Au cours du développement cérébral des vertébrés, le processus permettant à des neurones nouveaux-nés de s'incorporer dans des réseaux déjà établis est mal compris. En effet, la majorité des études ayant été réalisées à l'échelle de la cellule, une description détaillée de la dynamique des circuits au cours de ce phénomène est manquante. Pour l'étudier, j'ai développé une méthode innovante utilisant la larve de poisson zèbre comme modèle expérimental et une approche pluridisciplinaire combinant la génétique, la microscopie bi-photonique et l'optogénétique pour suivre le développement de l'activité de neurones nouveaux-nés et des réseaux matures voisins dans un vertébré intacte et non-anesthésié. En utilisant cette technique j'ai décrit pour la première fois, pendant plusieurs jours consécutifs, le développement des propriétés fonctionnelles de neurones nouveaux nés avant et pendant leur incorporation dans les circuits du toit optique, la structure cérébrale la plus complexe du poisson zèbre permettant l'intégration l'information visuelle. Les résultats obtenus suggèrent une séquence de développement durant laquelle les neurones morphologiquement immatures spontanément actifs se connectent en premier à la rétine. Dans un second temps, ces neurones s'incorporant graduellement au circuit mature en montrant des corrélations avec des neurones matures éparses. Troisièmement, l'organisation spatiale des corrélations entre les neurones nouveaux-nés est raffinée et devient plus dense. Ces résultats suggèrent que les neurones nouveaux-nés se connectent dans un premier temps a une population éparse de neurones matures avant que les connections a longue distance disparaissent permettant aux neurones en développement d'obtenir une signature fonctionnelle robuste (ex. réponses restreintes spatialement). Récemment, des traitements basés sur la transplantation des tissues neuronaux ont été développées pour certaines maladies neuro-dégénératives (ex. maladie de Parkinson). Cependant ces thérapies sont actuellement limitées par le faible taux de survie et l'incorporation des neurones injectés. Ces travaux apportent une meilleure compréhension des mécanismes à l’œuvre lors de la formation de circuits neuronaux et pourront peut-être permettre d'améliorer l'efficacité des traitements utilisant des cellules souches pour réparer le cerveau humain. / In the vertebrate brain, mechanisms leading to the incorporation of newborn neurons into already functional networks still remain poorly understood. Indeed, since most of the studies have been performed at the single-cell level, a detailed description of the circuit dynamics is lacking. To investigate this phenomenon, I have developed a pioneer methodology using the zebrafish larva as an experimental model and a multidisciplinary approach combining genetics, two-photon microscopy and optogenetics to monitor the developing activity of genetically targeted newborn neurons and the surrounding matured networks, in an intact and non-anesthetized vertebrate. Using this technique I have described for the first time, and in the time course of several days, the developmental dynamics of the functional properties of newborn neurons before and during their incorporation into the mature tectal circuit, the zebrafish most complex layered structure and highest visual center. Overall, these results suggest a developmental sequence of events during which newborn neurons capable of generating intrinsic activity dynamics first connect to their pre-synaptic sensory organ (the retina). At a second stage, the newborn neurons gradually incorporate into the tectal mature circuit showing sparse correlations with mature neurons. At a third stage, the spatial organization of the correlation between the newborn and the mature neurons is refined, becoming denser. I thus suggest that the newborn neurons first connect to a large population of sparsely located mature neurons and subsequently distant connections are pruned, permitting the newborn-labeled neuron to acquire a stable and robust functional signature (e.g. sharp receptive fields). In the recent years, treatments based on the transplantation of neural tissue have been developed to target neurodegenerative diseases such as Parkinson's disease. Because these therapies face the problem of poor survival and long-term functional incorporation, this study may provide better understanding of neuronal circuits formation and might pave the way to improve the efficiency of stem-cells-based treatments for human-brain reparation.

Les changements des connections neuronales interviendraient dans la formation de la mémoire. J’ai développé de nouvelles approches basées sur l’imagerie photonique pour étudier (i) les interactions entre les microglies et les épines dendritiques, et (ii) le renouvellement des épines dans l’hippocampe in vivo. Ces deux phénomènes contribueraient au remodelage des circuits synaptiques intervenant dans la mémoire. (i) Les microglies sont impliquées dans de nouvelles fonctions en condition saine. J’ai examiné l’effet de la plasticité synaptique sur la dynamique morphologique des microglies, et sur leur interaction avec les épines. En combinant l’électrophysiologie et l’imagerie bi-photonique dans des tranches aigües de souris transgéniques, je démontre que la microglie intensifie son interaction physique avec les épines. Ainsi pour continuer l’étude de ces interactions et leur impact fonctionnel plus précisément, j’ai optimisé l’imagerie STED dans des tranches aigües. (ii) La plasticité structurale des épines est cruciale pour la mémoire, mais les connaissances à ce sujet dans l’hippocampe in vivo restent limitées. J’ai donc établi une technique d’imagerie chronique STED in vivo pour visualiser les épines dans l’hippocampe. Cette approche a révélé une densité double de celle reportée précédemment à l’aide de la microscopie bi-photonique. De plus j’ai observé un renouvellement des épines de 40% en 5 jours, représentant un taux important de remodelage synaptique dans l’hippocampe. Les approches d’imagerie super-résolutive permettent l’étude des interactions microglie-épine, et du renouvellement des épines hippocampiques avec une résolution inédite chez la souris vivante. / Activity-dependent changes in neuronal connectivity are thought to underlie learning and memory. I developed and applied novel high-resolution imaging-based approaches to study (i) microglia-spine interactions and (ii) the turnover of dendritic spines in the mouse hippocampus, which are both thought to contribute to the remodeling of synaptic circuits underlying memory formation. (i) Microglia have been implicated in a variety of novel tasks beyond their classic immune defensive roles. I examined the effect of synaptic plasticity on microglial morphological dynamics and interactions with spines, using a combination of electrophysiology and two-photon microscopy in acute brain slices. I demonstrated that microglia intensify their physical interactions with spines after the induction of hippocampal synaptic plasticity. To study these interactions and their functional impact in greater detail, I optimized and applied time-lapse STED imaging in acute brain slices. (ii) Spine structural plasticity is thought to underpin memory formation. Yet, we know very little about it in the hippocampus in vivo, which is the archetypical memory center of the mammalian brain. I established chronic in vivo STED imaging of hippocampal spines in the living mouse using a modified cranial window technique. The super-resolution approach revealed a spine density that was two times higher than reported in the two-photon literature, and a spine turnover of 40% over 5 days, indicating a high level of structural remodeling of hippocampal synaptic circuits. The developed super-resolution imaging approaches enable the examination of microglia-synapse interactions and dendritic spines with unprecedented resolution in the living brain (tissue).