Le cerveau est composé de réseaux de neurones interconnectés dont la mise en place au cours du développement cérébral est hautement régulée par des processus cellulaires, moléculaires et fonctionnels. Un dysfonctionnement de ces processus peut perturber l’établissement de ces réseaux et conduire à des pathologies neurologiques. L’épilepsie absence est une pathologie génétiquement déterminée qui apparait au cours de l’enfance. Les crises d’absences sont caractérisées par une altération de la conscience et par la présence de décharges de pointe-ondes (DPO) sur l’électroencéphalogramme initiées au sein d’un zone restreinte du cortex. Cependant, on sait peu de choses sur les mécanismes conduisant à la mise en place des décharges épileptiques récurrentes au cours de l’enfance (i.e. l’épileptogenèse). Nous avons fait l’hypothèse que des anomalies du processus de maturation cérébrale sont à l’origine de l’apparition des DPO.J’ai vérifié cette hypothèse chez un modèle génétique d’épilepsie absence, le rat GAERS. Dans un premier temps, j’ai étudié l’épileptogenèse du GAERS grâce à l’enregistrement in vivo du potentiel de champs local et de l’activité intracellulaire des neurones pyramidaux au niveau du site d’initiation des DPO, le cortex somatosensoriel (SoCX). Nous avons mis en évidence que les DPO se développent progressivement après la fin d’une période de maturation hautement sensible et malléable du SoCx (i.e. période critique). La maturation des décharges épileptiques consiste en une augmentation de leur fréquence, de leur durée et en l’évolution du motif de décharge jusqu’à l’âge adulte, période à laquelle ces paramètres atteignent une relative stabilité. De plus, ces changements sont associés à une altération graduelle des propriétés intrinsèques des neurones pyramidaux qui s’accompagne d’une augmentation progressive de la force de l’activité synaptique locale et d’une propension accrue des neurones du SoCx à générer des oscillations synchrones.Nous avons ensuite recherché les raisons de cette prédisposition anormale des neurones du SoCx à se synchroniser chez le GAERS. Dans ce but, nous avons cherché à mettre en évidence des anomalies de la maturation corticale au niveau de la structure et de l’organisation fonctionnelle du SoCx avant l’apparition des DPO. En combinant l’IRM, des marquages immunohistochimiques et le traçage rétrograde monosynaptique des connexions longue distance par le virus de la rage modifié, nous avons pu montrer qu’aucune anomalie globale du cerveau et du SoCx n’est présente chez le GAERS avant l’apparition des DPO. Afin de déterminer la présence d’anomalies fonctionnelles nous avons utilisé l’imagerie calcique biphoton et enregistré in vivo la dynamique de l’activité spontanée du réseau de neurones des couches 2-3 du SoCx. Chez le GAERS, nous avons mis en évidence que ces neurones sont plus actifs et dévoilent une organisation fonctionnelle différente de celle des animaux contrôles. Enfin, pour comprendre comment cette organisation fonctionnelle anormale est médiée, nous avons étudié la structure dendritique et synaptique du SoCx en combinant la microscopie électronique et la reconstruction morphologique de neurones. Nous avons mis en évidence un élargissement des épines dendritiques associé à un allongement de la densité post-synaptique au sein du SoCx chez le GAERS.L’ensemble de ces résultats démontrent la nature progressive du développement de l’épilepsie absence ainsi que l’existence d’anomalies de la maturation corticale qui affectent la structure et la fonction du réseau neuronal, avant l’apparition des crises épileptiques. Ces altérations constituent une prédisposition à l’établissement et l’évolution des DPO et sont une cible thérapeutique potentielle qui pourrait permettre de bloquer la mise en place des crises d’absences. / The brain is organized into several interconnected neuronal networks whose formation is highly regulated by cellular, molecular and functional processes. The dysfunction of these processes during brain development could disrupt neuronal circuit establishment and lead to neurological pathologies. Absence epilepsy is a genetically determined disease with a childhood onset. Absence seizures are characterized by an impairment of the consciousness associated on the electroencephalogram with spike and wave discharges (SWD). However, little is known about the mechanisms leading to the establishment of recurrent epileptic discharges (i.e. epileptogenesis). We hypothesized that SWD onset originates from an abnormal brain maturation.During my PhD, I examined this hypothesis in a recognized genetic model of absence epilepsy, the GAERS rat. First, I studied the epileptogenic process by recording in vivo the local field potential and the intracellular activities of pyramidal neurons in the initiating area of SWD, the somatosensory cortex (SoCx), at different post natal days in GAERS. We showed that SWD progressively developed after the end of a highly sensitive and plastic maturation period of the SoCx (i.e critical period). Afterward, epileptic discharges maturation consists in an increase of their duration, their number and in an evolution of the pattern reaching a relative stability at adulthood. Moreover, these changes are associated with a gradual abnormal alteration of the intrinsic properties of pyramidal neurons which is accompanied with a progressive increase in the strength of the local synaptic activity and a growing propensity of SoCx neurons to generate synchronized oscillations.Then, we explored the reasons for this abnormal susceptibility of SoCx neurons to be more synchronized in GAERS. We sought to bring to light anomalies of SoCx maturation at the structural and functional organization level prior to SWD onset in GAERS. Combining MRI, immunohistochemistry labeling and rabies-mediated retrograde monosynaptic tracing to reveal long-range connectivity, we showed that, prior to SWD onset, no brain and SoCx architecture abnormalities could be observed in GAERS. Then, using two photon calcium imaging we recorded in vivo the spontaneous activity of SoCx layers 2-3 neurons to evidence their functional organization. We found that these neurons were more active and unveiled a different functional organization in GAERS compared to control animals. Finally, to understand how is mediated this abnormal functional organization, we studied the dendritic and synaptic fine structure of SoCx neurons by combining electron microscopy and morphological neuron reconstruction. We highlighted an enlargement of the dendritic spines as well as an increase of the post-synaptic density length in the GAERS SoCx.Taken together, these findings showed the progressive nature of absence epilepsy development and the presence of abnormalities in the cortical maturation which affect the structure and the functional of the neuronal network the prior to SWD. These alterations constitute a breeding ground for the establishment and evolution of SWD. Future studies will aim at interfering with the epileptogenesis process should target these early alterations to stop seizure development.

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

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.

Les cellules ciliées internes (CCI) sont les cellules sensorielles de l'organe de l'audition, elles transforment les ondes sonores en messages nerveux. Avant l’entrée en fonction de la cochlée, les CCI émettent spontanément des potentiels d’action (PA) calciques, ce qui active la voie auditive ascendante et assure le développement de l’axe tonotopique, à savoir la représentation du codage en fréquence, dans chaque relais de la voie auditive. Le profil et les mécanismes à l’origine des PA des CCI sont fortement débattus. Nous nous sommes donc attachés à étudier l’empreinte développementale des cellules sensorielles, c'est à dire déterminer le profil et les mécanismes à l’origine de leur activité.Après avoir incubé l’épithélium neuro-sensoriel avec la sonde calcique Fura2-AM, nous avons observé des vagues calciques se propageant le long des cellules de soutien et des cellules sensorielles. Plus précisément, l’activité des cellules ciliées se caractérisait par des élévations transitoires de calcium (pics calciques) à intervalles de temps réguliers. Nous avons ensuite démontré que les pics calciques des CCI correspondaient bien à des bouffées de PA en mesurant simultanément les oscillations calciques et l’émission de PA en patch-clamp. La fréquence, la durée et la distribution temporelle des pics calciques des CCI étaient en grande partie invariantes le long de l’axe base-apex de la cochlée. Enfin, les cellules voisines montraient une activité fortement synchrone à l’inverse des cellules spatialement éloignées. Ces résultats indiquent donc que l’activité des CCI est majoritairement identique le long de l’axe tonotopique de la cochlée.Nous nous sommes ensuite intéressés au mécanisme responsable de l’activité spontanée, la dépendance à l’ATP. L’incubation d’apyrase, une ecto-nucléotidase, entraine une diminution de l’activité des cellules de soutien, à savoir une réduction de l’aire et de la vitesse de propagation des vagues calciques. En revanche, l'activité des CCI n'est pas altérée par la déplétion d’ATP. Ces résultats suggèrent 2 mécanismes distincts, le premier ATP-dépendant et le second ATP-indépendant dans les cellules de soutien et sensorielles, respectivement.L’ensemble de ces résultats indique que la maturation des centres supérieurs serait déterminée par l’activation synchrone d’un nombre limité de cellules sensorielles. / During development, the sensory cells of the cochlea, the inner hair cells (IHCs), fire spontaneous calcium action potentials. This spontaneous spiking activity at the pre-hearing stage allows the IHCs to automatically stimulate the auditory nerve fibers and hence, ensures the proper shaping of the tonotopic organization along the ascending auditory pathway. Spontaneous spiking patterns may depend on the IHCs position on the cochlea (the tonotopic axis). Those patterns may also rely on ATP secretion from neighboring supporting cells. In this study, we used calcium imaging in the immature neuro-sensory epithelium of the cochlea, the Kölliker´s organ, to gain insights in the IHCs spiking activity. After loading the Kölliker´s organ with the calcium dye fura-2 AM, propagation of spontaneous calcium waves was readily observed across supporting and sensory cells. Both basal and apical IHCs were characterized by similar spontaneous calcium transients interspaced with silent periods, reminiscent of bursts of action potential recorded in patch-clamp. In addition, neighboring cells show a strong degree of synchronous activity. Incubation with apyrase, which hydrolyzes ATP, prevents the spontaneous calcium increase that propagates across the supporting cells within the Kölliker's organ. However, it leaves the spontaneous calcium transients in IHCs mostly unaffected. All these results show that the tonotopic map refinement in higher auditory centers comes from a coordinated activity of neighboring sensory cells, whose activity seems to be independent of ATP

La mouche Drosophila melanogaster est un modèle de choix dans l’étude des grandes fonctions neurophysiologiques notamment en raison de la disponibilité d’une importante variété d’outils disponibles (approches génétiques, pharmacologiques et comportementales). Le cerveau de la mouche, malgré sa simplicité apparente, est capable de traiter des fonctions complexes d’intégration des différents paramètres environnementaux nécessaires à sa survie. Dans le cerveau drosophile, les corps pédonculés (CP) sont des structures impliquées dans de nombreuses fonctions neurophysiologiques de premier plan telles que l'apprentissage et la mémoire olfactive, la régulation de l’activité locomotrice, l'orientation spatiale, la régulation du sommeil ou encore la prise de décision. Il a été montré par des approches associant essentiellement observations comportementales et outils génétiques que la voie de signalisation de l'AMPc joue un rôle crucial dans la réalisation des fonctions diverses des CP. Les cellules de Kenyon (CK) qui sont les cellules intrinsèques des CP, reçoivent principalement des afférences du système olfactif par l’intermédiaire des neurones de projections (PN) en provenance des lobes antennaires et des afférences neuromodulatrices (dopaminergiques et octopaminergiques). Les synapses entres PN et CK se font sur un mode cholinergique grâce à des récepteurs canaux à l’acétylcholine de type nicotinique (nAchR). Nous avons utilisé une technique récente d’imagerie calcique par bioluminescence utilisant une protéine recombinante, la GFP-Aequorine. Cette technique nous a permis de suivre l’activité cellulaire calcique consécutive à l’application de nicotine, un agoniste des nAchR. Grâce à l’observation de ces réponses suite à une combinaison d’approches génétiques corroborée par des approches pharmacologiques, nous avons pu mettre en évidence une modulation complexe et régionalisée de la réponse calcique dans les CP par l’AMPc et d’autres différents partenaires tels que des canaux K+ et Ca2+. Dans un premier temps, nous avons démonté l’existence d’une modulation directe de l’intensité de la réponse par l’AMPc. Nous avons également montré, pour la première fois, que des réponses Ca2+ « spontanées » peuvent être directement inductibles par augmentation de l’AMPc. Nous avons mis en évidence l’existence d’un nouveau partenaire de la modulation de la réponse des CP indépendant de la PKA : les CNG (Cyclic Nucleotides Gated Channels) dont le rôle n’avait jusqu’ici jamais été démontré dans les corps pédonculés. Enfin nous avons pu observer une régionalisation de la régulation de l’activité Ca2+ des CP par l’AMPc. Dans un deuxième temps nous nous somme intéressé aux principales conductances calciques et potassiques. Nous avons mis en évidence que différents canaux calciques voltages dépendants (VGCC) sont impliqués de façon régionalisée et séquentielle dans la formation de la réponse calcique. Il a pu également être démontré que le signal est modulé de façon différentielle dans les calices et les lobes par l’AMPc à travers différents canaux potassiques. Enfin des protocoles originaux ont été développés, tels que la micro application de drogue ou l’électrostimulation permettant d’étudier la neuromodulation dans les CP, à réutiliser pour des travaux ultérieurs du laboratoire. Ce travail est une première étape dans la compréhension des voies de signalisations et des mécanismes intracellulaires impliqués dans l’apprentissage et la mémoire olfactive. / In Drosophila, the Mushroom-Bodies (MBs) are implicated in multiple functions, as olfactory learning and memory, locomotor activity, spatial orientation, sleep, decision making, and up to now but indirectly, in various addiction. Notably, the MBs, which express the nAchR, receive their main inputs from the cholinergic olfactory pathways, through the Projections Neurons (PNs). In this thesis we characterized, at the cellular and molecular levels, the nicotine effect on the Kenyon cells (KCs: the intrinsic neurons) of the Mushroom-Bodies. We used the in-Vivo brain imaging approach, based on the Ca2+-Sensitive bioluminescent probe (GFP-Aequorin), to characterize the nicotinic induced Ca2+-Response on the KCs of the MBs. More specifically we searched the role of different partners involved in the cAMP pathway, in order to understand their roles in the different components of the response and in its modulation. First using both genetics and pharmacological approaches to interfere with different components of the cAMP signaling pathway, we first show that the Ca2+-Response is proportional to the levels of cAMP. Second, we reveal that an acute change in cAMP levels is sufficient to trigger a Ca2+-Response. Third, genetic manipulation of protein kinase A (PKA), a direct effector of cAMP, suggests that cAMP also has a PKA-Independent effect through the cyclic nucleotide-Gated Ca2+-Channel (CNG). Finally, the disruption of calmodulin, one of the main regulators of the rutabaga adenylate cyclase (AC), yields different effects between the calyx/cell-Bodies and the lobes, suggesting a differential and regionalized regulation of ACSecond we exploited both genetic approaches to interfere with different types of Ca2+- and K+-Channels, first we show that the disruption of the VGCC, as cacophony, Dmcα1d and Dmcα1g lead to a striking decrease of the Ca2+-Response both in the CCB and the lobes. Moreover, for two of them, cacophony and Dmcα1d, the duration of the response is importantly increased. Second, the disruption of the fast inactivating K+-Currents, as shaker (sh), shaker-Like (shal) and slowpoke (slo) reveal that the knocked-Down of shal and slo lead to a striking decrease of the Ca2+-Response, while the knocked-Down of sh has only a mild effect. Interestingly, the stimulation of the adenylate cyclase (AC) by the forskolin with the various K+-Channels disruption show an antagonist effect of the cAMP in the CCB between sh (inhibitory) and slow (excitatory) while AC simulation mediate excitatory effects in the ML though both shal and sh. Finally, the knock-Down of the two slow inactivating K+-Currents as shaker w (shaw) and shaker b (shab) also yields to a strong decrease of the Ca2+-Response In conclusion, our results provide new insights into the complexity of the Ca2+-Response in the MBs and are a first step toward deciphering the roles of the VGCC and K+-Channels in the multiples roles of the MBs. Finaly we developed several original protocols to explore the role of the neuromodulation on the KC.This work constitutes an important step toward a better understanding of the pathway required in learning and memory.

Dans le cervelet, l’interaction entre l’activité des fibres parallèles (FPs) et celle de la fibre grimpante (FG), les deux principaux inputs excitateurs des neurones de Purkinje (NPs), engendre des signaux calciques supra-linéaires procurant des informations sur leur activité concomitante. Ce phénomène déclenche des mécanismes synaptiques qui induisent la dépression à court- ou à long-terme des synapses FP-NPs. L’activation des FPs génère des signaux calciques locaux confinés aux épines activées tandis que l’activation de la FG génère une dépolarisation qui se propage passivement dans les dendrites. Cette dépolarisation transitoire qui n’est pas locale joue un rôle important dans la régulation de la signalisation locale des FPs et leur plasticité. L’étude menée durant ma thèse s’est focalisée sur deux principaux points : les canaux dendritiques des NPs activés par la dépolarisation transitoire générée par l’activation de la FG et les mécanismes responsables de la génération des signaux dendritiques supra-linéaires associés à l’activité concomitante des FPs et de la FG. Les résultats reportés ici ont été obtenus en utilisant des méthodes optiques récemment développés.Nous avons caractérisé le comportement des canaux ioniques dendritiques qui sont activés par la dépolarisation dendritique générés par l’activation de la FG. Nous avons découvert que deux différents groupes de canaux ioniques sont sélectivement activés selon le potentiel membranaire initial. En effet, quand les dendrites sont hyperpolarisées, les CF-EPSPs activent principalement des canaux calciques voltage-dépendant (CCVDs) de type T, des canaux SK et des canaux potassiques voltage-dépendant (CPVDs) de type A. Ces derniers maintiennent le potentiel membranaire en dessous de ~0 mV. En revanche, quand les dendrites sont dépolarisées, les CCVDs de type T et les CPVDs de type A s’inactivent complètement et les CF-EPSPs activent des CCVDs de type P/Q, des CPVDs et des canaux BK. L’activation de cet ensemble de canaux déclenche des spikes calciques. Notamment, nous avons établi l’importance des CPVDs de type A dans le control du deuxième ensemble de canaux. En effet, ils limitent l’activation des CCVDs de type P/Q et les canaux potassiques associés empêchant le déclenchement des spikes calciques.Nous avons démontré que l’activation occurrente de la FG et des FPs induit deux différents types de signaux calciques supra-linéaires. L’induction de l’un ou de l’autre dépend du temps entre l’activation des deux inputs, qui est aussi un principal déterminant des mécanismes impliqués dans la génération des ces signaux calciques. Nous avons trouvé que quand les CF-EPSPs se produisent à de courts délais après la fin du burst des FPs, les signaux calciques supra-linéaires associés sont indépendant de l’activation des mGluR1 et sont générés par l’effet combiné de deux mécanismes : l’augmentation du flux calcique via les CCVD de type P/Q activés par la dépolarisation membranaire médiée par l’activation de FPs inactivant les CPVDs de type A; et la saturation transitoire des buffers calciques endogènes durant le burst des PF-EPSPs amplifiant les concentrations du Ca2+ libre. Quand les CF-EPSPs se produisent à de longs délais après la fin du burst des PF-EPSPs, les signaux calciques supra-linéaires associés dépendent de l’activation des mGluR1 et n’impliquent aucun des mécanismes précédents. Dans ce cas, nous avons démontré que les signaux calciques supra-linéaires sont corrélés avec l’augmentation du flux calcique via les conductances cationiques associées à l’activation des mGluR1.Les résultats reportés ici ont avancé notre compréhension sur la génération des signaux calciques supra-linéaires associés à l’activité concomitante des PFs et de la FGs ainsi les mécanismes qui y sont impliqués. Néanmoins, nous n’avons pas pu procurer une réponse définitive sur la nature du flux calcique médiant les signaux calciques supra-linéaires dépendant de l’activation des mGluR1s. / In the cerebellum, the interplay between PFs and CF inputs generates supralinear Ca2+ signals that provide the information on their concomitant occurrance. These phenomena trigger both short- and long-term depression at PF-PN synapses associated with motor learning and coordination, i.e. the primary functions of the cerebellum. While activation of PFs elicits local Ca2+ transients that are confined to activated spines, the activation of the CF generates a large depolarization that spreads passively into the dendrites. The CF-mediated transient dendritic depolarization, not localized, plays a fundamental role in dendritic integration and in regulating local PF signals and their plasticity at distal sites. The study carried out in my thesis addressed two crucial questions of this problem: the dendritic ion channels activated by the CF-mediated dendritic depolarization at different initial Vm and the mechanisms underlying dendritic supralinear Ca2+ signals associated with concomitant PF and CF activity. The results reported here were obtained using recent optical methods of Vm imaging and ultrafast Ca2+ imaging with low affinity Ca2+ and high affinity Ca2+ indicators combined with pharmacological analysis.During the first part of my work, I characterized the behavior of the dendritic Ca2+ and K+ channels activated by CF-EPSPs at different initial dendritic Vm, using optical measurements of Vm and Ca2+ transients. We found that two different sets of ion channels are selectively activated at different states. When the dendrite is hyperpolarized, CF-EPSPs mainly activate T-type voltage-gated Ca2+ channels (VGCCs), SK channels and A-type voltage-gated Ca2+ channels (VGKCs) that limit the transient Vm below ~0 mV. When in contrast the dendrite is depolarized, T-type VGCCs and A-type VGKCs are inactivated and CF-EPSPs activate P/Q-type VGCCs, high-voltage activated VGKCs and BK channels, initiating Ca2+ spikes. We demonstrated that A-type VGKCs play a crucial role in controlling the second set of channels. Indeed, these channels limit the activation of P/Q-type VGCCs and associated K+ channels, preventing Ca2+ spikes.During the second part of my work, we demonstrated that the concomitant activation of PF and CF triggers two different types of supralinear Ca2+ signals. The activation of one or the other path depends on the delay between the activation of the two inputs which is the crucial discriminator of the mechanisms involved in the generation of supralinear Ca2+ signals. We found that when CF-EPSPs occur near the end of a burst of PFs, the associated supralinear Ca2+ transients are independent of the activation of mGluR1 and are produced by a combined effect of two mechanisms: the increased Ca2+ influx through P/Q-type VGCCs enabled by PF-depolarization inactivating A-type VGKCs; and the transient saturation of endogenous Ca2+ buffers during the PF-EPSP burst amplifying free Ca2+ concentration. When CF-EPSPs occur at longer delays after the end of the PF burst, the associated supralinear Ca2+ transients are mGluR1-dependent and do not involve the mechanisms underlying the generation of mGluR1-independent supralinear Ca2+ transients. Instead, an entirely different mechanism is recruited. We found that, the supralinear Ca2+ transients were correlated with an increase in mGluR1-dependent Ca2+ influx via the slow mGluR1-activated cation conductance.The results reported here advance our understanding of the generation of supralinear Ca2+ transients associated with the concomitant PF and CF activity with respect to the potential molecular mechanisms that are involved. Nevertheless, we were not able to provide a definitive answer on the nature of the Ca2+ influx mediating mGluR1-depedent supralinear Ca2+ signals. This issue must be further explored in future experiments.

Les canaux TREK sont des canaux mécano- et thermosensibles appartenant à la famille des canaux potassiques de fond à deux domaines pore, qui jouent un rôle majeur dans l’excitabilité cellulaire. Notre équipe a précédemment montré que les canaux TREK-1 et TRAAK sont des senseurs moléculaires essentiels dans la perception polymodale de la douleur et qu’ils interviennent dans l’excitabilité des nocicepteurs, modulant ainsi le message douloureux.Dans la première partie de ma thèse, j’ai étudié l’implication du canal TREK-1 dans l’activité antalgique de la morphine. Nous avons mis en évidence un couplage fonctionnel entre les canaux TREK-1 et TREK-2 et les récepteurs opioïdes µ et δ. Nous avons également montré que le canal TREK-1 est impliqué dans les effets périphériques et centraux de la morphine. Ces travaux ont permis d’impliquer le canal TREK-1 comme un médiateur de l’analgésie induite par la morphine agissant en aval des récepteurs aux opioïdes. La seconde partie de ma thèse a porté sur l‘étude du rôle du canal TREK-2 dans la perception de la douleur. En étudiant l’impact des canaux TREK-2 sur l’activité des nocicepteurs, j’ai pu montrer que le canal TREK-2 module la perception thermique des nocicepteurs cutanés. Toutefois, l’activité de TREK-2 dans la thermo perception est complémentaire de celle déjà rapportée pour les canaux TREK car, contrairement à TREK-1 et TRAAK, TREK-2 intervient dans la perception de températures non nocives. En conclusion, ces travaux montrent que les canaux potassiques de fond TREK jouent un rôle essentiel dans la perception et la modulation du message douloureux et pourraient être des cibles intéressantes pour le traitement de la douleur. / TREK channels are mechano- and thermo-activated channels belonging to the two-pore domains potassium channels family, which play a major role in neuronal excitability and cell firing. Our group previously demonstrated that TREK-1 and TRAAK channels are essential molecular sensors in polymodal pain perception and that they are involved in the excitability of nociceptors, thus modulating the nociceptive message. In the first part of this work, I investigated the implication of TREK-1 channel in the analgesic action of morphine, one of the most used analgesic. We reveal a functional coupling between TREK-1 and TREK-2 channels and opioid receptors µ and δ. We also show that TREK-1 channel is involved in peripheral and central effects of morphine. This work demonstrate that TREK-1 channel, downstream of the µOR, is an important mediator of morphine induced analgesia. During the second part of my work, I investigated the role of TREK-2 channel in pain perception. I assessed the impact of this channel on nociceptors and we reveal that TREK-2 channel modulates thermal perception of cutaneous nociceptors. However, we show that TREK-2 activity in thermal perception complements the one already reported for TREK-1 and TRAAK channels. Whilst TREK-1 and TRAAK are involved in noxious temperatures perception, TREK-2 intervene in non-aversive temperatures detection. Taken together, these results show that background potassium channels TREK are major contributors to pain message perception and transmission and that they might be interesting targets for the treatment of pain.

La première partie de cette thèse présente une revue historique sur les méthodes d'enregistrements d'activité neuronale, suivie par une étude sur une nouvelle technique d'imagerie pour le poisson zèbre : la microscopie par nappe laser 2 photon. En combinant, les avantages de la microscopie 2 photon et l'imagerie par nappe de lumière, le microscope par nappe laser 2 photon garantie des enregistrements à haute vitesse avec un faible taux de lésions photoniques et permet d'éviter l'une des principales limitations du microscope à nappe laser 1 photon: la perturbation du système visuel. La deuxième partie de cette thèse traite de la navigation dirigée. Après une revue exhaustive sur la chemotaxis, la phototaxis et la thermotaxis, nous présentons des résultats qui révèlent les bases neuronales de la phototaxis chez le poisson zèbre. Grace à des expériences de comportement en réalité-virtuelle, des enregistrements d'activité neuronale, des méthodes optogénétiques et des approches théoriques, ce travail montre qu'une population auto-oscillante située dans le rhombencéphale appelée l'oscillateur du cerveau postérieur (HBO) fonctionne comme un pacemaker des saccades oculaires et contrôle l'orientation des mouvements de nage du poisson zèbre. Ce HBO répond à la lumière en fonction du contexte moteur, biaisant ainsi la trajectoire du poisson zèbre vers les zones les plus lumineuses de son environnement (phototaxis). La troisième partie propose une discussion sur les bases neuronales des saccades oculaires chez les vertébrés. Nous concluons ce manuscrit avec des résultats préliminaires suggérant que chez le poisson zèbre, le même HBO est impliqué dans les processus de thermotaxis. / The first part of this thesis presents an historical overview of neural recording techniques, followed by a study on the development of a new imaging method for zebrafish neural recording: two-photon light sheet microscopy. Combining the advantages of two-photon point scanning microscopy and light sheet techniques, the two-photon light sheet microscope warrants a high acquisition speed with low photodamage and allows to circumvent the main limitation of one-photon light sheet microscopy: the disturbance of the visual system. The second part of the thesis is focused on goal-directed navigation in zebrafish larvae. After an exhaustive review on chemotaxis, phototaxis and thermotaxis in various animal models, we report a study that reveals the neural computation underlying phototaxis in zebrafish. Combining virtual-reality behavioral assays, volumetric calcium recordings, optogenetic stimulation, and circuit modeling, this work shows that a self-oscillating hindbrain population called the hindbrain oscillator (HBO) acts as a pacemaker for ocular saccades, controls the orientation of successive swim-bouts during zebrafish larva navigation, and is responsive to light in a state-dependent manner such that its response to visual inputs varies with the motor context. This peculiar response to visual inputs biases the fish trajectory towards brighter regions (phototaxis). The third part provides a discussion on the neural basis of ocular saccades in vertebrates. We conclude with some recent preliminary results on heat perception in zebrafish suggesting that the same hindbrain circuit may be at play in thermotaxis as well.

En dépit de l'abondance de données scientifiques, les mécanismes cellulaires régulant la sécrétion du pic pré-ovulatoire de LH lors du proestrus, restent encore mal compris.Afin de pouvoir étudier les mécanismes sous-jacents à cette sécrétion, j’ai tout d’abord adapté des techniques innovantes d’imagerie fonctionnelle en microscopie de fluorescence in vivo, d’injections de vecteurs viraux dans l’hypophyse, d’optogénétique sur animal éveillé et d’immunohistofluorescence sur organe entier.J’ai ensuite montré la plasticité structurelle des cellules gonadotropes et des péricytes (cellules « murales » péri-vasculaires) lors du proestrus sur des hypophyses transparisées. Ce remodelage a permis de proposer l’existence d’une unité Gonadotrope-Vasculaire (GVU) composée des cellules gonadotropes, des capillaires fenêtrés et des péricytes dans laquelle ces derniers moduleraient le pic pré-ovulatoire de LH.La contraction des péricytes via l’activation de la Channelrhodopsine-2 a permis de mettre en évidence leur rôle dans la potentialisation de la sécrétion de LH chez des animaux libres de leurs mouvements et implantés d’une fibre optique.Des expériences de microscopie à l’aide d’une lentille GRIN implantée au-dessus de l’hypophyse ont permis, chez l’animal éveillé en configuration « tête-fixée », d’étudier le flux sanguin et l’activité calcique de cellules de la GVU exprimant GCaMP6. Cette étude a également été menée sur la face ventrale de l’hypophyse sur souris anesthésiée. Les résultats montrent une activité calcique in vivo augmentée dans les cellules endocrines hypophysaires et diminuée dans les péricytes lors d’une sécrétion de la LH induite par la GnRH. / In spite of abundance of scientific data, cellular mechanisms regulating the secretion of the pre-ovulatory LH surge during proestrus are still poorly understood.In order to study the mechanisms underlying this secretion, I adapted innovative tech-niques for in vivo fluorescence functional imaging, injection of viral vectors in the pitui-tary gland, optogenetics in awake animals and immunohistofluorescence in the whole organ.I then showed structural plasticity of gonadotroph cells and pericytes (perivascular "mural" cells) during proestrus in cleared hypophyses. This suggested the existence of a Gonadotroph-Vascular Unit (GVU) composed of gonadotroph cells, fenestrated capil-laries and pericytes, in which the latter would modulate the pre-ovulatory LH surge.Pericytes contraction via Channelrhodopsine-2 activation permitted to demonstrate their role in the sensitization of LH secretion in freely moving animals implanted with an optical fiber.Finally, blood flow and calcium activity in GVU cells expressing GCaMP6 were performed in awake « head-fixed » animals in which visualization of the pituitary gland was achievable through an implanted GRIN lens. These experiments were also conduct-ed at the ventral side of the pituitary gland in anesthetized mice. Analysis showed that in vivo calcium activity increases in endocrine cells and decreases in pericytes during GnRH-induced LH secretion.

L’exposition aux radiations laser infrarouge peut être utilisée afin de dépolariser des neurones et stimuler l’activité neuronale. Le mécanisme sous-jacent d’une telle stimulation est supposé résulter d’une interaction photothermique. En effet, l’absorption de la radiation infrarouge par le tissu biologique cible, et l’eau qu’il contient, induit une augmentation de température de manière localisée, qui soit influencerait directement les propriétés membranaires de la cellule soit agirait par le biais de l’activation de canaux ioniques thermo-sensibles. Dans la plupart des cas, l’activité électrique des neurones est mesurée électriquement à l’aide de microélectrodes, mais elle peut également être sondée par le biais de la microscopie de fluorescence faisant intervenir des indicateurs calciques. Dans ce travail, l’impact de l’exposition à la radiation infrarouge sur les signaux calciques de neurones a été étudié dans le but d’éclaircir et de préciser le mécanisme résultant de l’interaction photothermique. Des neurones HT22, issus d’hippocampe de souris, et des cellules U87, issues d’un glioblastome humain, ont été utilisés en tant qu’exemples de cellules électriquement excitables et non excitables respectivement. Afin de mesurer la température et les signaux calciques au niveau cellulaire, les fluorophores Rhodamine B et Fluo-4 ont été employés. Le montage, par conséquent tout optique, pour étudier l’influence de l’exposition infrarouge sur l’activité neurale est donc présenté, ainsi que la démarche scientifique menant à l’identification de l’implication de l’activité de la phospholipase C dans le mécanisme étudié. La possibilité de stimuler l’activité neurale in vivo, dans le cerveau d’une souris, avec une mesure simultanée des signaux calciques, est également démontrée à l’aide de souris transgéniques exprimant le GCaMP6S. / Infrared laser light radiation may be used to depolarize neurons and to stimulate neural activity. The underlying mechanism of such stimulation is believed to happen due to a photothermal interaction. The absorption of the infrared radiation by the targeted biological tissue inducing a local temperature increase which either directly influence membrane properties or act via temperature sensitive ion channels. Action potentials are typically measured electrically in neurons with microelectrodes, but they can also be observed using fluorescence microscopy techniques that use synthetic or genetically encoded calcium indicators. In this work, we studied the impact of infrared laser light on neuronal calcium signals to address the mechanism of these thermal effects. HT22 mouse hippocampal neurons and U87 human glioblastoma cells were used loaded with the fluorescent calcium dye Fluo-4 and with the temperature sensitive fluorophore Rhodamine B to measure calcium signals and temperature changes at the cellular level. Here we present our all-optical strategy for studying the influence of infrared laser light on neural activity, and the scientific approach leading to conclusion of the involvement of Phospholipase C activity during infrared neural stimulation. The ability of infrared exposure to trigger neural activity in mice brain in vivo is also investigated with the use of GCaMP6s transgenic mice.