Comprendre les mécanismes mis en place au sein du système nerveux pour générer des répertoires locomoteurs complexes reste l'un des grands défis des neurosciences systémiques. Le travail présenté dans ce manuscrit vise à comprendre comment les neurones de la moelle épinière contribuent à la production et à la modulation de l'activité locomotrice. Pour répondre à ce problème, nous utilisons le poisson-zèbre comme organisme modèle et avons développé de nouvelles approches génétiques et optiques afin de disséquer l'architecture du circuit formé par une classe de neurones sensoriels de la moelle et qui est conservée chez tous les vertébrés. Ces neurones sont appelés les neurones au contact du liquide céphalo-rachidien (Nc-LCR) et nous proposons de sonder leur(s) fonction(s) in vivo. Ces neurones sensoriels forment une interface unique entre le liquide céphalo-rachidien et le réseau de neurones impliqué dans le contrôle du mouvement dans la moelle épinière. Cependant, leur diagramme de connectivité demeure complètement inconnu. Afin de comprendre comment ces " Nc-LCR ou CSF-cNs " modulent la locomotion chez les vertébrés, nous avons développé un projet combinant des approches génétiques, électrophysiologiques, d'imagerie, et d'analyse du comportement, afin de cartographier le circuit qu'elles forment avec les neurones de la moelle épinière. Nos résultats montrent que les CSF-cNs projettent sur de nombreux éléments du centre générateur de rythme de la moelle. Notre approche révèle également la capacité des CSF-cNs à moduler la locomotion selon l'état dans lequel se trouve l'animal, une propriété caractéristique des circuits proprioceptifs dans la moelle épinière. / Understanding how the central nervous system generates motor sequences, coordinates limbs and body orientation in an ever-changing environment, while adapting to sensory cues remains a central question in the field of systems neuroscience. The work presented here aims to understand how local sensory neurons in the spinal cord contribute to the production and/ or the modulation of locomotor activity. We focused our work on a conserved class of spinal sensory neurons termed cerebrospinal fluid contacting neurons (CSF-cNs). These neurons lie at the interface between the CSF and spinal interneurons controlling motor output and represent an interesting yet poorly understood sensorimotor loop in the vertebrate spinal cord. However, the connectivity of CSF-cNs remains completely uncharacterized. To understand how CSF-cNs modulate locomotion in vertebrates, we combined genetics, imaging, optogenetics, electrophysiology, and behavior analysis to map the functional connectivity of these sensory neurons and test their function in the zebrafish larva. Our results demonstrate that CSF-cNs target several elements thought to be part of the locomotor central pattern generator in zebrafish, including glutamatergic spinal neurons involved in slow and fast swimming. We show that CSF-cNs can modulate the duration and occurrence of spontaneous locomotor events in a state dependent manner and tune the frequency of evoked fast escape responses. Altogether our work dissecting sensorimotor integration in the spinal cord bridged single cell function in vivo to behavior in zebrafish and should contribute to a better understanding of the role of sensory feedback during locomotion in vertebrates.

Différentes études précédentes ont démontré que IL-1β et PKA peuvent réduire la transmission synaptique inhibitrice dans la LAMINA II de la moelle épinière, en contribuent de cette manière au développement de douleur chronique de tipe inflammatoire. Au niveau des sites post-synaptiques, les changements dans la transmission synaptique (par exemple suivant le relâchement de IL-1β ou après l’activation de PKA), reflètent donc des changements dans les propriétés et/ou dans le nombre des molécules présentes au niveau de la synapse. Au cours de mon doctorat, j’ai pu profiter des techniques basés sur l’imagerie des molécules uniques afin d’étudier les effets de PKA et IL-1β sur la dynamiques et le nombre absolu de GlyR dans les synapses de la moelle épinière. Mes résultats ont montré que PKA et Il-1β peuvent déplacer les GlyR des sites inhibitoires post-synaptiques ciblent différentes sous-unités α du récepteur de la glycine. Comme les sous-unités GlyRα ne se lient pas directement à la géphyrine, ces effets sont vraisemblablement le résultat d’un changement de conformation du GlyR dépendant de la sous-unité. Pendant mon projet, j’ai utilisé la technique de microscopie de super-résolution PALM pour développer une méthode pour déterminer la stœchiométrie des GlyR et le nombre absolu de récepteurs et des molécules d’échafaudage au niveau des synapse de la moelle épinière. Mes résultats décrivent que les GlyR se composent de 3 sous-unités α et de 2 sous-unités β, et proposent qu’une synapse de la moelle épinière contient en moyenne 80 GlyR et 250 molécules de géphyrine. Ces résultats sont essentiels pour mettre en relation l’ampleur des mécanismes de régulation et de plasticité agissant sur la transmission synaptique, avec les changements en nombre de molécules présentes dans les synapses de la moelle épinière. Sur la base de mes découvertes on pourra maintenant étudier les mécanismes structuraux impliqués dans la régulation de la fonction et la dynamique des GlyR dépendantes des sous-unités α que j’ai démontré. / IL-1β and PKA impair glycine receptor-mediated synaptic transmission in the lamina II of the spinal cord, contributing to the development of inflammatory types of chronic pain. At post-synaptic sites, the strength of synaptic transmission depends on the biophysical properties and on the absolute number of receptors expressed. Consequently, changes in synaptic transmission (i.e. following the release of IL-1β or the activation of PKA), reflect changes in the properties and/or number of molecules present at the synapse. During my PhD I have taken advantage of single-molecule based imaging techniques to study the effects of IL-1β and PKA on the dynamics and absolute numbers of GlyRs at spinal cord synapses.My results show for the first time that both Il-1β and PKA displace GlyRs from inhibitory post-synaptic sites, targeting different α-subunit of GlyRs. Specifically, IL-1β reduces GlyR α-containing receptors at spinal cord synapse, whereas PKA affects GlyR α3L subunit. Given that the GlyR α subunits do not bind to the gephyrin scaffold, these effects likely reflect an α-subunit dependent change in GlyR conformation that decreases the affinity of the GlyR subunits for gephryrin. Glycine receptors are composed of α- and β- subunits that assemble into heteropentameric complexes with an unclear stoichiometry. Using super resolution PALM microscopy I have developed a single-molecule counting approach to determine the stoichiometry of GlyRs and the absolute number of receptor and scaffold molecules at spinal cord synapses. According to my results GlyRs is composed by 3 α and 2 β-subunits, and an average spinal cord synapse contains around 80 GlyRs and 250 scaffold molecules. These data are fundamental to relate the magnitude of regulatory and plasticity mechanisms acting on glycinergic transmission, with quantitative changes in molecule numbers at spinal cord synapses. My research has shown how absolute quantitative approaches can help achieve a more detailed insight into the organization of complex molecular assemblies and their dynamic regulation.

Certaines observations suggèrent que les afférences méchano-sensorielles peuvent moduler l’activité des générateurs centraux du rythme locomoteur (ou Central Pattern Generators, CPGs). Cependant, il est impossible d’explorer les circuits neuronaux sous-jacents chez l’animal en mouvement à l’aide d’enregistrements électrophysiologiques lors d’expériences de locomotion dite « fictive ». Dans cette étude, nous avons enregistré de façon sélective et non-invasive les neurones moteurs et sensoriels dans la moelle épinière pendant la locomotion active en ciblant génétiquement le senseur bioluminescent GFP-Aequorin chez la larve de poisson zèbre. En utilisant l’imagerie calcique à l’échelle des neurones individuels, nous confirmons que les signaux de bioluminescence reflètent bien le recrutement différentiel des groupes de motoneurones spinaux durant la locomotion active. La diminution importante de ces signaux chez des animaux paralysés ou des mutants immobiles démontre que le retour méchano-sensoriel augmente le recrutement des motoneurones spinaux pendant la locomotion active. En accord avec cette observation, nous montrons que les neurones méchano-sensoriels spinaux sont en effet recrutés chez les animaux en mouvement, et que leur inhibition affecte les réflexes d’échappement chez des larves nageant librement. L’ensemble de ces résultats met en lumière la contribution du retour méchano-sensoriel sur la production locomotrice et les différences qui en résultent entre les locomotions active et fictive. / There is converging evidence that mechanosensory feedback modulates the activity of spinal central pattern generators underlying vertebrate locomotion. However, probing the underlying circuits in behaving animals is not possible in “fictive” locomotion electrophysiological recordings. Here, we achieve selective and non-invasive monitoring of spinal motor and sensory neurons during active locomotion by genetically targeting the bioluminescent sensor GFP-Aequorin in larval zebrafish. Using GCaMP imaging of individual neurons, we confirm that bioluminescence signals reflect the differential recruitment of motor pools during motion. Their significant reduction in paralyzed animals and immotile mutants demonstrates that mechanosensory feedback enhances the recruitment of spinal motor neurons during active locomotion. Accordingly, we show that spinal mechanosensory neurons are recruited in moving animals and that their silencing impairs escapes in freely behaving larvae. Altogether, these results shed light on the contribution of mechanosensory feedback to motor output and the resulting differences between active and fictive locomotion.

En état de douleur chronique, la sensibilisation centrale s’accompagne d’une modification de l’équilibre excitation/inhibition en faveur d’une excitation accrue de la corne dorsale de la moelle épinière. Cet équilibre implique des molécules d’adhérence telles que les neuroligines postsynaptiques (NLs). Dans une première partie de notre travail de thèse, nous avons étudié la régulation éventuelle de ces protéines dans un modèle de douleur neuropathique (Spinal Nerve Ligation, SNL) chez le rat. Nos données ont montré une surexpression inattendue de la NL2, généralement associée à l’inhibition, alors que l’expression de la NL1, généralement associée à l’excitation, ne change pas. Le blocage de l’expression de NL2 in vivo par application intrathécale de siRNA, a produit des effets anti-nociceptifs réversant de façon significative l’allodynie mécanique observée chez les rats SNL. L’étude ultérieure des partenaires pré- et postsynaptiques de NL2, a démontré une co-variation spécifique avec PSD95, une protéine d’échafaudage des synapses excitatrices. De plus, une approche par co-immunoprécipitation a mis en évidence une augmentation significative des interactions protéiques NL2 /PSD95 chez les rats SNL. Enfin, cette association inhabituelle en condition neuropathique, est apparue liée à la surexpression spécifique de NL2(-), un variant d’épissage de NL2 normalement minoritaire en condition physiologique. La surexpression, l’augmentation d’association avec PSD95, et l’effet pro-nociceptif inattendu de la NL2 « inhibitrice » en condition de douleur neuropathique, indiquent une permutation fonctionnelle de la NL2 de l’inhibition vers l’excitation modifiant le rapport synaptique en faveur d’une excitation globale plus élevée dans la corne dorsale.Dans une deuxième partie du travail, nous avons exploré le rôle des molécules d’adhérence NLs dans la sensibilisation spinale associée à un autre type de douleur chronique, à savoir la douleur cancéreuse, sur un modèle de cancer de l’os chez le rat. L’étude de l’expression des NLs et de leurs partenaires, a montré une augmentation d’expression spécifique de la NL1 et de S-SCAM, une autre protéine d’échafaudage des synapses excitatrices. D’autre part, d’après la littérature, ce modèle se caractérise par une importante activation gliale dans les cornes dorsales de la moelle épinière, se traduisant notamment par une astrogliose massive. Cependant, nous avons montré que dans le modèle utilisé, il n’y avait aucune variation ni de marqueurs classiques de l’activation astrocytaire (GFAP, S100β), ni des marqueurs microgliaux (OX-42 et Iba1). Au contraire, tous ces paramètres étaient effectivement augmentés dans la corne dorsale ipsilatérale d’animaux neuropathiques. Ces résultats suggèrent que, contrairement à ce qui a été décrit précédemment, la douleur cancéreuse d’origine osseuse n’est pas nécessairement corrélée à une surexpression spinale des marqueurs de la glie réactive, tandis que la douleur neuropathique l’est.En conclusion, nos résultats obtenus dans le modèle de douleur cancéreuse montrent un phénotype concernant des molécules impliquées dans la formation, la spécification et la modulation des synapses, bien différent de celui que nous avons mis en évidence dans le modèle de douleur neuropathique. Nous montrons notamment dans les deux modèles, une implication bien distincte des molécules d’adhérence NLs et de la glie confortant les données de la littérature indiquant que ces deux grandes catégories de douleur chronique ont chacune une signature propre. De plus, nos résultats ouvrent la perspective d’identifier de nouveaux diagnostics et/ou de nouvelles possibilités thérapeutiques, en ciblant spécifiquement les NLs. / In chronic pain states, central sensitization is associated with a modification in the excitation/inhibition balance toward increased excitation in the spinal dorsal horn. This balance involves adhesion molecules such as the postsynaptic Neuroligins (NLs). In a first part of our thesis work, we investigated the putative regulation of these proteins in the Spinal Nerve Ligation (SNL) model of neuropathy in the rat. Our data showed an unexpected upregulation of NL2, usually associated to inhibition, whereas expression of NL1, usually associated to excitation, did not change. The in vivo expression blockade of NL2 by intrathecal injection of siRNAs, produced specific antinociceptive effects, significantly reversing the SNL-induced mechanical allodynia. Subsequent study of pre- and postsynaptic NL2 partners, demonstrated a specific co-variation with PSD95, a scaffolding protein of excitatory synapses. Moreover, a co-immunoprecipitation approach showed a significant increase of NL2/PSD95 protein interactions in SNL rats. Finally, this unusual association in neuropathic conditions, appeared to be linked to specific over-expression of NL2(-), a NL2 splice variant usually a minority in physiological conditions. Over-expression, increased association with PSD95, and unexpected pronociceptive effect of the “inhibitory” NL2 in neuropathic pain condition, suggest a functional shift of NL2 from inhibition to excitation changing the synaptic ratio toward higher overall excitation in the dorsal horn.In a second part of our work, we investigated the role of the NLs adhesion molecules in spinal sensitization associated with another type of chronic pain, namely cancer pain, using a rat model of bone cancer. The study of the expression of NLs and partners, showed a specific increase in the expression of NL1 and S-SCAM, another postsynaptic scaffolding protein at excitatory synapses. Moreover, according to the literature, this model is characterized by a strong glial activation in the spinal dorsal horn, identified especially by a massive astrogliosis. However, we showed that in the bone cancer model used, there was no variation, neither in the classical markers of astrocyte activation (GFAP, S100β), nor in microglial markers (OX-42 et Iba1). On the contrary, all these parameters did actually increase in the ipsilateral dorsal horn of SNL neuropathic rats. These results suggest that, at odd with what was previously described, bone cancer pain is not necessarily correlated with a spinal overexpression of markers of reactive glia, whereas neuropathic pain is.In conclusion, our results obtained with the cancer pain model, show that the molecules involved in the formation, specification and modulation of synapses, yield a phenotypes clearly different to the one evidenced in the model of neuropathic pain. More particularly, we show in the two models, a well distinct involvement of the NL adhesion molecules and of glia, reinforcing reports from the literature, which indicate that the two important categories of chronic pain, cancer and neuropathic, each have a peculiar signature. Moreover, our results raise the possibility that new diagnosis and/or new therapeutic possibilities may emerge from targeting NL expression

Les mouvements locomoteurs rythmiques nécessitent l’intervention de circuits neuronaux qui coordonnent l’activité motrice des deux parties du corps. Ces circuits sont formés majoritairement par les projections des interneurones commissuraux de la moelle épinière. Des facteurs de guidage comme la Nétrine, les Slits jouent un rôle fondamental dans la mise en place de ces projections. Une étude a également montré qu’une signalisation impliquant le récepteur Neuropiline2 (Nrp2) des signaux Sémaphorines de la classe 3 (Sema3), participe au guidage de ces projections et cela uniquement après la traversée de la ligne médiane (Zou et al. 2000). Ma thèse porte sur l’étude fonctionnelle d’un ligand de la Nrp2, la Sema3B dans le développement de ce système de projections. J’ai analysé une souris invalidée pour Sema3B et observé de nombreuses erreurs de trajectoires après la traversée de la ligne médiane. Je me suis ensuite intéressée aux mécanismes sous-jacents au gain de réponse : par une approche pharmacologique et biochimique j’ai pu montrer que le signal de la plaque du plancher inhibe une activité de dégradation dépendante de la calpaine1. L’inhibition de cette voie conduit à la stabilisation d’un co-récepteur de la Nrp2, la Plexine A1 dont l’expression est très faible dans les axones n’ayant pas encore traversé la ligne médiane. Cette régulation permet alors l’assemblage d’un complexe récepteur fonctionnel de Sema3B, comprenant cette Plexine associée à la Nrp2 au niveau des cônes de croissance. J’ai identifié la molécule d’adhérence NrCAM, et le facteur neurotrophique GDNF comme étant les facteurs de la plaque du plancher déclencheurs de la réponse / Rhythmic locomotor movements require neuronal circuits ensuring left-right coordination. Spinal commissural projections participate to left-right coordination of limb movements by mediating reciprocal inhibition in synchrony. Extensive research of the mechanisms governing the formation of commissural pathways focused on dorsally-located spinal commissural neurons, establishing a fundamental role for multiple guidance cues derived for the midline and surrounding tissues, including Netrins, Slits and various morphogens. Semaphorin (Sema2)/Neuropilin-2 (Nrp2) signaling has been proposed to contribute to the guidance of commissural projections in the spinal cord at the post- but not pre-crossing stage (Zou et al, 2000). My PhD project aimed at analyzing the role of a Nrp2 ligand, Sema3B, in the guidance of spinal commissural projections, whose expression is dynamic and restricted to some territories, including the floor plate in which axons cross the midline. Analysis of Sema3B null mice showed that the loss of Sema3B induces a range of guidance defects of post-crossing commissural pathways. I investigated the underlying mechanisms and found that the floor plate signal induces through blockade of a calpain 1-dependant pathway the stabilization of the Nrp2 co-receptor Plexin-A1, and enable the assembly of Nrp2/Plexin-A1 sub-units into functional complexes for Sema3B in post-crossing commissural growth cones. I identified the cell adhesion molecule NrCAM and the neurotrophic factor GDNF as being the floor-platederived signals triggering the gain of response

Alors que les synapses sont des structures relativement stables, les éléments qui la composent sont, eux, en permanent échange dans le temps et dans l'espace. Les composants des densités postsynaptiques sont renouvelés avec des cinétiques caractéristiques de chaque molécule et de chaque sous compartiment synaptique. La compatibilité entre le comportement dynamique des composants de la synapse et son maintien structural et fonctionnel à long terme implique une conception de ces assemblages multimoléculaires en équilibre dynamique. De nombreux paramètres peuvent influencer la dynamique des récepteurs aux neurotransmetteurs (RNT) dans les synapses, y compris l'activité synaptique et les protéines de la matrice extracellulaire. Cependant, le rôle des cellules gliales dans ce mécanisme est inconnu. Mon travail de thèse a porté sur l'exploration d'une possible contribution de la microglie, les cellules immunitaires du système nerveux central, à la stabilité des RNT et à l'efficacité des synapses inhibitrices de la moelle épinière. Mon travail de thèse démontre pour la première fois comment et en quoi la microglie est un partenaire clé de l'équilibre dynamique qui régit la structure et la fonction de la synapse inhibitrice dans la moelle. Par conséquent, il donne un éclairage nouveau sur la façon de concevoir l'efficacité synaptique et sa régulation de façon non neurone autonome. / Whereas synapses are relatively stable structures, their molecular constituents are continuously recycled and exchanged in time and space. Each of the molecules that contribute to build synaptic structures is renewed with specific kinetics, depending on their organisation in the postsynaptic densities. The compatibility between a dynamic behaviour and a long-term maintenance of synapses implies to think synapses as multi-molecular assemblies in a dynamic equilibrium. Several parameters can influence the dynamics of receptors to neurotransmitters(RNT) at synaptic sites, including neuronal activity and extracellular matrix proteins. However,the role of glial cells in this mechanism is unknown. During my thesis work, I explored the roleof microglia, the resident immune cells of the central nervous system, on the lateral diffusion ofRNT and synaptic efficacy at spinal cord inhibitory postsynaptic densities. My work demonstrates for the first time a partnership between microglia and synapses. It shows that immune cells can take part to the regulation of synaptic strength very rapidly but also at basal state, by regulating RNT dynamics. Furthermore it identifies microglia as a key partner for a heterocellular stabilization of synaptic receptors. This work raises the intriguing possibility that the general regulation of network activity may also be explained by a fine modulation of receptors stability at the synapse controlled by microglia.

Les fonctions locomotrices et posturales sont contrôlées par un ensemble de réseaux neuronaux qui doivent interagir afin de produire un comportement locomoteur optimal, adaptable aux contraintes internes et externes de l’organisme. Le maintien d’un équilibre dynamique au cours de la locomotion repose sur des processus internes de coordination entre les réseaux nerveux spinaux et supraspinaux qui commandent les différents segments du corps (membres, tête et tronc). C’est dans ce contexte que nous nous sommes intéressés aux interactions entre la fonction locomotrice et la fonction posturale, sur des préparations réduites de tronc cérébral-moelle épinière de rats nouveau-nés, au sein desquelles les CPGs locomoteurs spinaux et les noyaux vestibulaires sont intacts. Des approches combinées électrophysiologiques, pharmacologiques, neuroanatomique et lésionnelles nous ont permis de mettre en évidence une partie des mécanismes à l’origine du couplage entre les différents réseaux neuronaux étudiés. Dans cette étude nous avons montré que les réseaux locomoteurs lombaires contrôlent l’activité des réseaux thoraciques axiaux, de manière à produire une activation coordonnée des réseaux moteurs des membres et du tronc. Cette coordination est sous influence des entrées supraspinales. Les amines induisent une organisation temporelle spécifique de l’activité des réseaux thoraco-lombo-sacrés, et les informations en provenance des noyaux vestibulaires influencent le rythme locomoteur. Ces données apportent des éléments nouveaux concernant les processus neuronaux à l’origine de la coordination des réseaux moteurs et posturaux. / Locomotor and postural functions are controlled by a set of neural networks that must interact to produce optimal locomotor behavior, adaptable to internal and external constraints of the body. Maintaining a dynamic balance during locomotion is based on internal coordination processes between spinal and supraspinal neuronal networks controlling different parts of the body (limbs, head and trunk). In this context, we have interested in the interactions between locomotor and postural functions, in spinal and supraspinal networks. The experiments were conducted on isolated brainstem-spinal cord preparations from neonatal rats, in which the spinal locomotor CPGs and the vestibular nuclei are intact. Electrophysiological, pharmacological, and neuroanatomical approaches allowed us to highlight some of the mechanisms involved in the coupling of the different neural networks. In this study we showed that the lumbar locomotor networks control the activity of axial thoracic networks, in order to produce a coordinated activation of motors networks of limbs and trunk. This coordination is modulated by amines and information from the vestibular nuclei. These data provide new evidence for spinal mechanisms involved in the coordination of motor and postural networks.

Nous proposons un modèle de l'embryogenèse de la moelle épinière considérée comme un système dynamique constitué d'unités comportementales (les cellules). Pour que cet organe soit fonctionnel, il faut que les neurones des différents types soient mis en place au cours de l'embryogenèse, avec le bon nombre de neurones du bon type au bon endroit. Cette mise en place résulte d'un processus dynamique au cours duquel les progéniteurs neuronaux prolifèrent dans les proportions adéquates avant de se différencier en neurones spécialisés. Les données expérimentales disponibles donnent l'évolution des populations de progéniteurs et de neurones, et la balance globale entre prolifération et différenciation. Un premier modèle est énoncé à l'échelle collective pour rendre compte de la dynamique observée sur toute la durée du processus, avec une évolution de la balance prolifération / différenciation ajustée sur les données expérimentales. Un second modèle introduit une différenciation comportementale des progéniteurs sous la forme d'une perte de leur capacité proliférative. Ce changement comportemental, de type tout-ou-rien à l'échelle cellulaire, se traduit à l'échelle collective par une transition continue de la balance prolifération / différenciation telle qu'observée expérimentalement. Enfin, nous explorons un raffinement de ce modèle où ce changement comportemental est gouverné par l'état du système (rétro-contrôle). Nous examinons les différentes possibilités de rétro-contrôles et nous retenons celle qui rend le mieux compte de la dynamique collective observée. En perspective, nous proposons des pistes pour intégrer la dimension spatiale du phénomène, et pour la prolongation de ce travail vers la modélisation du développement du cortex cérébral. / We consider the developing spinal cord as a dynamical system made of behavioral units (cells). For the adult spinal cord to be functional, different neurons must be of the right kind at the right place. They are issued from a dynamical process of proliferative and differenciating neural progenitors, with a fine control of the balance between proliferation and differentiation. Some experimental data are available for the evolution of progenitors and neurons population and for how the balance progresses with time. Based on these data, we propose a first model at the collective scale to account for these dynamics all along the process. A second model is proposed at the cell scale which includes a loss of proliferative capacity that progressively concerns more and more progenitors. This behavioural switch at cell scale is reflected by a continous progression of the balance proliferation / differentiation at population scale, as it is experimentally observed. Finally, we introduce a feedback control process so that this progression is under the control of the progenitors and neurons populations. Among the multiple possibilities for this feedback, we point out to the most relevant process. We discuss these findings, and how they can be extended to spatialized dynamics and neocortex development.

L'objectif principal du présent mémoire était d'étudier les interactions cellulaires de la moelle épinière dans un environnement tridimensionnel à l'aide du génie tissulaire. Pour cela, nous avons développé un tissu reconstruit par la technique d'autoassemblage adapté à l'étude du système nerveux central. Ensuite, nous avons caractérisé le comportement des neurones moteurs sains dans ce tissu reconstruit afin de l'utiliser ultérieurement pour modéliser les maladies neurodegeneratives, dont la sclérose latérale amyotrophique. Différentes combinaisons de neurones moteurs, d'astrocytes et de microglies ont été ensemencés sur un feuillet de fibroblastes. L'évaluation de la survie des neurones moteurs, de l'élongation et de la maturation des neurites ont été assurées par immunofluorescence à l'aide d'anticorps dirigés contre le neurofilament M et le neurofilament H. Pour ce qui est des cellules gliales, les astrocytes et les microglies ont été respectivement marqués à l'aide d'anticorps dirigés contre la protéine gliale fibrillaire acide (GFAP) et contre l'intégrine alpha-M. Après 14 jours de coculture, la présence des cellules gliales, principalement celle des microglies, améliore grandement la migration axonale. De plus, les astrocytes ont formé un réseau tridimensionnel dans le tissu. Cette situation est retrouvée dans l'environnement in vivo de la moelle épinière. Nous avons donc développé, par génie tissulaire, un modèle tridimensionnel de la moelle épinière permettant d'en étudier les interactions cellulaires.

Les douleurs neuropathiques sont une maladie qui a une forte prévalence dans notre société et malgré ceci leurs traitements sont généralement décevants. La cause principale de l'échec de notre pharmacologie moderne dans ce domaine est notre manque de connaissances sur le fonctionnement du système douloureux. Dans cette thèse, je me suis concentré sur un aspect de cette lacune : comment l'information nociceptive est-elle encodée par la moelle épinière avant d'être relayée au cerveau et comment cet encodage est-il altéré dans les douleurs neuropathiques ? Nos résultats démontrent qu'il y a deux types de neurones de projection spinothalamique (STT) qui encodent l'information nociceptive: les « wide dynamic range » (WDR) et les nociceptifs spécifiques (NS). Suite au développement des douleurs neuropathiques, seul le seuil d'activation des NS est altéré. Grâce à cette caractérisation, il est possible de tester plusieurs pharmacologies afin de cibler les mécanismes potentiellement impliqués dans le développement des douleurs neuropathiques. Nous avons démontré que lorsque l'on bloque les canaux GABAA et/ou glycine, on génère une diminution du seuil d'activation des NS-STT. Ces résultats confirment donc la participation de ces deux mécanismes inhibiteurs dans le développement de la pathologie. À l'inverse, nous avons aussi démontré que l'utilisation d'un nouveau composé, le CLP 257 (un activateur du KCC2), pouvait renverser l'hypersensibilisation dans notre modèle de douleurs neuropathiques en ramenant le seuil d'activation des NS à des valeurs physiologiques. Une autre avenue de traitement intéressante serait de cibler directement les NS de projection et de normaliser leur réponse plutôt que de tenter de décortiquer chacun des changements survenant dans la moelle. Par contre, pour ce faire, il nous faut les identifier et déterminer s'ils ont des cibles pharmacologiques qui leur sont spécifiques. Certains outils doivent donc être mis en place. Nous avons créé une microsonde permettant de photoconvertir un marqueur fluorescent dans les cellules enregistrées pour les retrouver à postériori. L'ensemble des résultats de cette thèse améliore notre compréhension du système douloureux, oriente les recherches futures sur le traitement des douleurs chroniques et apporte de nouvelles technologies de recherche. / Neuropathic pain is a disease with a high prevalence in our society and despite this our treatments are generally disappointing at best. One of the main causes of the failure of our modern pharmacology for this treatment is our lack of understanding of how the pain system works. In this thesis I focused on one of these gaps: how nociceptive information is encoded by the spinal cord before being relayed to the brain and how this encoding is altered in neuropathic pain? Our results show that there are two types of projection neurons spinothalamic (STT) that encode nociceptive information: the wide dynamic range (WDR) and nociceptive specific (NS). Following the development of neuropathic pain only the activation threshold of the NS is altered. With this characterization, it is possible to test several drugs to target potential mechanisms involved in the development of neuropathic pain. We have demonstrated that the block of GABAA and/or glycine inhibitory channels decrease the activation threshold of NS-STT. These results confirm the involvement of these two inhibitory mechanisms in the development of this disease. On the other hand we have also demonstrated that the use of a new compound named CLP 257, an activator of KCC2, could reverse the hypersensitivity in our model of neuropathic pain by reducing the activation threshold of the NS-STT to physiological values. Another potential avenue of treatment, rather than trying to dissect each change in the spinal cord, would be to directly target NS-STT and normalize their response. To do so, we must first identify them and determine if they have specific pharmacological targets and to do this some tools had to be developed. For this reason among others, we have created a microprobe which allows us to photoswitch fluorescently labeled cells after their electrophysiological recording to recover them afterwards. The overall results of this thesis improve our understanding of the pain system, direct future research on the treatment of chronic pain and bring new research technologies.