In addition to the canonical photoreceptors, rods and cones, a novelmelanopsin-expressing retinal ganglion cell (mRGC) was recently discovered.The novel photopigment melanopsin in the human retinahas been shown to express invertebrate-like bistable properties bothin vitro and in vivo. In bistable photopigment systems, light elicitsphotosensory responses and drives photoregeneration of the chromophoreto restore photic responsiveness. These studies have shownthat prior light exposure can modulate the amplitude of subsequentphotic responses of melanopsin.In this thesis, the putative bistability of melanopin in humans isexamined. The bistability was studied using 1) pupillary light reflex(PLR) as a tool, 2) developing a method for quantifying the effectsof lens density for melanopsin-mediated photoreception, and 3) providinga quantitative mathematical framework for modeling bistablepigment systems and non-image forming (NIF) visual system.Exploiting the bistable properties of melanopsin could allow foroptimization of spectral light distribution in experimental, industrial,domestic and clinical phototherapy applications by appropriate useof the photoregenerative effects of long wavelength light.

En plus des photorécepteurs canoniques traditionnels (bâtonnets etcônes), des cellules ganglionnaires contenant le photopigment mélanopsineont récemment été découverts. Une étude récente de notrelaboratoire a suggéré que, dans la rétine humaine, ce nouveau photopigmentexprime des propriétés bistables similaires à celles notéeschez les invertébrés tant in vitro qu’in vivo. Dans les systèmes dephotopigments bistables, la lumière déclenche une réponse photosensoriellemais permet aussi la régénération du chromophore pourrétablir la réactivité lumineuse du photopigment. Cette dernière étudea montré qu’une exposition lumineuse antérieure peut moduler l’amplitudedes réponses lumineuses de la mélanopsine.L’objectif de ma thèse est d’étudier (1) la bistabilité présumée de lamélanopsine chez l’Homme en utilisant comme outil le réflexe photomoteurpupillaire. Ma thèse comporte aussi 2) le développementd’une technique d’évaluation quantitative des effets du brunissementdu cristallin oculaire sur la photoréception impliquant la mélanopsine;3) le développement d’un modèle mathématique portant sur lefonctionnement des photopigments bistables et du système photiquenon visuel.L’exploitation des propriétés bistables de la mélanopsine et l’utilisationappropriée des effets photorégénérateurs des longueurs d’ondeslumineuses longues pourraient servir dans l’optimisation de la compositionspectrale des applications photothérapeutiques (expérimentales,industrielles, domestiques et cliniques). / In addition to the canonical photoreceptors, rods and cones, a novelmelanopsin-expressing retinal ganglion cell (mRGC) was recently discovered.The novel photopigment melanopsin in the human retinahas been shown to express invertebrate-like bistable properties bothin vitro and in vivo. In bistable photopigment systems, light elicitsphotosensory responses and drives photoregeneration of the chromophoreto restore photic responsiveness. These studies have shownthat prior light exposure can modulate the amplitude of subsequentphotic responses of melanopsin.In this thesis, the putative bistability of melanopin in humans isexamined. The bistability was studied using 1) pupillary light reflex(PLR) as a tool, 2) developing a method for quantifying the effectsof lens density for melanopsin-mediated photoreception, and 3) providinga quantitative mathematical framework for modeling bistablepigment systems and non-image forming (NIF) visual system.Exploiting the bistable properties of melanopsin could allow foroptimization of spectral light distribution in experimental, industrial,domestic and clinical phototherapy applications by appropriate useof the photoregenerative effects of long wavelength light. / Perinteisten fotoreseptorien, sauvasolujen ja tappisolujen, lisäksi verkkokalvoltaon löydetty melanopsiinia sisältäviä gangliosoluja. Fotopigmenttimelanopsiinin on huomattu käyttäytyvän ihmisen verkkokalvollaselkärangattomien eläimien bistabiilin näköjärjestelmän tavoinsekä in vivo- ja in vitro- olosuhteissa. Bistabiileissa fotopigmenttijärjestelmissävalo aiheuttaa sensoristen vasteiden lisäksi kromoforin fogeneraationvastevalmiisen tilaan. Nämä aiemmat tutki-mukset ovatosoittaneet, että aiempi valoaltistus voi moduloida siitä seuraaviamelanopsiinivasteita.Tässä väitöskirjassa melanopsiinin oletettua bistabiiliutta tutkittiinkäyttäen 1) Pupillireaktiota työkaluna, 2) kehittämällä kvantitaviinenmenetelmä mykiöntiheyden vaikutuksiin melanopsiini-fotoreseptiossa,ja 3) kehittäen kvantitatiivisen matemaattisen kehyksen bistabiilien pigmenttijärjestelmien ja ei-visuaalisen näköjärjestelmän mallintamiseen.Melanopsiinin bistabiileita ominaisuuksia on mahdollista optimoidavalon spektrikoostumusta niin tieteellisissä, teollisissa, kotitalouksellisissaja kliinisissä valoterapia sovelluksissa hyväksikäyttämälläpunaisen aallonpituusalueen fotoregeneroivia vaikutuksia.

Chez les mammifères dont l’Homme, les rythmes circadiens physiologiques et comportementaux sont régulés par l’horloge centrale, localisée dans les noyaux suprachiasmatiques de l’hypothalamus. Possédant une période endogène proche mais pas exactement de 24 heures, cette horloge est constamment synchronisée à la période terrestre par le cycle lumière-obscurité perçu au niveau de l’oeil. Cette synchronisation entraîne l’expression de rythmes appropriés (hormonaux, veille-sommeil, température corporelle, etc.). Les hypothèses de ma thèse sont : 1- une exposition chronique à un spectre lumineux appauvri en longueurs d’ondes courtes, causée par l’opacification du cristallin chez le sujet âgé ou par l’exposition chronique à des lumières artificielles blanches, est à l’origine d’une altération de la réponse du système circadien à la lumière ; 2- une exposition chronique à un spectre lumineux enrichi en longueurs d’ondes courtes chez le sujet jeune, améliore la synchronisation du système circadien, la vigilance, les performances cognitives et la qualité du sommeil. L’objectif de ma thèse est d‘évaluer ces hypothèses selon deux approches : 1. Une approche physiologique : chez le sujet âgé sain, le brunissement physiologique du cristallin oculaire conduit à une filtration des longueurs d’ondes courtes du spectre lumineux. Cette approche inclus la mise au point et la validation d’un système de mesure de transmittance du cristallin in vivo. Ce système est nécessaire pour quantifier la qualité spectrale de la lumière atteignant la rétine. 2. Une approche artificielle : chez des sujets jeunes exposés de manière chronique (63 jours) à des lumières ambiantes blanches ou enrichies en longueurs d’ondes courtes / Physiological and behavioral circadian rhythms in mammals and humans are under the control of a central clock located in the suprachiasmatic nuclei of the hypothalamus. This endogenous clock has a period close to but not exactly 24 hours and therefore needs to be constantly entrained to the 24-h period of the earth, by the light-dark cycle. Light is perceived through the eyes and implicates all the retina’s photoreceptors (rods, cones, melanopsin ganglion cells (ipRGCs)). A properly entrained circadian system leads to an appropriate rhythmic expression of many physiological functions (hormonal secretion, sleep/wake cycles, core body temperature …). My project’s hypotheses are: 1- a chronic exposure to blue deprived light, as occurring in the aged due to lens filtration or under standard indoor lighting, leads to a decreased nonvisual sensitivity to light.; 2- exposure to blue enriched white light in the young subjects enhances non-visual responses to light such as, entrainment of the circadian system, vigilance, mood, sleep quality and cognitive performance. The aim of my thesis is to evaluate these hypotheses using two approaches : 1. A physiological approach: In the aged subject, in whom the ocular crystalline lens specifically filters short wavelength lights, known to be crucial for circadian entrainment. This approach includes the development and clinical validation of a scotopic heterochromatic flicker photometry technique to assess lens transmittance in vivo. This technique is essential to evaluate individual light spectra reaching the retina. 2. An artificial approach: In young subjects chronically exposed (63 days in the Concordia base, Antarctica) solely to standard white or blue enriched white light