Thesis (Ph. D.)--Institute of Zoology, School of Veterinary Medicine Hannover, 2001. / Title from title screen (viewed February 21, 2008). Includes bibliographical references (p. 115-139).

De part le monde, nombre de personnes sont atteintes par pathologies cérébrales directement liées au vieillissement. Pour comprendre les mécanismes biologiques du vieillissement cérébral et développer de nouvelles thérapies, l’utilisation de modèles animaux pertinents est un atout décisif. Le primate Microcèbe, est un modèle de vieillissement cérébral normal et pathologique. Il présente avec l’âge des altérations cérébrales anatomiques accompagnées de déficits cognitifs, similaires à celles observées chez l’Homme. Chez certains individus, ces altérations sont plus sévères, avec une atrophie de l’hippocampe et la présence de plaques amyloïdes, suggérant l’existence d’un vieillissement cérébral pathologique. L’exploration fonctionnelle du vieillissement cérébral du Microcèbe a été réalisée grâce à l’imagerie par Tomographie par Émission de Positons (TEP). Celle-ci a été complétée par des études anatomiques et histologiques du cerveau et un suivi comportemental. Une thérapie par un agoniste de l’Insuline-like Growth Factor 1 (PEG-IGF-1) a été évaluée. Chez les animaux âgés, outre la présence d’une atrophie cérébrale, le métabolisme glucidique était réduit dans le cerveau et les sous structures d’intérêt (cortex frontal, hippocampe, noyaux caudés et cervelet). Ces altérations cérébrales n’ont pas pu être associées à des déffcits cognitifs et ne peuvent être expliquées par des altérations anatomo-histologiques. Le traitement par PEG-IGF-1 n’a pas modifié la consommation cérébrale de glucose. Néanmoins, il s’est accompagné de changements dans les paramètres de la torpeur journalière présente chez ce primate, suggérant une modulation de la gestion des ressources énergétiques. En conclusion, la mesure du métabolisme glucidique cérébral par imagerie TEP constitue un marqueur fonctionnel du vieillissement cérébral chez le Microcèbe. Ce marqueur peut être utilisé pour explorer de nouveaux aspects du vieillissement cérébral et/ou l’apparition de pathologies. Il pourrait également permettre d’évaluer l’effet de thérapies sur le fonctionnement cérébral / Worldwide populations affected by age-related brain pathology are becoming increasingly numerous. Using relevant animal models is a critical to understand biological mechanisms of brain aging and evluate therapy. The Mouse lemur primate is an animal model of normal and pathological brain aging. Indeed, it develops age-associated brain abnormalities linked with cognitive deficits remaining human age-associated brain alterations. Moreover, some older individuals display more severe alterations, as in particular atrophy of the hippocampus and cerebral amyloid plaques, suggesting a pathological brain aging. Positron Emission Tomography (PET) was used to quantify cerebral glucose metabolism quantification in mouse lemurs. This study was completed with anatomical, histological, and behavioral studies. Additionally, an insulin-like growth agonist (PEG- IGF-1) therapy was evaluated in aged mouse lemurs. In older animals, besides a cerebral atrophy, a glucose metabolism reduction appeared in the brain, and in particular in the frontal cortex, hippocampus, caudate nucleus, and cerebellum. These functional impairments were not associated with detectable cognitive deficits and could not be explained by anatomical or histological alterations. The PEG-IGF-1 treatment did not enhance cerebral glucose consumption. Nevertheless, it induced changes in the parameters of daily

Le microcèbe murin (Microcebus murinus) est un primate attirant l’attention de la recherche neuroscientifique. Son anatomie cérébrale est encore mal décrite et ses réseaux cérébraux n'ont jamais été étudiés. Le premier objectif de cette thèse était de développer de nouveaux outils menant à la création d’un atlas numérique 3D du cerveau du microcèbe. Cet atlas est un outil fondamental car pouvant être utilisé pour extraire automatiquement des biomarqueurs cérébraux de diverses neuropathologies. Par la suite, nous avons mis en place des protocoles IRM et informatiques pour analyser la connectivité neuronale du microcèbe murin. Nous avons évalué pour la première fois les réseaux cérébraux de cet animal et révélé que son cerveau est organisé en régions fonctionnelles intégrées dans des réseaux fonctionnels à plus grande échelle. Ces réseaux ont été classés et comparés à des réseaux similaires chez l'homme. Cette comparaison multi-espèces a mis en évidence des règles d'organisation communes mais aussi des divergences. L'imagerie du glutamate par transfert de saturation et par échange chimique (gluCEST) est une méthode permettant de créer des cartes 3D de la distribution du glutamate. Dans une troisième étude, nous avons comparé l’activité neuronale locale, la connectivité fonctionnelle et le contraste gluCEST dans diverses régions du cerveau. Nous avons ainsi mis en évidence différentes associations entre ces trois biomarqueurs. Enfin, l’impact du vieillissement sur la connectivité fonctionnelle, l’activité neuronale locale et le contraste gluCEST a été évalué en comparant deux cohortes de microcèbes murins. / The mouse lemur (Microcebus murinus) is a primate that has attracted attention within neuroscience research. Its cerebral anatomy is still poorly described and its cerebral networks have never been investigated. The first objective of this study was to develop new tools to create a 3D digital atlas of the brain of this model and to use this atlas to automatically follow-up brain characteristics in cohorts of animals. We then implemented protocols to analyze connectivity in mouse lemurs so we could evaluate for the first time the cerebral networks in this species. We revealed that the mouse lemur brain is organised in local functional regions integrated within large scale functional networks. These latter networks were classified and compared to large scale networks in humans. This multispecies comparison highlighted common organization rules but also discrepancies. Additionally, Chemical Exchange Saturation Transfer imaging of glutamate (gluCEST) is a method that allows the creation of 3D maps weighted by the glutamate distribution. In a third study, we compared local neuronal activity, functional connectivity and gluCEST contrast in various brain regions. We highlighted various associations between these three biomarkers. Lastly, the impact of aging on local neuronal activity, functional connectivity and gluCEST has been analyzed by comparing two cohorts of lemurs.

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Aujourd’hui la restriction calorique modérée et chronique (RC) est la seule intervention non génétique capable de ralentir l’apparition de pathologies liées à l’âge et d’accroître la longévité chez plusieurs espèces animales. Le resvératrol (RSV), un composé appartenant au groupe des polyphénols, présente des propriétés thérapeutiques intéressantes et constitue un candidat prometteur comme mimétique des effets d’une RC. Afin d’évaluer l’impact de tels protocoles nutritionnels à long terme, une étude longitudinale a été menée sur une cohorte de 53 mâles microcèbes (Microcebus murinus), modèle primate pertinent pour les recherches sur le vieillissement normal ou pathologique au vue de sa longévité maximale de 12 ans en captivité. Depuis l’intégration des animaux dans l’étude (3 ans d’âge) à l’avancement actuel du projet (8 ans d’âge), des paramètres physiologiques et comportementaux ont été évalués régulièrement au sein de la cohorte, partagée en trois groupes: un groupe soumis à une RC (-30%) et un groupe supplémenté en RSV (200 mg.kg-1.jour-1), comparés à un groupe contrôle (CTL). Avec l’âge, chez les microcèbes CTL, des perturbations sont apparues : diminution de la sensibilité à l’insuline, accumulation de dommages cellulaires, déclin moteur et cognitif (mémoire spatiale de reférence) et déclin de certains marqueurs prédictifs du vieillissement chez cette espèce. La RC a permis une amélioration de la sensibilité à l’insuline et a limité l’accumulation de certains marqueurs du stress oxydant, elle n’a pas entraîné d’amélioration des capacités cognitives, mais a diminué l’anxiété, amélioré les performances motrices et augmenté l’activité locomotrice spontanée. La RC a aussi induit une réponse adaptative métabolique avec une perte de masse corporelle sans réduire les dépenses énergétiques, un abaissement des taux hormonaux d’IGF-1 et de la testostérone suggérant un compromis entre reproduction et survie. Le RSV a mimé une partie des effets bénéfiques démontrés sous RC. Cependant il a permis une amélioration de la mémoire spatiale de travail, absente chez les animaux restreints. Le RSV a également montré des effets opposés à ceux de la RC comme un maintien de la masse corporelle et des taux d’hormones par rapport aux CTL, une augmentation des dépenses énergétiques et des niveaux de testostérone pendant la période de jours longs. Finalement les données de survie actuelles sont prometteuses ; moins de 50% de l’effectif de départ des animaux CTL a survécu, alors que plus de 50% des animaux RC et RSV sont encore vivants, présentant de surcroît un âge moyen à la mort plus élevé d’environ 1 an par rapport aux CTL. Malgré des effets hétérogènes et pourtant bénéfiques, la RC et le RSV sont capables de ralentir l’apparition de certains déclins intrinsèques au vieillissement et d’améliorer la survie des microcèbes, soutenant l’hypothèse selon laquelle ces effets pourraient être induits par des mécanismes différents mais permettant d’atteindre les mêmes issues favorables notamment au niveau de l’espérance de vie. Ces résultats constituent un véritable outil pour la compréhension future des mécanismes sous-jacents au processus du vieillissement mais aussi des voies de régulation cellulaires mises en jeu par la RC et le RSV à moyen et long terme chez un primate / Nowadays moderate and chronic calorie restriction (CR); is the only non-genetic intervention known to slow the onset of age-related diseases and to increase longevity in several animal species. Resveratrol (RSV), a natural compound belonging to the polyphenols group, has therapeutic properties and is a promising candidate as CR effects mimetic. To assess the impact of such long-term nutritional protocols, a longitudinal study was conducted on a cohort of 53 males grey mouse lemurs (Microcebus murinus), a relevant primate model for normal and pathological aging research as regards to its high longevity in captivity, up to 12 years. Since the integration of the animals in the study (3 years old) to the current status of the project (8 years of age), physiological and behavioral parameters were assessed regularly in the cohort divided into three groups: a group submitting to a -30% CR and a group supplemented with RSV (200 mg.kg-1.day-1), compared to a control group (CTL). With age, disturbances appeared in CTL mouse lemurs: decreased insulin sensitivity, accumulation of cellular damage, motor and cognitive decline associated with particular type of memory and a decline of certain predictive biomarkers of aging in this species. CR has improved insulin sensitivity and limited the accumulation of markers of oxidative stress, it has not resulted in improved cognitive abilities but in a decreased anxiety, improved motor performances and an increased spontaneous locomotor activity. CR also induced an adaptive metabolic response with body weight loss without lowering energy expenditure, lower hormone levels of IGF-1 and testosterone, supporting a probable trade-off between reproduction and survival. RSV mimicked some of the beneficial effects demonstrated in CR. However, it has improved the spatial memory task, which was not observed in restricted animals. RSV also showed opposite effects to those of CR, as maintained body weight and hormone levels compared to CTL, an increase in energy expenditure and in testosterone levels during the long day’s season. Finally, the current survival data are promising; less than 50% of the CTL animals survived, while more than 50% of CR and RSV animals are still alive, with in addition a mean age at death about 1 year higher compared with CTL animals. Despite heterogeneous, but yet beneficial effects, CR and RSV were able to slow the appearance of some intrinsic age-related declines and to improve the lemurs’ survival, supporting the hypothesis that these effects may be mediated by different mechanisms achieving the same positive outcomes including enhanced life expectancy. These evidences are a real tool for the future understanding of the mechanisms underlying the aging process but also of cellular regulatory pathways that are involved in long term CR and RSV treatment in a primate

Nous sommes sur le point de montrer que le muscle squelettique adulte contient une population de cellules souches capables de se différencier in vitro en cellules cardiaques présentant des battements automatiques. Ces cellules pulsantes différenciées en culture, possèdent toutes les caractéristiques d’un type de cellules spécialisées dans la conduction cardiaque : les cellules pacemaker du sinus atrial De même, lorsque ces cellules souches sont transplantées chez des souris mutantes qui présentent des troubles de la conduction cardiaque, elles sont retrouvées différentiées en cellules pacemaker dans le cœur et améliorent significativement les troubles du rythme de ces souris. Ces résultats indiquent qu’il est important d’isoler une population avec le même potentiel à partir du muscle squelettique humain étant donné le potentiel réparateur extrêmement prometteur de ces cellules souches adultes pour leur utilisation en thérapie cellulaire des dysfonctionnements du rythme cardiaque. Une analyse préliminaire sur le microcèbe, modèle primate, nous a d’ores et déjà permis de valider la différentiation in vitro des cellules souches dérivées du muscle squelettique en cellules pacemaker. / We show that adult multipotent Muscle-Derived Stem Cells (MDSC) have the ability to differentiate into cardiac pacemaker cells in vitro and in vivo. In vitro, differentiated beating pacemaker-like cells remain active for months and express all the markers of native cardiac pacemakers. They show both hyperpolarization-activated “funny” current (If) and b-adrenergic- and cholinergic-responsive spontaneous Ca2+ transients. In vivo, systemic injection of MDSC from wt muscle significantly improved heart rhythm in severely bradycardic mutant CaV1.3-/- mice. This functional recovery was accompanied by differentiation of donor-derived CaV1.3-expressing cells in the sinoatrial node. MDSC from the primate Microcebe revealed a similar ability to differentiate in vitro into functional pacemaker-like cells. MDSC thus represent a unique, non-tumorigenic and directly transplantable stem cell source shown to efficiently engraft in mutant mouse heart and correct human-mirrored severe rhythm disorders.

Afin de se maintenir au sein d'un environnement changeant, les individus doivent mettre en place une réponse adéquate. Il est connu que les animaux ont la capacité d'ajuster leur comportement à leur environnement. Cette plasticité comportementale, permet une réponse adaptée et relativement rapide aux variations de l'environnement, maximisant ainsi les chances de survie et de transmission des gènes. Elle met en jeu des processus cérébraux couteux en énergie rendant ces adaptations particulièrement sensibles à des changements alimentaires. Le but de cette thèse a été de mieux comprendre les facteurs qui contraignent ces réponses chez une espèce à laquelle s'applique une forte pression de sélection. Pour ce faire, nous avons étudié les réponses comportementales d'un primate malgache, le microcèbe gris (Microcebus murinus) soumis à des changements dans la quantité ou la qualité des ressources alimentaires disponibles. La première partie de ce travail s'est intéressée aux effets à court terme d'une restriction alimentaire sans malnutrition. Cette partie comprenait deux études. La première s'intéressant aux effets d'une restriction alimentaire à 60% sans malnutrition sur la plasticité comportementale innée via l’étude de l'horloge biologique. Les résultats de cette étude montrent une diminution de la capacité à se resynchroniser après un décalage horaire en lien avec la perte de poids. Ainsi, les individus perdant le plus de poids sont le moins à même de se resynchroniser sur les cycles lumineux après un décalage horaire de 6 heures. La seconde s'intéressait aux effets d'une restriction alimentaire de 40% sans malnutrition sur la plasticité comportementale acquise et montre une diminution de la capacité d'apprentissage des individus restreints après 19 jours de traitement alimentaire sans influence sur la mémoire à long terme. La moindre capacité d’apprentissage chez les individus en restriction calorique est corrélée à la perte de poids, les individus perdant le plus de poids étant les moins performants. Dans une seconde partie j’ai étudié l'effet de modifications qualitatives de l'alimentation à travers une supplémentation à long terme des individus en acides gras polyinsaturés n-3. Cette partie m’a permis de mettre en évidence une amélioration des performances d'apprentissage chez les individus supplémentés après 18 mois de traitement alimentaire accompagnée d'une diminution de l'anxiété et d'une augmentation de la neurogenèse adulte dans trois zones cérébrales.Ces travaux démontrent que les variations nutritionnelles, qu’elles soient quantitatives ou qualitatives sont capables d’influencer les différentes formes de plasticités comportementales et donc les grandes fonctions cérébrales et constituent ainsi un paramètre clé dans l’adaptation et la survie des individus. / In order to survive in a changing environment, individuals have to express an appropriate response. It is known that animals have the ability to adjust their behaviour to their environment. This behavioural plasticity allows a quick and adapted response to environmental variations, maximizing the individual'ssurvival and gene transmission. This plasticity relies on costly brain processes making these adaptations particularly dependent of food availability and maybe quality.This thesis project aimed at better understanding the constraints of these responses in a species under a strong selection pressure. To investigate this problematic, we studied the behavioural responses of a small Malagasy primate, the grey mouse lemur (Microcebus murinus), to both quantitative and qualitative changes in food resources. The first part of this work investigated the effect of a short-term caloric restriction without malnutrition over two studies. In the first one, we studied the effects of a 60% caloric restriction without malnutrition on innate behavioural plasticity via the study of the biological clock. The results show a decrease in the ability to resynchronize on a light/dark cycle following a time-shift. This difficulty to resynchronize was linked to body mass loss, the individuals loosing the more weight being the one unable to resynchronize after the 6-hours time shift. In the second study, we investigated the effect of a 40% caloric restriction without malnutrition on acquired behavioural plasticity. This study show a decrease in learning abilities of the restricted individuals after 19 days of dietary treatment and no influence on long term memory. This decrease in learning abilities was also linked with body mass loss, with the individuals loosing the more weight being the one with the worst success rate during this task. The second part focused on the effects of a qualitative variation in food supply via a long-term supplementation with n-3 polyunsaturated fatty acids. This part allowed us to show an increase in learning abilities associated with increased neurogenesis in three brain zones for supplemented animals after 18 month of treatment as well as a decrease of their anxiety level.This thesis work show that both quantitative and qualitative nutritional variations are able to influence different forms of behavioural plasticity and their cerebral basis and are of particular importance in the adaptation and survival of individuals.

Le vieillissement des populations est une réalité incontournable des sociétés modernes, qui observent une augmentation inexorable de l’espérance de vie. L’un des obstacles à l’analyse de la mortalité chez l’humain tient au fait qu’il faut plus de cent ans pour que tous les individus d’une même génération décèdent. C’est pourquoi la biodémographie, un nouveau champ de recherche alliant la démographie et la biologie, se penche sur l’analyse des données de mortalité des primates, tels le lémurien genre Microcebus murinus. Les données pour cette espèce élevée en captivité proviennent principalement des livrets d’enregistrement des entrées et sorties de tous les individus du laboratoire MMDN du département de biologie de l’Université de Montpellier. L’objectif principal de ce mémoire est de comparer les distributions des décès par âge pour le lémurien par sexe, ainsi que pour des populations humaines de différentes époques. L’approche par P-splines utilisée permet de dériver ces distributions à partir des taux de mortalité lissés. Différents indices sont calculés sur la mortalité : l’espérance de vie à l’âge de la maturité sexuelle, l’espérance de vie aux grands âges, l’âge médian au décès, ainsi que l’âge modal (i.e. le plus fréquent) au décès. Nos résultats indiquent que les femelles lémurien genre Microcebus murinus élevées en captivité vivent plus longtemps que les mâles, et ce pour tous les différents indices utilisés, contrairement à ce qui avait été rapporté dans la littérature. Cela est toutefois cohérent avec les différentes hypothèses qui supposent des durées de vies plus longues chez les femelles primates et chez les humaines. De plus, la comparaison de la mortalité chez les lémuriens et les humains montrent que la distribution des décès du lémurien se rapproche des sociétés pré-industrielles européennes. Cette incursion dans la démographie d’une espèce animale contribuera l’avancement de ce tout nouveau champ de recherche qu’est la biodémographie. L’analyse plus approfondie de la longévité de primates à courtes durées de vie permettra de nous d’améliorer nos connaissances à long terme sur les mécanismes biologiques du vieillissement chez l’humain. / The aging of populations is an inescapable reality of modern societies, which observe an inexorable increase in life expectancy. One of the obstacles to the analysis of human mortality is the fact that it takes more than a hundred years for all individuals in a generation to die. For this reason, biodemography, a new field of research combining demography and biology, is looking at the analysis of mortality data from primates, such as the gray mouse lemur (Microcebus murinus). The data for this captive-bred species come mainly from the logbooks recording the entries and exits of all individuals in the MMDN laboratory of the Biology Department of the University de Montpellier. The main objective of this thesis is to compare the distributions of deaths by age for the lemur by sex, as well as for human populations of different ages. The P-splines approach used makes it possible to derive these distributions from smoothed mortality rates. Different indicators are calculated on mortality: life expectancy at the age of sexual maturity, life expectancy at old age, median age of survival, and modal age at death. Our results indicate that female captive-bred gray mouse lemurs live longer than males for all the different indices used, contrary to what has been reported in the literature. This is however consistent with the different hypotheses that assume longer life spans in primate and human females. Moreover, the comparison of mortality in lemurs and humans shows that the distribution of lemur deaths is close to the European pre-industrial societies. This incursion into the demography of an animal species will allow the advancement of this brand-new field of research that is biodemography. A more in-depth analysis of the longevity of short-lived primates will provide us with long-term information on the biological mechanisms of aging in humans.