Introduction. Les animaux et les humains sont capables de moduler leur propre activité cérébrale, pourvu que leur soit donné un retour sensoriel en temps-réel de celle-ci. La gamme des activités contrôlables s’étend des rythmes oscillatoires, à la réponse hémodynamique , au taux de décharge des neurones ou même au signal calcique associé aux potentiels d’action. Le contrôle volontaire des activités neuronales, facilité par le plan expérimental d’un paradigme en boucle fermée, est au cœur de l’interaction corps-esprit et peut être utilisé pour adresser des questions philosophiques. Mais comme de nombreuses études l’ont démontré, les interfaces homme-machine sont aussi un outil puissant dans la réhabilitation motrice, la gestion de la douleur, la régulation des émotions, ou encore l’amélioration de la mémoire. Étant donné que la plupart des études a été conduite sur les sujets humains avec des techniques non-invasives, les mécanismes neurophysiologiques de l’autorégulation neuronale sont restés mal connus. L’objectif principal de ce travail était donc d’élaborer une description des principes physiologiques sous-tendant cette technique.Objectifs. D’après la théorie des oscillations neuronales à des multiples niveaux, la présente enquête était principalement définie par les questions suivantes : 1) Quels sont les marqueurs physiologiques du contrôle volontaire des activités neuronales? 2) Existe t-il des échelles spatiotemporelle plus facilement modulables que d’autres? 3) Les effets de l’entrainement sont –ils spécifiques ou généralisables en espace et fréquence ? et 4) Quelles sont les stratégies cognitives efficace pour contrôler les activités oscillatoires parmi plusieurs sujets ? Pour adresser ces questions, dans mon travail j’ai utilisé les enregistrements intracérébraux avec des macro- et micro-électrodes chez les patients épileptiques dans le cadre d’un bilan pré-chirurgical. / Introduction. Animals and humans are capable to modulate their own brain activity if they are provided with real-time sensory feedback thereof. The range of controllable neural activities reaches from oscillatory brain rhythms, over hemodynamic response function to the firing of single neurons or even action-potential associated calcium signals. The voluntary control of neural activity facilitated by this ‘closed-loop’ experimental paradigm is at the very heart of the mind-body interaction and can be used to address philosophical questions. But as numerous successful applications of neurofeedback and brain-computer interfaces have demonstrated, it is also a powerful tool in motor rehabilitation, pain management, emotion regulation or memory improvement. Because most previous studies were conducted on humans using non-invasive recordings techniques, the neurophysiological mechanisms of neural self-regulation remained obscure. The main objective of the present work was thus to provide a better understanding of its underlying principles. Objectives. Following a multiscale theoretical framework of neural oscillations, the present investigation was largely guided by the following questions: 1) What are the physiological markers of successful control? 2) Are some regions or spatiotemporal scales more easily controllable than others? 3) Are training effects specific or generalized? and 4) What are subject-invariant successful cognitive strategies of neural self-control? To address these questions, we took advantage of intracerebral macro- and micro-electrode recordings in epileptic patients undergoing long-term monitoring in the presurgical context.

L'éminence ganglionnaire médiale (MGE) produit la grande majorité des interneurones GABAergiques corticaux synthétisant la parvalbumine. Les neuroblastes issus de la MGE migrent sur une longue distance avant d'atteindre leur destination finale. A ce jour, on ne sait pas s'il existe des mécanismes moléculaires les guidant vers des régions corticales données. Je montre que deux protéines apparentées aux cadhérines, cdhr23 et cdhr15, ont un rôle déterminant dans le développement d'interneurones du cortex auditif et de manière spécifique. Chez la souris et le macaque, ces deux protéines sont co-synthétisées par des neuroblastes issus de la MGE pendant leur migration. Chez les souris déficientes pour Cdhr23 ou Cdhr15, les neuroblastes synthétisant cdhr15 ou cdhr23 s'accumulent dans le télencéphale basal, ne parviennent pas à pénétrer dans le néocortex et présentent in vitro des défauts de polarité cellulaire. Cdhr15 intervient dans la survie des précurseurs d'interneurones à parvalbumine pendant la première semaine postnatale. Les souris mutantes pour Cdhr23 ou Cdhr15 présentent à trois semaines un nombre réduit d'interneurones à parvalbumine dans leur cortex auditif mais pas dans les cortex avoisinants. Cette diminution est associée à une disposition aux crises audiogènes. Mes résultats indiquent que des précurseurs d'interneurones du cortex auditif sont équipés de protéines d'adhérence déterminantes pour leur migration et leur intégration dans le cortex auditif. Ils suggèrent l'existence d'un possible mécanisme moléculaire général fondé sur un " code d'adhérence " qui déterminerait les neuroblastes GABAergiques dès leur naissance à intégrer une aire corticale donnée. / The medial ganglionic eminence (MGE) gives rise to the majority of cortical GABAergic interneurons that synthetize parvalbumin. Neuroblasts born in the MGE undergo a long distance migration before reaching their final target. Up to now, it is unknown whether any molecular mechanism guides them to specific cortical regions. I show that two cadherin-related proteins, cdhr23 and cdhr15, have a critical role in the development of interneurons of the auditory cortex, specifically. In mice and macaque, the two proteins are co-synthetized in neuroblasts from the MGE during their migration. In mouse mutants for Cdhr23 or Cdhr15, neuroblasts synthetizing cdhr15 or cdhr23 accumulate in the basal telencephalon, fail to enter the neocortex and present in vitro cell polarity defects. Cdhr15 is involved in the survival of parvalbumin interneuron precursors during the first postnatal week. Mutant mice for Cdhr23 and Cdhr15 show at three weeks a reduced number of parvalbumin interneurons in the mouse auditory cortex but not the neighbouring ones. This decrease is associated with a susceptibility to audiogenic seizures. My results reveal that interneuron precursors of the auditory cortex are endowed by specific adhesion proteins critically involved in their migration and integration in the auditory cortex. They suggest a possible general molecular mechanism based on an "adhesion code” that would determine GABAergic neuroblasts from their birth to a specific cortical region.

Dans ce travail des électrodes macro- et mesoporeuses hautement organisées ont été fabriquées grâce à l' électrodéposition dans différents types de template. Des cristaux colloïdaux obtenus par la technique de Langmuir-Blodgett ont été infiltrés par des métaux ou des polymères conducteurs en utilisant l'électrodéposition potentiostatique suivi par la dissolution du template. La taille des pores, ainsi que l'épaisseur du film macroporeux pouvaient être contrôlée respectivement par le diamètre des billes de silice et par des oscillations temporelles du courant. Différentes superstructures colloïdales ont également été produites menant à des électrodes avec des défauts artificiels ou des gradients bien définis en termes de taille des pores. Des couches alternantes de différents métaux ont été déposées avec grande précision dans une monocouche de particules entrainant une modification des propriétés optiques du matériau. La miniaturisation a pu être démontrée par l'élaboration des microcylindres d'or macroporeux qui disposent non seulement d'une plus grande surface active mais aussi d'une plus grande activité catalytique envers la réduction de l'oxygène en comparaison avec leurs homologues non poreux. Dans ce même contexte une cellule électrochimique miniaturisée composé de deux électrodes macroporeuses a été proposée. Par ailleurs du platine mesoporeux a été électrodéposé en présence d`un template de type cristaux liquides lyotropes sur des réseaux de microélectrodes. Grâce à une plus grande surface active par rapport à leurs homologues non poreux des microélectrodes mesoporeuses ont montré une meilleure performance dans l'enregistrement de l' activité neuronale due à un niveau de bruit plus faible. / In the present work template-assisted electrodeposition was used to produce highly ordered macro- and mesoporous electrodes. Colloidal crystals obtained by the Langmuir-Blodgett (LB) technique were infiltrated using potentiostatic electrodeposition of metals and conducting polymers followed by removal of the inorganic template. In the resulting macroporous electrodes, the pore diameter was controlled by the size of the silica spheres, while the thickness could be controlled by temporal current oscillations caused by a periodic change of the electroactive area in the template. Various colloidal superstructures were produced in this way leading to electrodes with on purpose integrated planar defects or well-defined gradients in terms of pore size. Furthermore we showed that alternating multilayers of different metals could be deposited with high accuracy into a colloidal monolayer altering the optical properties of the material. Successful miniaturization of the process was demonstrated by elaborating macroporous gold microcylinders showing besides higher active surface areas also increased catalytic activity towards the reduction of oxygen compared to their flat homologues. In this context a miniaturized electrochemical cell composed of two macroporous gold electrodes was also proposed. Finally, mesoporous platinum films were deposited on microelectrode arrays (MEAs) using lyotropic liquid crystals as templates. The increased surface area of mesoporous compared to smooth electrodes led to improved performance in the recording of neuronal activity with MEAs owing to a reduced noise level.

L’objectif de cette thèse est de décrire le réseau cérébral et la dynamique neuronale qui pourraient servir de support aux aversions alimentaires de type olfactives. Nous avons réalisé des enregistrements multisites de potentiel de champ locaux chez le rat vigile engagé dans cet apprentissage, en proposant deux modes de présentation de l’indice olfactif : à proximité de l’eau de boisson (distal) ou ingéré (distal-proximal). Après apprentissage, la présentation du seul indice distal induit l’émergence d’une activité oscillatoire de forte amplitude dans la bande de fréquence beta (15-40 Hz). Finement corrélée au comportement d’aversion de l’animal, cette activité est proposée comme la signature du réseau de structures fonctionnellement impliquées dans la reconnaissance de l’odeur en tant que signal. Nous montrons que ce réseau peut être plus ou moins étendu selon la façon dont le stimulus a été perçu lors du conditionnement: dans certaines aires (bulbe olfactif, cortex piriforme, amygdale basolatérale, cortex orbitofrontal) la modulation en puissance de l’activité beta se fait indépendamment du mode de conditionnement; dans d’autres aires (cortex insulaire, cortex infralimbique) ces changements ont lieu si et seulement si l’odeur a été ingérée. Complétés par l’étude des interactions fonctionnelles entre ces différentes structures dans la bande de fréquence considérée, ces résultats nous permettent de mieux comprendre comment un stimulus peut être représenté en mémoire dans un réseau cérébral en fonction de l’expérience que l’animal en a fait. / The goal of this thesis is to describe the dynamic of the neural network involved in food aversion based on olfactory cue. We performed multisite recordings of local field potential in the behaving rat engaged in such aversion learning and offered two modes of presentation of the olfactory cue: either close to drinking water (distal) or ingested (distal-proximal). After learning, the presentation of the distal cue alone induced the emergence of a powerful oscillation in the beta frequency band (15-40 Hz). Finely correlated with the aversive behavior of the animal, this activity has been proposed as the signature of the neural network functionally involved in odor signal recognition. We showed that this network may be more or less extended depending on how the stimulus has been experienced during conditioning: in some areas (olfactory bulb, piriform cortex, basolateral amygdala, orbitofrontal cortex), modulation of beta power were observed whatever the mode of odor presentation; in other areas (insular and infralimbic cortices) these changes took place only if the odor cue has been ingested. Associated to the analysis of transient oscillatory synchronizations between these different structures, these results allowed us to better understand how a stimulus could be represented in memory by a cerebral network depending on the way the animal had experienced it.

Dans les suites d'un accident vasculaire moteur (AVC), il existe une réorganisation des cartes de représentation corticale des territoires musculaires pouvant intéresser aussi bien le cortex moteur primaire (CMP) que le cortex prémoteur (CPM) de l'hémisphère cérébral atteint. La contribution de ces deux aires à la plasticité corticale post-AVC est loin d'être bien définie. Notre objectif était d'étudier les modifications de cartographie corticale motrice, notamment au niveau du CMP et du CPM, et leur implication dans la récupération fonctionnelle post-AVC. Dans ce but nous avons utilisé une technique de stimulation magnétique transcrânienne (SMT) guidée par l'imagerie (neuronaviguée). Les limites anatomiques des aires corticales et l'existence de repères anatomiques fiables dans différentes régions d'intérêts ont été définies dans un premier temps. Puis nous avons établi la cartographie normale des représentations corticales motrices dans un groupe de sujets sains, notamment au moyen de cartes « probabilistes » d'obtention de réponses motrices à la SMT qui prennent en compte les variabilités interindividuelles. Nous avons ensuite étudié les modifications de ces représentations dans un groupe de patients ayant des séquelles de lésion vasculaire des régions corticales motrices. Enfin, nous avons effectué un travail prospectif de suivi cartographique d'un groupe de patients ayant présenté un AVC moteur. Dans cette dernière partie, l'analyse des données cliniques et de SMT obtenues à la phase aigüe et à trois mois de l'AVC nous a permis de caractériser les modifications anatomo-fonctionnelles corticales qui accompagnent la régression du déficit moteur, supportant en particulier le rôle central du CMP de l'hémisphère lésé. En conclusion, nous proposons des modèles d'organisation neuronale expliquant le fonctionnement du cortex moteur chez le sujet sain ainsi que la récupération motrice après une lésion partielle du CMP. / Following stroke, reorganization of the motor cortical maps takes places and involves both the primary motor cortex (M1) and the premotor cortex (PMC) on the affected hemisphere. The relative contribution of each of these two cortical areas in the process of post-stroke plasticity and motor recovery remains uncertain. The present project was designed to study the cortical changes that follow a motor stroke, namely those involving M1 and the PMC, and their implications for motor recovery. For this purpose we used MRI-guided (neuronavigated) transcranial magnetic stimulation (TMS). First, we defined the anatomical limits of the cortical areas and the reliable cortical landmarks within each region of interest. We then defined a normal motor map in a group of healthy subjects. Our “probabilistic” map was based on the probability of obtaining motor responses in a given area and therefore accounted for inter-subject variability of motor representations. Thereafter we studied the modifications of the motor cortical representations in a group of patients having recovered from a motor stroke. Finally, we prospectively followed a group of patients presenting with a motor stroke. By comparing the neurophysiological and clinical data at admission and three months later, we were able to characterize the anatomo-functional cortical changes that accompany motor recovery following stroke. Our results are consistent with a major role of M1 in motor recovery. To conclude, we propose a model of how the motor cortex works in healthy subjects and during post-stroke recovery process.

Die Neubildung von Neuronen persistiert lebenslang in der Subgranularzellschicht des Hippocampus und der Subventrikularzone des Großhirns und wird als adulte Neuroge-nese bezeichnet. Es wird vermutet, dass diese beim erwachsenen Menschen einen rele-vanten Einfluss auf degenerative Veränderungen, verschiedene neurologische Krank-heitsbilder und auf die (Dys-)Funktion des Gedächtnisses hat. Im Tiermodell wurde eine Verringerung der Neurogenese nach chronischer Morphingabe nachgewiesen. Vorarbeiten zeigten einen Zusammenhang zwischen chronischem Heroinmissbrauch und reaktiver Astrogliose, Mikrogliose und einer vermehrten Expression des polysialylated neural cell adhesion molecule im humanen Hippocampus. Daraus leitet sich die Hypothese ab, dass chronischer Heroinmissbrauch, als Modell für eine Abhängigkeitserkrankung, einen Einfluss auf die adulte humane Neurogenese hat. Es wurden in Formalin fixierte Gewebeproben aus dem Hippocampus von Verstorbenen mit einer letalen Heroinintoxikation und mit bekanntem Heroinmissbrauch (n = 20) un-tersucht und mit einer nach Alter und Geschlecht angepassten Kontrollgruppe (n = 28) verglichen. Hierbei wurden spezifische Neurogenesemarker mittels immunhistochemi-scher Methoden angewendet und ausgewertet. Es bestand eine generell sehr geringe zelluläre Proliferationsrate und eine signifikante Reduktion Musashi-1 positiver neuro-naler Vorläuferzellen bei gleichzeitig unveränderter Anzahl Nestin positiver reifender und Calretinin positiver migrierender postmitotischer Neurone. Zudem wurde ein ver-ändertes Calretinin-Expressionsmuster als Hinweis auf eventuelle funktionelle neuronale Defizite bei Drogenabhängigen festgestellt. Der potentielle Einfluss von chronischem Heroinmissbrauch auf die adulte humane Neurogenese wird erstmals gezeigt. Die Ergebnisse weisen auf eine negative Beeinflus-sung im Stadium neuronaler Vorläuferzellen und der Zellfunktion migrierender Neurone in der Fallgruppe im Vergleich zu einer gesunden Kontrollgruppe hin. Diese Hemmung der Neurogenese könnte eine Erklärungsmöglichkeit für kognitive Defizite und Funktionsstörungen des Gedächtnisses infolge chronischen Drogenkonsums bieten und zugleich eine Bedeutung bei der Entstehung von Abhängigkeitserkrankungen haben. Insofern könnte sich hier ein Ansatzpunkt für zukünftige Therapiestrategien derartiger Erkrankungen oder ihrer Folgen bieten.:I. Inhaltsverzeichnis 1 II. Bibliografische Zusammenfassung 2 III. Abkürzungsverzeichnis 3 1. Einführung 4 1.1. Drogenabhängigkeit und Epidemiologie 4 1.2. Heroin 6 1.3. Hippocampus 9 1.4. Adulte Neurogenese 11 1.5. Aufgabenstellung und Ziel der Arbeit 14 2. Materialen und Methoden 18 2.1. Fall- und Kontrollgruppe 18 2.2. Toxikologisch-chemische Untersuchungen 20 2.3. Immunhistochemie 21 2.4. Immunfluoreszenz und konfokale Mikroskopie 25 2.5. Quantifizierung, Datenanalyse und Statistik 26 3. Ergebnisse 28 3.1. Deskriptive Datenanalyse 28 3.2. Musashi-1 30 3.3. Nestin 31 3.4. Calretinin 32 3.5. Ki-67 34 3.6. Doublecortin 35 3.7. Doppelimmunfluoreszenz 36 4. Diskussion 37 4.1. Neurogenese – Proliferation (Ki-67) 38 4.2. Neurogenese – Differenzierung (MSI-1, Nestin) 39 4.3. Neurogenese – Reifung (Calretinin) 42 4.4. Methodische Grenzen und Fehlerbetrachtung 43 4.5. Fazit und Ausblick 46 5. Zusammenfassung der Arbeit 48 6. Literaturverzeichnis 52 7. Anlagen 1-8 65 IV. Selbständigkeitserklärung 73 V. Curriculum vitae 74 VI. Publikationen 75 VII. Danksagung 76

Verschiedene Typen von Dnnschichtsystemen, die aufgrund der starken Wirkung optischer Verlustmechanismen wie Absorption oder diffuser Streuung nur schwer der optischen Analyse mittels Spektralphotometrie zugnglich sind, werden in dieser Arbeit mittels einer einheitlichen Methode spektralphotometrisch analysiert. Dabei werden Schichtparameter wie der Spektralverlauf von Brechzahl und Absorptionskoeffizient, die Schichtdicke und ggf. weitere geometrische Schichtparameter wie der RMS-Wert der Oberflchenrauhigkeit aus Messungen des gerichteten Transmissions- und Reflexionsvermgens der Schichtsysteme ber den zu untersuchenden Wellenzahlbereich (NIR/VIS/UV) bestimmt. Zu den untersuchten Schichtsystemen gehren polykristalline Diamantschichten auf Silizium, die starke Streuverluste an der rauhen Diamantoberflche aufweisen, sowie organische Mehrschichtsysteme auf Glsern, die durch hohe Absorptionskoeffizienten sowie komplizierte Absorptionsverlufe gekennzeichnet sind. Als Hilfsmittel zur Bestimmung der Schichtparameter werden neuartige Modelle fr die Wirkung von rauhen Oberflchen auf Dnnschichtspektren, weiterentwickelte Gradientenmethoden zur spektralen Rckrechnung sowie vllig neuartige knstlich intelligente Systeme auf der Basis neuronaler Netze eingesetzt. Anhand unabhngiger Messungen an den Schichtsystemen wie Massendichtemessungen, SEM- Profilometrie, Ramanspektroskopie knnen die gefundenen Schichtparameter besttigt werden.

Im Rahmen des FACETS-Projektes ist die optimierte Abbildung neuronaler Netzwerke durch spezielle Algorithmen auf dafür konzipierte Hardware notwendig, um die Simulation plastischer und pulsierender Modelle zu ermöglichen. Die Erstellung der biologischen und Hardware- Modelle sowie die Konzeptionierung und Analyse der Algorithmen werden in dieser Arbeit vorgestellt.

This thesis describes a highly interdisciplinary approach to discern the differing impact of scaffold dimensionality and physical space restrictions on the behavior of single cells. Rolled-up nanotechnology is employed to fabricate three-dimensional (3D) SiO/SiO2 microtube geometries of varied diameter, that after a biofunctionalization step are shown to support the growth of U2OS and six different types of stem cells. Cell confinement quantifiable through the given microtube diameter is tolerated by U2OS cells through a remarkable elongation of the cell body and nucleus down to a certain threshold, while the integrity of the DNA is maintained. This confinement for NSPCs also leads to the approaching of the in vivo morphology, underlining the space-restrictive property of live tissue. The dimensionality of the cell culture scaffold however is identified as the major determiner of NSPC migration characteristics and leads to a morphologically distinct mesenchymal to amoeboid migration mode transition. The 3D microtube migration is characterized by exclusively filopodia protrusion formation, a higher dependence on actin polymerization and adopts aspects of in vivo-reported saltatory movement. The reported findings contribute to the determination of biomaterial scaffold design principles and advance our current understanding of how physical properties of the extracellular environment affect cell migration characteristics.

Correct layering (lamination) of neurons in the central nervous system (CNS) is critical for the tissue functionality. Neuronal lamination is established during development, when the majority of neurons have to move from their birthplace to the appropriate layer, where they function. Therefore, to grasp the logic of CNS development, it is essential to understand the kinetics and modes of the variety of neuronal translocation events. Most of our knowledge about neuronal translocation has been gained using fixed tissue or ex vivo imaging, which is not ideal for such a dynamic process heavily dependent on the surrounding environment. To avoid these limitations, I combined translucent zebrafish embryos with light sheet fluorescence microscopy, which together enabled gentle in toto imaging of neuronal translocation. I studied the translocation of retinal ganglion cells (RGCs) across the developing zebrafish retina. RGCs are the first neurons that differentiate in the vertebrate retina and are born in a proliferative zone at the retinal apical side. From here, they move basally, spanning the complete apico-basal length of the tissue. They are destined to occupy the most basal layer, where their axons form the optic nerve. Although it was described that RGCs move their soma while being attached to both apical and basal sides of the retina, the kinetics and cell biological mechanisms of somal translocation remained unknown. Extracting single cell behavior of RGCs from high-resolution movies of their translocation allowed for quantitative analysis of RGC movement. I revealed that RGCs cross the retina in less than two hours in a directionally persistent manner. The movement of RGC soma is a cell autonomously generated process, which requires intact microtubules and actin-dependent basal attachment of cells for speed and efficiency. Unexpectedly, interference with somal translocation leads to a shift towards a multipolar migratory mode, previously not observed for RGCs, in which they temporarily lose both apical and basal attachment and apico-basal polarity. The multipolar mode is overall slower and less directionally persistent, but still allows RGCs to reach the basal retina. However, when RGC translocation is inhibited completely, they differentiate ectopically in the center of the retina, which in turn triggers the formation of ectopic layers of later born neurons. These results highlight the importance of establishing the basal layer of ganglion cells for ensuing retinal lamination. Overall, I generated important advances in the understanding of neuronal translocation and lamination, which might be relevant for other parts of the CNS.