S'il est de plus en plus évident que le sommeil joue un rôle crucial dans la consolidation de la mémoire, nous ne connaissons toujours pas le rôle exact joué par le sommeil lors de ce processus. L'objectif de ma thèse a été de mieux comprendre les interactions sommeil/mémoire. Pour cela, nous avons choisi d'étudier chez la drosophile l'effet de courtes privations de sommeil sur la consolidation de la mémoire aversive olfactive. Nous avons utilisé un protocole de conditionnement pavlovien qui permet aux drosophiles d'associer une odeur à des chocs électriques. En fonction du conditionnement qui est réalisé, deux types de mémoires consolidées peuvent être formées: la Mémoire Résistante à l'Anesthésie (MRA) et la Mémoire à Long Terme (MLT). Contrairement à la MRA, la MLT dont la formation est dépendante d'une néo synthèse protéique est couteuse en énergie. Les résultats obtenus démontrent que MRA et MLT sont toutes deux affectées par de courtes privation de sommeil, mais qu'elles deviennent insensibles à de telles privations si le test mnésique est réalisé en fin de journée. Ces résultats mettent à jour : i) une interaction fonctionnelle entre les étapes de consolidation et de rappel mnésiques, et ii) l'influence de facteurs circadiens sur la sensibilité de la mémoire aux privations de sommeil. De plus, mes résultats montrent qu'une privation de sommeil ayant lieu juste après le conditionnement exerce un effet bénéfique sur la consolidation de la mémoire. Ce travail met donc en évidence la corrélation complexe qui existe entre le rythme circadien, le sommeil, et les étapes de consolidation et de rappel des mémoires consolidées

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...

Le système constitué de la zone sous ventriculaire (ZSV) et du bulbe olfactif (BO) est l’une des deux régions cérébrales capables à l’âge adulte de produire de nouveaux neurones. La mise en évidence de cette neurogénèse adulte bulbaire a suscité un grand nombre d’interrogations quant à son rôle fonctionnel. Cependant les études réalisées dans ce domaine sont rares et contradictoires. L’objectif de cette thèse a été d’étudier l’impact de différentes expériences olfactives sur la neurogénèse afin de mieux comprendre son rôle fonctionnel. Nous avons choisi pour cela deux approches : d’une part l’étude de l’implication des néoneurones bulbaires lors de deux tâches d’apprentissage olfactif mettant en œuvre des odeurs neutres ; et d’autre part l’étude du rôle de ces néoneurones dans une situation de vie où l’olfaction joue un rôle primordial et où des variations de neurogénèse ont été rapportées: la maternité. Dans un premier temps, nous avons mis en évidence grâce à une stratégie d’anatomie fonctionnelle que les néoneurones de 5 semaines étaient recrutés lors d’un apprentissage de discrimination olfactive, mais pas lors de la restitution de cette information. Dans un deuxième temps, nous avons mis en évidence que la maternité améliorait les performances olfactives, et que cette amélioration était abolie par un stress gestationnel. Cependant, nous n’avons pas pu mettre en relation ces modifications de performances olfactives liées à la maternité et au stress avec des variations de neurogénèse. Nos travaux supportent l’hypothèse selon laquelle les néoneurones bulbaires sont impliqués dans la discrimination olfactive et mettent en évidence pour la première fois un impact de la maternité, qu’elle soit normale ou pathologique, sur les performances olfactives des mères. / In the mammalian brain, the subventricular zone (ZSV) and olfactory bulb (BO) system is a region where new neurons are continuously added throughout adulthood. While the functional consequences of continuous hippocampal neurogenesis have been extensively studied, the role of olfactory adult-born neurons remains more elusive. In particular, the involvement of these newborn neurons in odor discrimination and long-term odor memory is still a matter of debate. To address this question, we used two approaches. In the first one, we studied the recruitment of granular olfactory newborn neurons in two different tasks of olfactory learning with neutral odors. In the second one we studied the role of olfactory newborn neurons in a life situation where olfaction is crucial and where an increase in olfactory neurogenesis was reported, i.e. motherhood. In the first study, we found that odor discrimination learning recruited newborn neurons preferentially over preexisting ones, while odor memory restitution did not specifically activate newborn cells. Results of our second study indicate that motherhood improves olfactory memory and that this enhancement is abolished by a gestational stress. However, in our experimental conditions, we could not relate variations in neurogenesis with the modifications of olfactory performances linked to motherhood or stress. In conclusion our work brings new data in support of a functional role for newborn neurons in olfactory discrimination and shows for the first time an impact of motherhood, whether normal or pathological, on the olfactory performances of mothers.

Au cours de ma thèse j’ai étudié les néprilysines (Nep), des protéinases connues pour dégrader de petits neuropeptides, en particulier les peptides amyloïdes (Aβ). Lors de la maladie d’Alzheimer, les peptides Aβ s’agrègent pour former des plaques toxiques. Il a été montré que l’expression des Nep module l’effet toxique d’Aβ sur la mémoire chez les modèles murins. Néanmoins, le rôle des Nep dans la mémoire dans des conditions physiologiques reste à ce jour inconnu.La drosophile exprime 4 Nep dans le système nerveux central adulte. Nous avons analysé leur rôle dans la mémoire olfactive. Les 4 Nep sont requises pour 2 phases spécifiques de mémoire: à moyen terme (MTM) et à long terme (LTM). De plus, nous avons identifié les neurones dans lesquels elles sont requises : les Mushroom Bodies (MB) ainsi qu’une paire de neurones afférents, les Dorsal Paired Medial neurons (DPM). Nous avons ensuite cherché à savoir si Aβ était l’une des cibles des Nep. Nous avons montré que l’expression d’Aβ dans les DPM n’altère la MTM que lorsque l’expression de Nep1 est inhibée. De plus, le défaut de LTM de drosophiles exprimant Aβ dans les DPM est sauvé par la surexpression de Nep1. En conclusion, nos résultats suggèrent qu’Aβ est dégradé par Nep1 au cours des processus de mémorisation, et qu’Aβ est une cible de Nep1 en conditions non pathologiques.Enfin, nous nous sommes intéressés au neuropeptide amnesiac, décrit comme étant requis pour la mémoire dans les DPM. Nos travaux démontrent qu’amnesiac est en fait requis dans les DPM pour leur développement, et chez l’adulte dans les MB pour activer l’adénylate cyclase responsable de la détection de coïncidence permettant la formation de la MTM. / During my PhD, I studied neprilysins, proteinases known to degrade small neuropeptides, in particular mammalian amyloid-β peptides (Aβ). During Alzheimer’s disease, Aβ peptides aggregate to form toxic plaques. It has been shown that neprilysins expression modulates toxic effects of Aβ on memory in murine models of the disease. However, the role of neprilysins in memory under physiological conditions is still unknown. Drosophila expresses 4 neprilysins in the adult central nervous system. First we have analyzed their role in olfactive memory. We have shown that all of them are required for 2 specific memory phases: Middle-Term Memory (MTM) and Long-Term Memory (LTM). We also have identified the neurons in which they are required: the Mushroom Bodies (MB) and a pair of afferent neurons, the Dorsal Paired Medial (DPM) neurons. Then we investigated whether Aβ peptides could be one of the neprilysins’ targets. We have shown that Aβ expression in DPM neurons alters MTM only when Nep1 expression is inhibited. Furthermore, the LTM deficit of flies expressing Aβ in DPM neurons is rescued by Nep1 overexpression. To conclude, our results suggest that Nep1 degrades endogenous Aβ peptides during memory processes, and that Aβ is a physiological target for Nep1 under non-pathological condition.Finally, we became interested in the amnesiac neuropeptide, described as being required for memory in DPM neurons. Our work shows that amnesiac is actually required in DPM neurons for their development, and in the MB of adult flies in order to activate the adenylate cyclase responsible for coincidence detection leading to MTM formation.

Le bulbe olfactif est le siège d’une neurogenèse adulte permanente. Le nombre de nouveaux neurones issus de cette neurogenèse adulte est modulé par l’apprentissage, ce qui suggère un rôle des néoneurones dans la mémoire olfactive. Au cours de ce travail, nous avons montré que l’apprentissage olfactif associatif recrute des nouveaux neurones granulaires dans des régions de la couche granulaire du bulbe olfactif spécifiques à l’odeur apprise. Nous avons également mis en évidence un lien entre la force de l’apprentissage olfactif, sa rétention et la modulation de la neurogenèse qui en résulte. En bloquant la neurogenèse bulbaire à l’aide d’un agent antimitotique nous avons montré que les nouveaux interneurones ne sont pas indispensables à l’acquisition d’une tâche olfactive associative, mais le sont pour sa rétention à long terme. Puis, en utilisant une approche comportementale, nous avons aboli l’association olfactive acquise lors d’un apprentissage et nous avons observé que les nouveaux neurones initialement sauvés dans le bulbe olfactif par cet apprentissage disparaissaient prématurément, confirmant ainsi leur rôle dans le support de la mémoire olfactive. Enfin, nous avons montré que suite à un apprentissage olfactif, une régulation locale de la mort cellulaire est mise en jeu qui pourrait être à l’origine de la sélection des néoneurones dans les régions traitant l’odeur apprise. Dans l’ensemble nos données indiquent un rôle crucial des neurones formés à l’âge adulte dans le bulbe olfactif dans la mémoire olfactive / Adult-born neurons are added to the mammalian olfactory bulb, and their number is modulated by learning suggesting that they could play a role in olfactory memory. In this work, we demonstrate that retrieval of an associative olfactory task recruits newborn neurons in odor-specific areas of the olfactory bulb and in a manner that depends on the strength of learning. By blocking neurogenesis during this olfactory task, we then demonstrate that acquisition is not dependent on neurogenesis while long-term retention of the task is abolished by neurogenesis blockade. In a second part, using an ecological approach, we show that behaviorally breaking a previously learned odor-reward association prematurely suppresses newborn neurons selected to survive during initial learning. Our results indicate that the newborn neurons saved by olfactory learning die when the odor looses its associative value, thus confirming that these newborn neurons support the memory trace. Finally, during and after learning, cell death and BrdU positive cells were mapped in the granule cell layer. We find that regions showing high BrdU-positive cell density exhibit the lowest rate of cell death indicating local regulation of cell death shaping the spatial distribution of newborn neurons in the granule cell layer of the olfactory bulb. Taken together, our findings reveal the crucial role of bulbar adult born neurons in olfactory memory

Le développement des senseurs protéiques et des outils optogénétiques au cours des dernières années a donné une place particulière à la microscopie pour l’étude des processus moléculaires in-vivo. L’équipe « Nano-optique et physiologie intégrée » développe des montages optiques originaux pour exploiter ces nouveaux outils chez le petit animal vivant en collaboration avec des neurobiologistes. Nous nous intéressons en particulier à l’organisation cellulaire et à l’activité des réseaux neuronaux impliqués dans la mémorisation associative olfactive de la drosophile. En amont, mon travail de thèse a été de mettre en place un microscope grand champ, basé sur le principe de la microscopie à HiLo, permettant l’acquisition rapide de sections optiques et la reconstruction tridimensionnelle de réseaux neuronaux. Après avoir prouvé la pertinence de l’approche choisie lorsqu’elle est associée aux outils génétiques permettant un marquage sélectif des neurones, le cœur de mon travail fut le développement d’un montage original permettant d’atteindre les objectifs de résolution spatiale et de vitesse. Son originalité se situe dans l’utilisation de la technologie des matrices de micro-miroirs (DLP) pour structurer l’illumination. Ce système de micro-miroirs pilotables peut moduler le faisceau d’une source LED haute puissance à haute cadence. Dans une seconde partie, j’ai caractérisé ce microscope et réalisé de premières expériences in-vivo avec les développements spécifiques nécessaires à ces expériences. En particulier, en utilisant un rapporteur protéique calcique fluorescent, GCamP3, j’ai montré que l’on pouvait suivre, dans des régions ciblées du cerveau, la réponse à des stimulations physiologiques à cadence vidéo. / In the last decades, optogenetic and protein reporter development have given a special place to optical microscopy for in-vivo investigation of biological molecular processes. Our team, “Nano-optics and integrated physiology”, develops optical set-ups to take advantage of these tools on small living animals, in collaboration with neurobiologists. We are particularly interested both in the cellular organization and neural activity involved in the olfactory memory formation in drosophila. Upstream to these investigations, my PhD research aimed at developing a new implementation for wide-field microscopy based on the HiLo concept. The new design took advantage of the micro-mirror array technology (DLP) to structure the illumination. This system can modulate the beam made by a high power LED illumination with high acquisition rates. I characterized this microscope and realized preliminary in-vivo experiments with specific developments made for physiological experiments under the microscope. Thus, I demonstrated both high spatial resolution imaging and a tenfold increase of speed with respect to confocal microscopy. I reached acquisition rates compatible with 3D monitoring of specific neural networks.