Les microfaisceaux (MBs) de rayons X générés par un synchrotron permettent de délivrer des doses de radiation très élevées, jusqu'à plusieurs centaines de gray (Gy), sans pour autant induire de dommages tissulaires irréversibles dans les zones avoisinant la lésion. La réactivité du réseau vasculaire à se régénérer grâce aux cellules endothéliales, est probablement un mécanisme clef dans la radio-tolérance des tissus sains, puisqu'il permet une recolonisation rapide des zones tissulaires lésées. Cette méthode permet ainsi de reproduire de façon non invasive une incision chirurgicale précise du cortex tout en préservant son architecture. Cette caractéristique présente un intérêt certain et permet d'envisager le développement de nouveaux modèles neurobiologiques expérimentaux ouvrant la voie à des traitements innovants pour de nombreux troubles cérébraux. Durant cette thèse, les microfaisceaux ont été utilisés sur la structure corticale et l'hippocampe de rats. Concernant le cortex, les MBs ont été appliqués au niveau du cortex sensori-moteur (taille 100 µm/600 µm, of 400 µm/1200 µm crête à crête, dose pics - vallèe de 360-240 Gy/150-100 Gy) chez des rats males Wistar sains ainsi que chez des rats développant des attaques cérébrales consécutivement à l'injection corticale d'Acide Kaïnique (KA). Suite aux traitements par MBs, les performances motrices étaient évaluées par le test du Rotarod et les structures corticales étudiées par immunohistochimie grâce au marquage par NeuN et GFAP des neurones et astrocytes matures. Aucun déficit neurologique n'a été observé chez les rats sains soumis au protocole de traitement par MBs et une diminution significative (normalement là il faut mettre des statistiques ou au moins les avoir sinon tu peux dire diminution importante) de la durée des crises de convulsions a pu être observée chez les rats KA. L'incidence des MBs (9 microfaisceaux de 75 μm de largeur séparés de 400 μm crête à crête, dose d'entrée: 1000 Gy) délivrés au niveau de l'hippocampe de rats Wistar sains a été comparée avec un traitement par rayons X de 10 Gy délivré uniformément. Le but de cette expérience était d'évaluer l'impact d'un traitement par microfaisceaux par rapport aux techniques d'irradiation conventionnelles. Pour cela, une évaluation quantitative (i) comparative a été faite sur la neurogénèse grâce à l'utilisation de marqueurs cellulaires (BrdU et Ki-67). Une étude (ii) a aussi été menée sur le long terme (1 an) pour mettre en évidence la corrélation entre la neurogénèse, les troubles de l'apprentissage et de la mémoire. Une préservation des cellules prolifératives a été observée au sein du groupe traité par MBs. Les transsections de l'hippocampe de rats par MBs n'induisent pas de troubles significatifs (là aussi, il faut avoir des stat ou alors utiliser troubles marquants) du comportement de plus, l'observation histologique et immunohistochimique des tissus a permis de mettre en évidence la conservation de sa structure.Le travail effectué au cours de cette thèse confirme que le traitement spécifique de zones radiosensibles du cerveau par les microfaisceaux est sûr et permet d'améliorer le pronostique des animaux traités par rapport aux techniques conventionnelles. Ainsi, le développement d'appareils permettant de délivrer des faisceaux de rayons submillimétriques capables de générer une destruction précise et limitée au niveau du cortex ou de l'hippocampe pourra permettre une prise en charge innovante plus sûre de nombreuses pathologies fonctionnelles cérébrales comme l'épilepsie ou certaines douleurs. / Synchrotron-generated X-ray microplanar beams (microbeams, MBs) are characterized by the ability to avoid widespread tissue damage following delivery of doses ranging from hundreds to over a thousand of Grays. The resistance of normal tissues to high doses of MBs is likely related to the fast repair of the microvessels and to the wide interface between normal and irradiated tissue, allowing fast recolonization of the microbeam ablated columns of tissue. The preservation of the cortical architecture following high-dose microbeam irradiation and the ability to induce non-invasively the equivalent of a surgical cut over the cortex is of great interest for the development of novel experimental models in neurobiology and new treatment avenues for a variety of brain disorders. In this Thesis microbeams transections were delivered to the rat cortex and hippocampus. MBs cortical transections were delivered to the sensory motor cortex (size 100 µm/600 µm, center-to-center distance of 400 µm/1200 µm, peak-valley doses of 360-240 Gy/150-100 Gy) of Wistar male healthy rats and rats developing seizures following cortical injections of Kainic Acid (KA)-. The motor performances following sensorimotor cortex transections was assessed by rotarod test. The effect of microbeam transections on cortical architecture was assessed by immunohistology with NeuN and GFAP, markers of mature neurons and astrocytes. No neurological deficit was observed in healthy animals undergoing sensorimotor cortex microbeam transections. Convulsive seizure duration was markedly reduced following transections in KA rats. MBs hippocampal transections (75 µm thickness, 400 c-t-c distance and 600 Gy as peak entrance dose) were performed in adult healthy Wistar rats. MBs transections were compared with an uniformly delivered X-ray dose (broad beam, BB) at 10 Gy. Our aims were to quantify (i) the impact of microbeams versus conventional irradiation on neurogenesis (using proliferative cells markers such as BrdU and Ki-67), and (ii) to investigate on a long term (1 year) the correlation between neurogenesis and impairments in learning and memory. Preservation of proliferative cells in the microbeam treated group were observed. Microbeam transections delivered to the hippocampus did not induce significant behavioral impairment histological and immunohistochemical findings showed a preserved hippocampal structure with evidence of higly precise transections diving the hippocampus in columns. This work confirms the safe delivery of high doses of radiation to specific and radiosensitive parts of the brain, if performed using microbeams Additionally, the development of clinical devices delivering submillimetric beams able to generate cortical or hippocampal transections might become a new powerful new tool for the clinical treatment of epilepsy, pain and other functional brain disorders.

Les microfaisceaux d’ions ont, au cours de ces dernières décennies, montré leur efficacité dansl’étude des effets des rayonnements ionisants sur le vivant notamment concernant les effets des faiblesdoses ou l’étude de l’effet de proximité. Le CENBG dispose depuis 2003 d’un dispositif permettant la micro-irradiation ciblée d’échantillons biologiques vivants. Les applications des microfaisceaux dans ce domainese sont récemment diversifiées et des études plus fines sur les mécanismes de réparation desdommages ADN radio-induits aux échelles cellulaire et multicellulaire sont devenues possibles via lesévolutions en imagerie par fluorescence et en biologie cellulaire. Ces approches ont nécessité une évolutionimportante de l'instrumentation de la ligne de micro-irradiation du CENBG qui a été entièrementredessinée et reconstruite dans un souci d’optimisation d’apport de nouvelles fonctionnalités. Les objectifsde mes travaux ont été i) la mise en service du dispositif, ii) la caractérisation des performances dusystème, iii) la mise en place de protocoles pour l’irradiation ciblée à dose contrôlée aux échelles cellulaireet multicellulaire, in vitro et in vivo, et le suivi en ligne des conséquences précoces de cette irradiation,iv) la modélisation des irradiations afin d’interpréter les observables biologiques au regard des donnéesphysiques calculées.Ces travaux ont permis i) de caractériser les performances du dispositif : une taille de faisceau d’environ2 μm sur cible et une précision de tir de ± 2 μm, de développer des systèmes de détection d’ions pour uncontrôle absolu de la dose délivrée, ii) d’induire des dommages ADN fortement localisés in vitro, et devisualiser en ligne le recrutement de protéines impliquées dans la réparation de ces dommages,iii) d’appliquer ces protocoles pour générer des dommages ADN in vivo au sein d’un organisme multicellulaireau stade embryonnaire, Caenorhabditis elegans.Ces résultats ouvrent la voie vers des expériences plus fines sur la ligne de micro-irradiation ciblée duCENBG pour étudier les effets de l’interaction des rayonnements ionisants avec le vivant, aux échellescellulaire et multicellulaire, in vitro et in vivo. / The main goal of radiobiology is to understand the effects of ionizing radiations on the living.These past decades, ion microbeams have shown to be important tools to study for example the effects oflow dose exposure, or the bystander effect. Since 2003, the CENBG has been equipped with a system toperform targeted micro-irradiation of living samples. Recently, microbeams applications on this subjecthave diversified and the study of DNA repair mechanisms at the cellular and multicellular scales, in vitroand in vivo, has become possible thanks to important evolutions of fluorescence imaging techniques andcellular biology. To take into account these new approaches, the CENBG micro-irradiation beamline hasbeen entirely redesigned and rebuilt to implement new features and to improve the existing ones. My PhDobjectives were i) commissioning the facility, ii) characterizing the system on track etch detectors, and onliving samples, iii) implementing protocols to perform targeted irradiations of living samples with a controlleddelivered dose, at the cellular and multicellular scales, and to visualize the early consequencesonline, iv) modelling these irradiations to explain the biological results using the calculated physical data.The work of these past years has allowed us i) to measure the performances of our system: a beam spotsize of about 2 μm and a targeting accuracy of ± 2 μm, and to develop ion detection systems for an absolutedelivered dose control, ii) to create highly localized radiation-induced DNA damages and to see onlinethe recruitment of DNA repair proteins, iii) to apply these protocols to generate radiation-induced DNAdamages in vivo inside a multicellular organism at the embryonic stage: Caenorhabditis elegans.These results have opened up many perspectives on the study of the interaction between ionizing radiationsand the living, at the cellular and multicellular scales, in vitro and in vivo.