G hétérotrimériques Gα12 et Gα13. En plus de Gα12 et Gα13, les protéines de désensibilisation des GPCR β -arrestin 1 et / ou β-arrestin 2 peuvent aussi activer RhoA. Le but de notre étude est d'examiner la participation des protéines Gα12/13 et β-arrestin 1/ β-arrestin 2 dans l'activation de TRPC6 et de la protéine Orai1. Nous avons utilisé des ARN interférant (siRNA) spécifiques pour induire une réduction de l'expression de Gα12/13 ou β-arrestin 1/β-arrestin 2. La conséquence sur l’entrée de Ca2+ dans les cellules a été ensuite déterminée par imagerie calcique en temps réel suite à une stimulation par la vasopressine (AVP), thapsigargin ou carbachol. Nous avons donc identifié que dans des cellules A7r5, une lignée cellulaire de musculaires lisses vasculaires où le canal TRPC6 exprimé de manière endogène, la diminution de l’expression des protéines Gα12 ou Gα13 ne semble pas modifier l’entrée Ca2+ induit par l’AVP par rapport aux cellules témoins. D'autre part, la diminution de l’expression β-arrestin 1 ou β-arrestin 2 dans des cellules HEK 293 ainsi que des cellules HEK 293 exprimant de façon stable TRPC6 (cellules T6.11) ont augmenté l’entrée de Ca2+ induite par thapsigargin, un activateur pharmacologique de SOCE. Des études de co-immunoprécipitation démontrent une interaction entre la β-arrestin 1 et STIM1, alors qu'aucune interaction n'a été observée entre les β-arrestin 1 et Orai1. Nous avons de plus montré à l'aide d'analyse en microscopie confocale que la diminution de l’expression β-arrestin 1 ou β-arrestin 2 n’influence pas la quantité d’Orai1 à la périphérie cellulaire. Cependant, des résultats préliminaires indiquent que la diminution de l’expression β-arrestin 1 ou β-arrestin 2 augmente la quantité de STIM1-YFP dans l'espace intracellulaire et diminue sa quantité à la périphérie cellulaire. En conclusion, nous avons montré que les β-arrestin 1 ou β-arrestin 2 sont impliquées dans l'entrée capacitative de Ca2+ (SOCE) et contrôlent la quantité de STIM1 dans le réticulum endoplasmique. / Abstract : In an organism, intracellular [Ca2+] takes part in many biological processes. Eukaryotic cells express a variety of channels in the plasma membrane through which calcium can enter. In non-excitable cells, two main mechanisms allow calcium entry; the store-operated calcium entry via Orai1 (SOCE) and receptor-operated calcium entry (ROCE). Several key proteins are involved in the regulation of these calcium entry pathways as well as in calcium homeostasis. TRPC6 is a calcium channel implied in calcium entrance into the cells following hormonal stimulation and translocates to the plasma membrane. TRPC6 channel appear to the plasma membrane until the stimulus is present. Although, the mechanisms that regulate the trafficking and activation of TRPC6 are still little known. Recent findings have demonstrated that there is a potential role of Rho kinase in activity of TRPC6. Rho kinase is activated by the small G protein RhoA that itself can be activated by the heterotrimeric G proteins Gα12 and Gα13. In addition to Gα12 and Gα13 proteins, cytosolic GPCR desensitizing proteins β-arrestin 1 and/or β-arrestin 2 could also activate RhoA. The purpose of our study is to investigate the involvement of the proteins Gα12/13 and β-arrestin 1/β-arrestin 2 in the activation of TRPC6 and Orai1 protein. We used siRNA specific to Gα12/13 or β-arrestin 1/β-arrestin 2 to knockdown their endogenous expression. Then, calcium imaging in real time was performed in order to see the quantity of calcium entered into the cell following stimulation by vasopressin (AVP), thapsigargin, or carbachol. We hence identified that in A7r5 cell, vascular smooth muscle cell where TRPC6 channel expressed endogenously; reduced expression of Gα12 or Gα13 proteins does not seem to modify the AVP-induced Ca2+ entry compared to control cells. On the other hand, calcium imaging experiment in knocked down β-arrestin 1 or β-arrestin 2 in HEK 293 cells as well as HEK 293 cells stably transfected with TRPC6 (T6.11 cells) resulted in an increased thapsigargin-induced calcium entry. The co-immunoprecipitation studies demonstrate an interaction between β-arrestin 1 and STIM1, a calcium sensor in SOCE influx, while no interaction was observed between β-arrestin 1 and Orai1.We moreover showed by confocal microscopy that reduced expression of β-arrestin 1/ β-arrestin 2 does not influence the quantity of Orai1 at the cell periphery. Preliminary results showed that reduced expression of β-arrestin 1 or β-arrestin 2 increases the quantity of STIM1-YFP in the intracellular space and less it’s in peri-membrane space. In conclusion, we showed that β-arrestin 1 or β-arrestin 2 are involved in the store-operated calcium entry (SOCE) and control the quantity of STIM1 in the endoplasmic reticulum.

Les neurones GABAergiques sont une composante majeure des réseaux neuronaux corticaux. Au cours du développement, les neurones GABAergiques pionniers générés aux stades les plus précoces de l’embryogénèse forment une sous-population de neurones « hubs ». Cependant, leurs propriétés et leurs fonctions à l'âge adulte restent inconnus. En combinant différentes techniques, nous montrons que ces neurones pionniers ont également une fonction « hub » dans la région CA1 en développement in vitro et qu’ils maintiennent une forte connectivité fonctionnelle pendant les périodes de veille calme chez la souris adulte in vivo. Ces neurones, peu actifs de façon spontanée chez l’adulte, sont préférentiellement recrutés pendant les activités calciques synchrones souvent associées aux oscillations de type « SWRs ». Ceci est compatible avec leur faible excitabilité intrinsèque, révélée par des enregistrements en courant-imposé. L’étude des connexions synaptiques afférentes des neurones pionniers de CA1 adulte, par optogénétique, révèle un schéma de connectivité remarquable avec des entrées synaptiques GABAergiques issues du septum et la quasi-absence d’entrées thalamiques. Localement, ces neurones reçoivent moins de courants postsynaptiques GABAergiques, témoignant d’une intégration différentielle dans le réseau GABAergique inhibiteur. Enfin, nous montrons qu’une majorité significative de ces neurones pionniers appartiennent à la famille des neurones à projection longue distance. En conclusion, nous montrons que les neurones GABAergiques pionniers sont prédéterminés à occuper une place remarquable dans l’organisation fonctionnelle et structurale de l’hippocampe tout au long de leur vie. / The remarkable diversity of cortical GABAergic neurons is rooted, at least in part, in their embryonic origins. Adding to the spatial control of interneuron specification is a temporal schedule that has significant impact on their fate. In the CA3 region of the hippocampus, GABAergic cells born the earliest (ebGABA) form a sparse subpopulation acting as ‘hubs’ during development and surviving until adulthood. However, their properties and function in adulthood remain elusive. Using a combination of techniques, we demonstrate that ebGABA neurons also operate as “hubs” in the developing CA1 region in vitro and that they seem to maintain such remarkable functional connectivity into adulthood as observed during quiet rest in vivo. EbGABA display a lower spontaneous activity rate, as expected from their lower intrinsic excitability and are preferentially recruited during the synchronous calcium events previously shown to be associated with SWRs. EbGABA also display a remarkable synaptic connectivity scheme as they receive long-range GABAergic septal inputs but are almost excluded from thalamic afferents. Locally, they receive fewer spontaneous inhibitory postsynaptic currents, indicating a particular integration into local GABAergic circuits. Moreover, using combinatorial immunohistochemistry, we have shown that a majority of these ebGABA neurons are long-range projection GABAergic neurons. We conclude that, ebGABA cells are predetermined to become exceptional nodes in the functional and structural organization of the hippocampus, throughout their lifetime.

Caenorhabditis elegans est un organisme modèle bien adapté à l'analyse du fonctionnement de son réseau de neurones, de l'intégration des informations sensorielles qu'il reçoit à l'élaboration d'une réponse comportementale. Au cours de cette thèse, je me suis intéressée à l'étude de quelques paramètres cellulaires, moléculaires et environnementaux de la stratégie locomotrice de ce nématode. J'ai développé une méthode originale d'analyse quantitative de l'alternance des phases d'activité de C. elegans en présence de bactéries. J'ai montré que la phase inactive est induite par la perception interne de bactéries nutritives alors que la phase active est favorisée par la perception chemosensorielle. Ce comportement bimodal est aussi contrôlé par la concentration en nourriture de l'environnement et est modulé par son état de satiété. On observe en effet une transition d'un état constamment actif à un comportement majoritairement inactif en une décade de concentrations en bactéries. J'ai également montré que ce comportement est régulé par les voies de signalisation de la sérotonine, de l'insuline et des TGF-beta. J'ai par ailleurs développé un nouveau système d'imagerie permettant l'enregistrement simultané de l'activité calcique de neurones uniques et du comportement de vers se déplaçant librement en conditions standard de laboratoire. J'ai pu montrer que les mouvements de recul spontanés de C. elegans reflètent précisément l'activité calcique des neurones de commande AVA. Par ailleurs, j'ai pu détecter des pics d'activité calcique spontanés des neurones mécanosensoriels PLM lors du déplacement libre du ver corrélés à de courtes phases d'accélération de l'animal.

Le cerveau de la drosophile est le siège de processus neuronaux complexes, et la drosophile se révèle être un organisme de choix pour leur étude grâce en particulier aux puissants outils de génétique moléculaire. Une drosophile peut former une mémoire olfactive associative aversive ou appétitive, selon qu’une odeur est associée à une punition ou à une récompense. En aversif, si le conditionnement est répété au moins cinq fois avec intervalles de repos, la mémoire se consolide en impliquant une synthèse protéique de novo et peut alors durer plus d’une semaine : on parle de mémoire à Long Terme (MLT). Dans le cadre du paradigme appétitif, il existe également une MLT dépendant de la synthèse protéique de novo, mais sa formation est engagée dès le premier cycle d’apprentissage. Les Corps Pédonculés sont le centre cérébral où est encodée la mémoire olfactive et comprennent 4000 neurones, les Cellules de Kenyon (KC). Ils sont contactés par environ 150 neurones de projection cholinergiques leur apportant l’information olfactive, mais également par environ 130 neurones dopaminergiques afférents et seulement 34 neurones efférents. Beaucoup des neurones impliqués dans la formation et le stockage des mémoires olfactives ont été identifiés au cours des 15 dernières années. Le premier objectif de mes travaux de thèse a été d’identifier précisément quels neurones encodent la MLT au sein des Corps Pédonculés et quels neurones convoient l’information mnésique hors des Corps Pédonculés. Pour ce faire, nous avons mis à profit des outils thermogénétiques permettant de bloquer la transmission synaptique de neurones choisis, et ce à un moment donné des processus mnésiques. Après avoir induit la formation de MLT aversive ou appétitive, il nous est possible d’inhiber les KC ou les neurones efférents aux Corps Pédonculés lors de la remobilisation, 24 heures après le conditionnement, des informations enregistrées. Ensuite, pour comprendre la physiologie des neurones identifiés, c’est à dire comment leur activité leur permet d’assurer leur fonction dans la mémoire, nous révélons leur activité grâce à une sonde calcique fluorescente exprimée génétiquement et nous enregistrons cette activité in vivo par microscopie confocale. Pour mimer les conditions de rappel de la MLT, nous représentons l'odeur ayant servi au conditionnement à des drosophiles ayant formé une MLT... / Drosophila brain is subject to complex neuronal processes, and their study is very convenient in drosophila due to powerful genetic tools. Drosophila can form aversive or appetitive olfactory associative memory, if an odor is associated to a punishment or a reward. When an aversive conditioning is repeated more than five times with rest intervals, the memory is strengthened, implying de novo protein synthesis and lasting over one week, in what we call Long Term Memory (LTM). With appetitive paradigm, a protein synthesis dependent LTM can also be formed, but from only one conditioning cycle.Mushroom Bodies (MB) are the brain memory center where olfactory memory is encoded, and they comprise 4000 neurons, the Kenyon Cells (KC). They are targeted by around 150 cholinergic projection neurons, bringing olfactory information, but also by 130 afferent dopaminergic neurons and only 34 efferent neurons. Over the past 15 years, one have identified many neurons involved in olfactory memory formation and storage. The first goal of my PhD work was to precisely identify which neurons encode LTM within MB and which neurons carry mnesic information out of MB. To this purpose, we used thermogenetic tools to block synaptic transmission, in precise neuronal populations and at precise time windows. After the induction of aversive or appetitive LTM formation, we can inhibit KC or MB output neurons during the retrieval of recorded informations, 24H later. Then, aiming at understanding the physiology of the unravelled neurons, i.e. how their activity support their role in memory, we record their calcic activity with a genetically encoded fluorescent probe, in vivo, with a confocal microscopy device. To mimick LTM retrieval conditions, we present the conditioned odor to LTM trained flies...

La larve de poisson-zèbre est un animal modèle pour l'étude du système nerveux des vertébrés, dont certains mutants expriment des rapporteurs calciques (GCaMP) à l'intérieur de leurs neurones. Ces mutants sont utilisés pour des expériences d'imagerie fonctionnelle dans lesquelles l'activité de la quasi-totalité de leur système nerveux est enregistrée simultanément. La première partie de cette thèse est consacrée à la conception d'une expérience comportementale permettant de suivre et d'analyser les mouvements de nage de larves de poisson-zèbre plongées dans un écoulement d'aspiration. Les contributions de la ligne latérale, organe spécifique aux poissons et amphibiens responsable de la perception des stimulations hydrodynamiques, et des yeux ont été découplées afin de pouvoir décrire les interactions entre ces deux modalités sensorielles et leurs effets respectifs sur les réactions des larves à une aspiration, analysés par le biais de leur mouvements de nage. Cette expérience devait être préliminaire à une étude des réponses neuronales à une aspiration grâce au montage expérimental de microscopie par nappe laser développé au laboratoire depuis quatre ans, afin de réaliser des expériences de cross-modal en imagerie fonctionnelle, c'est-à-dire l'observation dynamique des réseaux neuronaux consacrés au deux modalités sensorielles lorsque celles-ci sont stimulées soit simultanément, soit séparément. Devant les difficultés rencontrées pour observer les réponses de la ligne latérale des larves en imagerie calcique, ce qui n'a à ce jour jamais été réalisé, nos expériences d'imagerie fonctionnelle se sont reportées sur l'audition de la larve de poisson-zèbre, qui a remplacé la perception des écoulements. La deuxième partie de cette thèse décrit donc les protocoles, les méthodes d'analyse et les résultats issus de cette série d'expériences dont les résultats, encore exploratoires, donnent une idée des réseaux de neurones impliqués dans la perception des vibrations par la larve de poisson-zèbre. Ces premières analyses encourageantes, en plus de présenter pour la première fois des enregistrements d'une grande partie du système neuronal sous stimulation auditive, ouvrent la porte à de nouvelles méthodes d'analyse de données pour des populations de neurones à la fois nombreuses et spatialement étendues. / The Zebrafish larva is a model for the study of vertebrate central nervous system. Mutants have been developped which express calcium reporter (GCaMP) in their neurons. These mutants are used in functional imaging experiments in which the activity of almost all the neurons is simultaneously recorded. The first chapter of this thesis is devoted to the conception of a behavioral experiment designed to record and analyse the swim movements of zebrafish larvae submitted to a succion flow. The contributions of lateral line (specific fish organ responsible for the perception of hydrodynamic stimulations) and visual system have been separated in order to describe the interactions between those two modalities and their respective effects on larvae reactions to aspiration, analysed through their swim patterns. This experiment was thought to prepare a study of neuronal responses to aspiration, thanks to the laser sheet microscopy setup developped in the laboratory since four years. The aim was to use calcium imaging to work on cross-modal experiment, by the dynamic observation of neural networks dedicated to the two sensory modalities when stimulated simultaneously or separatly. Facing difficulties to record lateral line response using calcium imaging, which are not been recorded yet, functional imaging experiments have adressed zebrafish larvae auditory system instead of hydrodynamic perception. The second part of this thesis describes protocols, analysis and results from these experiments. The results are still at an exploratoty stage but draw a scheme of neural networks involved in vibrations perception in zebrafish larvae : they present recordings of a huge part of central nervous system and the activity evoked by auditory stimulations.

Le comportement animal est souvent conçu comme résultant d'une association entre un stimulus et une réponse. Selon cette vision, comprendre le cerveau revient à dénouer les liens entre les entrées sensorielles et les sorties motrices. Toutefois, dans des conditions naturelles, l'influence entre l'action motrice et la perception sensorielle est réciproque. Les animaux utilisent constamment les rétroactions sensorielles causées par leurs actions pour ajuster les commandes motrices. Par ailleurs, le comportement n'est pas seulement une réponse à l'environnement sensoriel mais peut être généré par l'activité endogène du cerveau. Afin de comprendre le dialogue sensorimoteur en observant de larges régions cérébrales à une résolution cellulaire, j'ai étudié les comportements induits et spontanés chez la larve du poisson-zèbre. Les atouts de la larve du poisson zèbre sont sa petit taille et sa transparence. On peut utiliser des méthodes d'imagerie fonctionnelle optique, comme la microscopie par nappe laser, afin d'enregistrer l'activité dans une large portion des neurones. Afin d'étudier le comportement de navigation chez la larve dans des conditions compatibles avec l'observation du cerveau, j'ai développé un système de réalité virtuelle visuelle pour la larve du poisson zèbre. L'environnement visuel est mis à jour en fonction des mouvements du poisson. Cette rétroaction peut être choisie comme étant similaire à la rétroaction visuelle que le poisson expérimente en nage libre. En modifiant la rétroaction visuelle naturelle, on peut étudier la manière dont la larve s'adapte aux perturbations. Dans cette optique, j'ai d'abord généré une librairie de mouvements de nage libre. A partir de celle-ci, j'ai extrait la relation entre la trajectoire de la larve et la cinématique de ses mouvements de queue. Cette relation permet de décoder les intentions de déplacements chez une larve dont la tête est restreinte dans un gel et de mettre à jour un environnement visuel selon ses mouvements de queue. Dans un environnement virtuel, la larve parvient à contrôler son orientation et sa vitesse afin de suivre un mouvement d'ensemble ou bien à générer une séquence de mouvements nécessaires à atteindre une cible mobile. Lorsque la rétroaction visuelle n'est pas mise à jour continuellement mais à la fin de chaque mouvement, on observe que les mouvements sont alors plus longs. Cette faible perturbation réduit significativement le succès des déplacements du poisson vers des cibles virtuelles. Le comportement peut aussi résulter de l'activité endogène du cerveau. En absence de stimulus externe, la larve produit des mouvements stéréotypés similaires à ceux produits lorsqu'elle navigue en réponse à un stimulus. Après avoir établit une nouvelle méthode de classification des mouvements de queue, j'ai analysé la séquence des mouvements générés spontanément. Ces séquences sont composées de successions quasi rythmiques qui alternent avec de longues périodes de repos. Les mouvements consécutifs sont davantage similaires lorsqu'ils s’enchaînent rapidement (~10s). Afin d'étudier les mécanismes neuronaux responsables de la décision d'effectuer un mouvement spontané, j'ai couplé l’imagerie par nappe laser à l'analyse des mouvements. Des résultats préliminaires mettent en évidence des groupes de neurones dont l'activité prédit la direction des mouvements des virages. Deux groupes repartis bilatéralement oscillent en opposition de phase et l'état de cet oscillateur avant un mouvement prédit sa direction. Les neurones responsables de la décision du type de mouvement à effectuer spontanément sont différents des neurones qui contrôlent le timing de leur déclenchement. Ensemble, ces résultats éclairent les processus de rétroaction et de dynamique interne qui façonnent le comportement et ouvre la voie à l'étude de processus sensorimoteurs complexes dans des systèmes simples. / Behavior is often conceived as resulting from a stimulus-response association. Under this paradigm, understanding the nervous system is reduced to finding the relation between a sensory input and a motor output. Yet, in naturally behaving animals, motor actions influence sensory perceptions just as much as the other way around. Animals are continuously relying on sensory feedback to adjust motor commands. On the other hand, behavior is not only induced by the sensory environment, but can be generated by the brain's rich internal dynamics. My goal is to understand the sensory-motor dialogue by monitoring large brain regions, yet, with a single-neuron resolution. To tackle this question, I have used zebrafish larva to study visually induced and internally driven motor behaviors. Zebrafish larvae have a small and transparent body. These features enable using large-scale optical methods, such as selective plane illumination microscopy (SPIM), to record brain dynamics. In order to study goal-driven navigation in conditions compatible with imaging, I developed a visual virtual reality system for zebrafish larva. The visual feedback can be chosen to be similar to what the animal experiences in natural conditions. Alternatively, alteration of the visual feedback can be used to study how the brain adapts to perturbations. For this purpose, I first generated a library of free-swimming behaviors from which I learned the relationship between the trajectory of the larva and the shape of its tail. I then use this technique to infer the intended displacements of head-fixed larvae. The visual environment was updated accordingly. In the virtual environment, larvae were capable of maintaining the proper speed and orientation in the presence of whole-field motion and produced fine changes in orientation and position required to capture virtual preys. I demonstrate the sensitivity of larvae to visual feedback by updating the visual world only after the discrete swimming episodes. This feedback perturbation induced a decay in the performance of prey capture behavior, suggesting that larva rely on real-time visual feedback during swimming. Behavior can also be induced by the internal dynamics of the brain. In the absence of salient sensory cues, zebrafish larva spontaneously produces stereotypical tail movements, similar to those produced during goal-driven navigation. After having developed a new method to classify tail movements, I analyzed the sequence of spontaneously generated tail movements. The latter switched between period of quasi-rhythmic activity and long episodes of rest. Moreover, consecutive movements were more similar when executed at short time intervals (~10s). In order to study the mechanisms responsible for the spontaneous decisions to move, I coupled SPIM to tail movement analysis. Using dimensionality reduction, I identified clusters of neurons predicting the direction of spontaneous turn movements but not their timings. This Preliminary result suggests that distinct pathways could be responsible for the timing (when) and the selection (what) of spontaneous actions. Together, the results shed light on the role of feedback and internal dynamics in shaping behaviors and open the avenue for investigating complex sensorimotor process in simple systems.

Le suivi des flux calciques dans le cerveau de l’animal en mouvement nécessite de nouvellessondes. Nous utilisons la bioluminescence observée chez la méduse Aequorea victoria etimpliquant la protéine aequorine. Une fusion entre l’aequorine et la protéine fluorescente GFP(GA) permet d’obtenir un senseur calcique bioluminescent dont la stabilité et les propriétésspectrales sont adéquates pour de nombreuses applications. L’émission de bioluminescencepermet de suivre la propagation de l’information nerveuse de cellule en cellule, en temps réeldans des réseaux de neurones.Nous avons tout d’abord montré au moyen de construction de lignées transgéniques murinesque la protéine chimère GA peut être exprimée dans des microdomaines cellulaires pouranalyser l’activité neuronale. Nos résultats montrent pour la première fois qu’il est possibled’enregistrer in vivo et de manière non invasive dans l’animal en mouvement deschangements dans la concentration de calcium mitochondrial. Nous avons ensuite réalisé unciblage post synaptique du senseur par fusion à la protéine PSD95. Ce ciblage permet dedétecter l'entrée de calcium au niveau du récepteur NMDA.Parallèlement, nous avons cherché à améliorer les propriétés du senseur GA pour détécterl’activité calcique dans l’animal in toto. Nous identifié un nouvel analogue de lacoelenterazine conduisant à un décalage du spectre de bioluminescence de l’aequorine vers lerouge. Et par ailleurs, nous avons testé l’activité de l’aequorine en fusion avec diversesprotéines fluorescentes. Nous disposons avec ce travail de nouveaux senseurs bioluminescentspour le suivi de l’activité cérébrales dans des études comportementales. / Monitoring calcium fluxes in the brain of freely moving animals requires the development ofnew probes. We use the bioluminescence of the protein aequorin observed in the jellyfishAequorea victoria. A fusion between aequorin and GFP fluorescent protein (GA) provides abioluminescent calcium sensor whose stability and spectral properties are adequate for manyapplications. The emission of bioluminescence is suitable to track in real-time the propagationof nervous impulses from cell to cell in neural networks.We first showed by transgenic murine lines construction that the chimeric protein GA can beexpressed in cell microdomains to analyze neuronal activity. Our results show for the firsttime it is possible to record in vivo and non-invasively in the moving animal, changes in theconcentration of mitochondrial calcium. We then performed a post synaptic targeting of thesensor by fusion with the protein PSD95. This permits to detect the entry of calcium next tothe NMDA receptor.Meanwhile, we tried to improve the properties of the GA sensor to detect calcium activity inthe animal in toto and mor specifically through the skull. We identified a new analogue ofcoelenterazine leading to a shift in the spectrum of aequorin bioluminescence to red. We thentested the activity of aequorin fused with different fluorescent proteins. This leads to newbioluminescent sensors for monitoring the brain activity in behavioral studies.

Un tiers de la thèse couvre la conception et le montage d'une expérience de stimulation tactile chez l'humain. En utilisant la microneurographie, nous avons pu enregistrer la réponse neuronale des mécanorécepteurs lorsqu'ils sont stimulés de façon précise et contrôlable. Notre dispositif permet le contrôle de la position, l¿orientation, la vitesse et de la force d'appui de la stimulation via une texture micro-usinée par nos soins. Ainsi les conditions sont réunies pour étudier de façon systématique la transduction de l'information tactile, qui se trouve d¿abord dans la surface à sonder puis passe dans le codage par les neurones du système nerveux. La seconde partie concerne le montage d'un microscope par nappe laser appliqué à l'enregistrement de l'activité neuronale d¿une larve de poisson-zèbre. Le but est de se doter d'un outil permettant d'observer la totalité de la chaîne de transmission de l'information mécano-sensorielle : du récepteur au cerveau. Les poissons sont génétiquement modifiés pour exprimer le rapporteur calcique GCaMP3 dans chacun de leurs neurones. Le microscope à nappe laser, où l'éclairement du spécimen se fait par le côté avec un faisceau laser scanné et l'observation se fait par le dessus selon un axe perpendiculaire au plan d'éclairement, permet d'augmenter à la fois la fréquence de prise d'images et la taille du champ enregistré par rapport aux techniques usuelles (microscope confocal ou 2-photons). Ces gains sont mis à profit pour étudier les corrélations entre les signaux de neurones distribués dans l'ensemble du cerveau de la larve du poisson-zèbre, et mettre directement à jour les sous-réseaux à l'œuvre au cours de l'activité cérébrale. / One third of the manuscript deals with the design of a set-up to deliver tactile stimulation to a human subject. Using microneurography, we recorded the neural response of the mecanoreceptors during a controlled stimulation. The set-up provides precise control over the position, the orientation, the speed and the loading force of a stimulus that we machined on a micro-mill. Thus we can study the transduction of the information, from initially contained in the surface geometry up to the neural coding. The second part shows the construction of Single Plane Illumination Microscope designed to record the neuronal activity of a zebrafish larva. We aim at recording the whole chain of transmission from the sensor to the brain. The fish are genetically modified to express the GCaMP3 calcium indicator in each of their neurons. With the SPIM, where the excitation light comes from the side of the specimen in the shape of a lightsheet and the observation is made from the top at a 90 degrees angle, we can increase the frame rate and the size of the field of view simultaneously, compared to usual techniques (confocal or 2-photons microscopes). These improvements are used to study the correlations between signals from neurons distributed all over the larva?s brain, and discover the underlying networks.