Les expériences qui jalonnent la vie favorisent la survenue de modifications cérébrales durables et pouvant impacter les fonctions cognitives, ainsi que le développement de troubles cérébraux. L'hippocampe est une structure cérébrale qui joue un rôle essentiel dans l'apprentissage et la mémoire. Dans la première étude, nous avons montré comment l'activité neuronale sous-tendant les processus de la mémoire influence fortement l'intégration des nouveaux neurones hippocampiques dans le cerveau adulte, suggérant une modulation durable de la fonction hippocampique. Dans la deuxième étude, nous avons montré que le séjour en milieu enrichi qui prévient les déficits mnésiques liés à l'âge et induit également des modifications épigénétiques dans le cerveau sain et modèle de la maladie d'Alzheimer. Ceci suggére que des règulations épigénétiques durables pourraient soutenir les effets promnésiques de l'enrichissement environnemental. Ainsi, cette thèse a mis en évidence dans l'hippocampe, l'existence de plasticité dépendante de l'activité dans le cerveau sain et modèle de la maladie d'Alzheimer. Cette plasticité pourrait être une cible pertinente dans le traitement de certaines conditions pathologiques. / Throughout life, environmental challenges promote long-lasting changes within the brain that can affect cognitive function, as well as the development of brain disorders. Within the brain, the hippocampus plays a key role in learning and memory processes. In the first study, we demonstrate how neuronal activity triggered by the learning and memory enhances the synaptic integration of adult-born hippocampal neurons that could support hippocampal function. In the second study, we show that enriched environment prevents age-related memory deficits and induces epigenetic modifications in both healthy and Alzheimer's disease conditions. This suggests that long-lasting epigenetic regulations may participate in sustaining the promnesic effects of environmental enrichment. Altogether, this thesis provides evidence of activity-dependent plasticity in the hippocampus in healthy and diseased brain, and suggests that stimulating such plasticity may contribute to improve pathological conditions.

Les processus compensatoires qui accompagnent les atteintes du système dopaminergique (DA-ergic) nigrostrié illustrent les capacités adaptatives du cerveau adulte. Cette neuroplasticité permet le maintien de la transmission dopaminergique pendant un certain temps de sorte que les symptômes moteurs cardinaux de la Maladie de Parkinson (MP), qui se caractérise par une dégénérescence progressive des neurones DA-ergiques de la substantia nigra (SN), ne se manifestent qu'après une perte neuronale très importante. De ce fait, le diagnostic présymptomatique est une question cruciale pour le développement de traitements neuroprotecteurs. Un autre exemple de neuroplasticité est illustré par la production de nouveaux neurones dans le cerveau adulte (neurogenèse adulte). Cette neurogenèse s’observe principalement dans deux zones: le continuum zone sous-ventriculaire (SVZ)-bulbe olfactif (OB) et le gyrus denté (DG) de l'hippocampe, et se trouve altérée chez les patients parkinsoniens. Ces dernières années, le traitement chirurgical par la stimulation à haute fréquence (SHF) du noyau sous-thalamique (NST) s'est avéré être une option thérapeutique très efficace pour ces patients. Dans ce contexte, mon travail de thèse a été axé sur l’étude de la neuroplasticité dans différents modèles de la maladie de Parkinson et de son traitement avec les objectifs principaux: 1) Développer un modèle de MP présymptomatique; 2) étudier les mécanismes compensatoires impliquant le système nigrostrié; 3) Déterminer les effets de la SHF-NST sur la neurogenèse adulte dans la SVZ-OB et le DG.Dans la première étude, nous avons développé des modèles expérimentaux de la MP à différents stades, basés sur l’administration de MPTP chez la souris. Nous avons montré que le passage du stade avancé présymptomatique au stade symptomatique précoce correspondant au seuil d’atteinte des systèmes DA-ergiques associé à l’apparition des déficits moteurs, se caractérise par : (a) une diminution de DA dans les terminaisons striatales épargnées par la lésion; (b) une augmentation de DA et d’expression de la tyrosine hydroxylase dans les cellules de la SN; (c) une augmentation du renouvellement de la DA dans le striatum et une augmentation moindre dans la SN.La deuxième étude est basée sur un modèle de lésion DA-ergique extensive par injection intranigrale de 6-hydroxydopamine chez le rat, imitant les stades tardifs de la MP. Nous avons étudié séparément les étapes de prolifération et de survie des nouvelles cellules sur des animaux non lésés et des animaux lésés avec ou sans SHF subchronique (8 jours) du NST. Nous avons pu montrer une régulation spécifique des étapes de prolifération et de survie suite à la lésion dopaminergique, et des effets stimulateurs de la SHF du NST sur la survie des cellules néoformées, suggérant un effet neuroprotecteur de ce traitement. / The compensatory processes that accompany a lesion of the nigrostriatal dopaminergic (DA-ergic) system serve to maintain its function and illustrate adult brain neuroplasticity. The typical motor symptoms of Parkinson’s diseases (PD), characterized by progressive degeneration of DA-ergic neurons of substantia nigra (SN), appear only after substantial neuronal loss. Therefore presymptomatic diagnosis is a crucial issue for future neuroprotective therapies. Another good manifestation of neuroplasticity is adult neurogenesis, known to persist in two areas: the subventricular zone (SVZ) – the olfactory bulb (OB) continuum, and the dentate gyrus (DG) of the hippocampus, and to be altered in PD. In recent years, the surgical treatment by high frequency stimulation (HFS) of the subthalamic nucleus (STN) has proven to be an efficient therapeutic option for PD patients. In this context, my PhD work was focused on neuroplasticity under the functional deficiency of the nigrostriatal DA-ergic system (parkinsonism) and its treatment with the following main objectives: 1 - Develop a model of presymptomatic parkinsonism; 2 - study compensatory mechanisms in nigrostriatal system; 3 - Characterize the effects of subchronic STN HFS on adult neurogenesis. In the first part, we have developed models of presymptomatic parkinsonism based on MPTP administration in mice, as defined by sub-threshold DA depletion and degeneration of DA-ergic axons in the striatum followed by a loss of DA-ergic cell bodies in the SN (advanced presymptomatic stage). In the early symptomatic stage, these parameters reach a threshold that is associated with the appearance of motor deficiency. We have shown that the transition from the advanced presymptomatic stage to the early symptomatic stage is characterized by: (a) a decrease of DA content in surviving DA-ergic axons in the striatum; (b) an increase of DA content and TH-expression in surviving neuronal cell bodies in the SN; (c) an increase of DA turnover in the striatum and much less increase in the SN. The last part of my work is based on extensive DA lesion in rats, using intranigral 6-hydroxydopamine injection mimicking late PD stages, to determine a possible effect of STN-HFS on adult neurogenesis. We have completed series of animals with DA lesion either sham implanted or subsequently treated for 8 days by STN-HFS to be compared with unlesioned rats, and studied selective phases of neurogenesis: proliferation and survival. This study demonstrates selective regulation of cell proliferation and survival following DA depletion and provides the first evidence that prolonged STN-HFS might have a neuroprotective action as shown by the selective increase in survival of newly formed cells following this treatment.

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière. / At the end of the 19th century, Dr. Ramón y Cajal, a scientific pioneer, discovered that the nervous system was composed of individual cellular elements, later called neurons. He also noticed the complexity of this system and mentioned the impossibility of new neurons to be integrated into the adult nervous system. One of his famous quotes: “In adult centers the nerve paths are something fixed, ended, immutable. Everything may die, nothing may be regenerated” is representative of the prevalent dogma at the time (Ramón y Cajal 1928). Key studies conducted in the 1960-1970s suggested a different point of view. It was demonstrated that new neurons could be born during adulthood, but this discovery created an omnipresent skepticism in the scientific community. It took 30 years for the concept of adult neurogenesis to become widely accepted. This discovery, along with more advanced techniques, opened doors to potential therapeutic avenues for neurodegenerative diseases. Adult neural stem cells (NSCs) reside mainly in two niches in the brain: the subventricular zone of the lateral ventricles and the dentate gyrus of the hippocampus. Under normal conditions, neurogenesis level is relatively high in the SVZ whereas some steps are rate-limiting in the hippocampus. In contrast, the spinal cord is rather defined as a quiescent environment. One of the main questions that arose from these discoveries is: how do you activate adult NSCs in order to increase neurogenesis levels? In the hippocampus, environmental enrichment (including cognitive stimulation, exercise and social interactions) has been shown to promote hippocampal neurogenesis. The plasticity potential of this region is important as it could play a crucial role in rescuing learning and memory deficits. In the spinal cord, studies conducted in vitro demonstrated that ependymal cells found around the central canal have self-renewal and multipotency capacities (neurons, astrocytes, oligodendrocytes). Interestingly, it turns out that in vivo, following a spinal cord lesion, ependymal cells become activated, can self-replicate, but can only give rise to glia cell fate (astrocytes and oligodendrocytes). This new post-injury function shows that plasticity can still occur in a quiescent environment and could be exploited to develop endogenous spinal cord repair strategies. v As mentioned above, NSCs play important roles in normal brain function and neural repair following injury. However, little information is known about how a quiescent NSC becomes activated in order to perform these functions. The general objective of this project was to investigate the mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system. My specific aims were to address this question using adult mice in two complementary models: 1) activation of hippocampal NSCs by environmental enrichment, and 2) activation of spinal cord NSCs by injury-induced neuroinflammation. Moreover, 3) to gain new insights into the molecular mechanisms of these models, we will perform transcriptomics studies to open new lines of investigation. The first project is expected to provide us with new insights into the basic cellular and molecular mechanisms through which environmental enrichment modulates adult brain plasticity. We first evaluated the contribution of individual environmental enrichment components to hippocampal neurogenesis (Chapter II). Voluntary exercise promotes neurogenesis, whereas a social context increases neuronal activation. We then determined the effect of these components on behavioural performances and transcriptome using an eight-arm radial maze to assess spatial memory, novel object recognition, and RNA-Seq, respectively (Chapter III). Runners show stronger spatial short-term memory recall, whereas mice exposed to social interactions had a better cognitive flexibility to abandon old memory. Surprisingly, RNA-Seq analysis indicated clear differences in the expression of modified transcripts between low runners and high runners, as well as for social interacting mice (within the complex environment). The second project consists of discovering how ependymal cells acquire NSC properties in vitro or multipotentiality following lesions in vivo. A RNA-Seq analysis revealed that the transforming growth factor-β1 (TGF-β1) acts as an upstream regulator of significant changes following spinal cord injury (Chapter IV). We therefore confirmed the presence of this cytokine after lesion and investigated its role on proliferation, differentiation, and survival of neurosphere-initiating cells from the spinal cord. Our results suggest that TGF-β1 regulates the acquisition and expression of stem cell properties of spinal cord-derived ependymal cells.