La formation des neurites constitue une étape cruciale dans le processus de différenciation neuronale. Cependant, les mécanismes qui permettent de déterminer comment et à quelle position les neurites émergent sont toujours largement méconnus. Nous avons postulé qu'une marque moléculaire pouvait préfigurer la différenciation morphologique. Au cours de ma thèse, j'ai cherché à identifier de nouvelles molécules capables de s'accumuler aux sites d'initiation des neurites et d'en contrôler la protrusion. De manière intéressante, chez la levure, la marque moléculaire qui contrôle le site de protrusion du bourgeon a été caractérisée. Parmi les centaines de protéines contrôlant le site d'initiation chez la levure, les Septines constituent une famille de protéines bien conservée chez les vertébrés. Ces GTPases forment des filaments qui agissent comme barrière de diffusion ou « échafaudage » moléculaire. Au cours de ma thèse, je me suis donc intéressée au rôle des Septines lors de l'initiation axonale dans le modèle des neurones sensoriels de DRG chez l'embryon de poulet. Nous avons pu démontrer qu'aux stades précoces de leur développement, ces neurones formaient deux axones, un au pôle ventral et l'autre au pôle dorsal, indiquant que le nombre et la position des sites d'initiation des axones sont bien contrôlés dans ces neurones. Nous avons, ensuite, démontré que les Septines étaient bien exprimées dans les DRG aux stades précoces du développement. Mes analyses en vidéo-microscopie de la localisation de la septine 7 au cours de la différentiation des neurones de DRG montrent que les Septines s'accumulent au site d'émergence de l'axone, juste avant ou lors de sa formation. L'inhibition des Septines induite par une construction dominant-négative (DN) ou par ajout d'un inhibiteur pharmacologique bloque la formation des axones. De plus, cette inhibition entraine une modification précoce de la morphologie, qui se traduit par l'apparition de cellules multipolaires complexes et de cellules rondes sans prolongement suggérant que, conformément à notre hypothèse, les Septines sont impliquées dans l'initiation des neurites. L'ensemble de ces résultats montre que les Septines régulent la différenciation morphologique précoce des neurones sensoriels / Neurite formation is a crucial step of neuronal differentiation. However, the mechanisms that determine how and at which position neurites emerge in the soma are still poorly understood. We postulated that a molecular polarity could prefigure the morphological differentiation, with some molecules that could accumulate at the future site of axon initiation. Interestingly, such molecular polarity has been evidenced in the contest of yeast budding, with bud forming at specific position relatively to the previous bud site. Genome-wide screen identified hundreds of proteins that control bud site location. Among the vertebrate molecules homologous to those involved in budding site selection, we selected the Septins as promising candidates. These GTP-ases form filaments that act as diffusion barriers and molecular scaffolds. We investigated the contribution of Septins to axon initiation using the chick dorsal root ganglion (DRG) neurons as a model. Monitoring of cell morphology in nascent ganglia indicates that DRG neurons form a single axon at the ventral pole and a second one at the dorsal pole and that these axons seem to emerge directly after their last division. This suggests that two initiation sites are selected at opposite pole of the soma.We found that Septins homologous with those controlling budding are expressed in the early DRG developmental stages. My analyses by time-lapse video-microscopy showed that Septin7 accumulate at the site of axon emergence, just before or during its formation.We observed that a pharmacological inhibitor and a dominant-negative construct block axon formation both in vitro and in vivo respectively. Furthermore, blocking Septin function leads to the appearance of uncommon round or sea urchin-like neurons. Thus, Septins appear to regulate early step of morphological differentiation of DRG neurons, possibly by controlling axon initiation site selection

Le vieillissement croissant de la population mondiale augmente les risques d’incidence de maladies dégénératives comme la maladie d’Alzheimer (AD). L’AD représente la forme de démence la plus commune. C’est plus de 40 millions de personnes qui sont affectés à l’échelle mondiale, créant ainsi un lourd fardeau économique annuel de plusieurs centaines de milliards de dollars. L’AD est une maladie dégénérative du cerveau qui se traduit par une perte graduelle de la mémoire et des fonctions cognitives. Cette dernière se caractérise par trois symptômes pathophysiologiques intimement reliés qui sont : (1) un système cholinergique défectueux, (2) une accumulation excessive de plaques séniles toxiques composées de peptides β–amyloïdes et (3) une hyperphosphorylation de la protéine Tau qui résulte en des enchevêtrements neurofibrillaires. Il n’existe à ce jour aucune cure contre l’AD et les traitements actuellement retrouvés sur le marché n’ont qu’un effet transitoire. En revanche, il y a de plus en plus d’indices qui suggèrent que l’utilisation de certains facteurs de croissance comme l’IGF-2, le bFGF et les neurotrophines pourraient agir à titre de traitement. Parmi ces derniers, la protéine morphogénétique osseuse 9 (BMP-9) a montré un fort potentiel thérapeutique. Cette dernière est toutefois coûteuse à produire en plus d’être volumineuse, ce qui limite fortement son acheminement au cerveau en raison de la barrière hématoencéphalique. Dans cette optique, nous avons développé deux peptides de 23 acides aminés dérivés de l’épitope knuckle de la BMP-9, pBMP-9 et SpBMP-9, 300 fois moins chers à produire. Les travaux de ce projet de doctorat portent sur le développement d’un système de libération du SpBMP-9, le plus efficace des deux peptides, comme stratégie de traitement contre l’AD. Tout d’abord, il a été montré que le SpBMP-9 permettait d’induire la différenciation neuronale de cellules humaines SH-SY5Y de façon plus efficace que la protéine native par la présence d’une croissance plus importante des neurites et l’expression de marqueurs de différenciation neuronaux. De plus, le SpBMP-9 pouvait agir sur au moins deux symptômes de l’AD en orientant la différenciation vers le phénotype cholinergique et en inactivant la GSK3β, une Tau kinase. Ensuite, un système de libération sous forme de nanoparticules à base de chitosane et d’alginate a été développé, puis caractérisé. Ce système de libération a permis d’encapsuler efficacement le SpBMP-9. Le suivi et la modélisation des cinétiques de libération à l’aide d’un modèle mathématique prenant en considération la distribution de taille des particules a permis d’identifier que la libération était principalement diffusive, mais qu’il existait de fortes interactions entre le peptide et l’alginate. Les tests de viabilité ont montré que les nanoparticules n’étaient pas toxiques sur des cellules SH-SY5Y. Enfin, le SpBMP-9 libéré à partir des nanoparticules était toujours bioactif et permettait une différentiation neuronale. Finalement, une étude exploratoire a permis de mettre en évidence que le SpBMP-9 pouvait agir en synergie avec le bFGF et le NGF. La combinaison du SpBMP-9 avec le bFGF ou le NGF a montré la présence d’une différenciation neuronale accrue mise en évidence par la présence d’une croissance de neurites supérieure, par l’expression de plusieurs marqueurs de différenciation ainsi que par un niveau de calcium intracellulaire plus important. Pour conclure, ces travaux de recherche suggèrent que le SpBMP-9 possède un fort potentiel thérapeutique dans le contexte de l’AD. Une étude plus approfondie de ses mécanismes d’action est requise ainsi que la validation de son effet in vivo sur modèle animal.

Die vorliegende Diplomarbeit vergleicht statistische Verfahren und neuronale Netze als Instrumente der Vorhersage von Zeitreihen und zeigt Stärken und Schwächen beider Modelle auf. Der Nachweis wird anhand von Daten aus der Produktionsplanung von Industrieunternehmen sowie aus dem Bereich der Kieferorthopädie geführt. Ausgehend von den Ergebnissen werden Möglichkeiten zur Verbesserung der Vorhersage im Bezug auf die Datenmodellierung sowie die Architektur und die Eigenschaften neuronaler Netze diskutiert, sowie ein Vergleich der prinzipiellen implementierten Netztypen untereinander hinsichtlich der Vorhersagequalität und die Vorhersage betreffender Charakteristika durchgeführt. Im praktischen Teil der vorliegenden Arbeit wurden weitergehend die zur Vorhersage verwendeten neuronalen Netze in einer universell verwendbaren Bibliothek implementiert. Für den obig erwähnten Anwendungsbereich der Produktionsplanung mit Hilfe neuronaler Netze wurde ein kommerziell verwendbares Programmodul entwickelt. In diesem Zusammenhang werden Probleme diskutiert, die insbesondere im praktischen Einsatz neuronaler Netze auftreten können.

Die Zellmembran dient der Zelle nicht nur als äußere Hülle, sondern ist auch an einer Vielzahl von lebenswichtigen Prozessen wie Signaltransduktion oder Zelladhäsion beteiligt. Wasser als integraler Bestandteil von Zellen und der extrazellulären Matrix hat sowohl einen großen Einfluss auf die Struktur von Biomolekülen, als auch selbst besondere Merkmale in eingschränkter Geometrie. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Effekte an Modellmembranen untersucht: Erstens der Einfluss des Gegenions an kationischen Lipiden (DODAX, X = F, Cl, Br, I) auf die Eigenschaften des Grenzflächenwassers und zweitens das Vermögen durch Viskositätsänderungen das Wachstum von Nervenzellen anzuregen sowie die einzelnen Stadien der Bildung von neuronalen Netzwerken und deren Optimierung zu charakterisieren. Lipidmultischichten und darin adsorbiertes Grenzflächenwasser wurden mittels Infrarotspektroskopie mit abgeschwächter Totalreflexion untersucht. Nach Charakterisierung von Phasenverhalten und Wasserkapazität der Lipide wurden die Eigenschaften des Wassers durch kontrollierte Hydratisierung bei einem Wassergehalt von einem Wassermolekül pro Lipid verglichen. Durch die geringe Wasserkapazität können in diesem besonderen System direkte Wechselwirkungen zwischen Lipiden und Wasser aus der ersten Hydratationsschale beobachtet werden. Bemerkenswert strukturierte OH-Streckschwingungsbanden in Abhängigkeit des Anions und niedrige IR-Ordnungsparameter zeigen, dass stark geordnete, in ihrer Mobilität eingeschränkte Wassermoleküle an DODAX in verschiedenen Populationen mit unterschiedlich starken Wasserstoffbrückenbindungen existieren und sich vermutlich in kleinen Clustern anordnen. Die zweite Fragestellung hatte zum Ziel, das Wachstum von Nervenzellen auf Membranen zu beleuchten. Auf der Ebene einzelner Zellen wurde untersucht, ob sich in Analogie zu den bisher verwendeten elastischen Substraten, die Viskosität von Membranen als neuartiger physikalischer Stimulus dafür eignet, das mechanosensitive Verhalten von Neuronen zu modulieren. Das Wachstum der Neuronen wurde auf substrat- und polymergestützten Lipiddoppelschichten mittels Phasenkontrastmikroskopie beobachtet. Die Quantifizierung der Neuritenlängen, -auswuchsgeschwindigkeiten und -verzweigungen zeigten kaum signifikante Unterschiede. Diffusionsmessungen (FRAP) ergaben, dass entgegen der Erwartungen, die Substrate sehr ähnliche Fluiditäten aufweisen. Die Betrachtung der zeitlichen Entwicklung des kollektiven Neuronenwachstums, also der Bildung von komplexen Netzwerken, offenbarte robuste „Kleine-Welt“-Eigenschaften und darüber hinaus unterschiedliche Stadien. Diese wurden durch graphentheoretische Analyse beschrieben, um anhand typischer Größen wie dem Clusterkoeffizienten und der kürzesten Pfadlänge zu zeigen, wie sich die Neuronen in einem frühen Stadium vernetzen, im Verlauf eine maximale Komplexität erreichen und letztlich das Netzwerk durch effiziente Umstrukturierung hinsichtlich kurzer Pfadlängen optimiert wird.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die nanoskopische Analyse struktureller Differenzierung und Plastizität präsynaptischer aktiver Zonen (AZs) an der NMJ von Drosophila melanogaster mittels hochauflösender, lichtmikroskopischer Bildgebung von Bruchpilot (Brp). In erster Linie wurde das lokalisationsmikroskopische Verfahren dSTORM angewendet. Es wurden neue Analyse-Algorithmen auf der Basis von HDBSCAN entwickelt, um eine objektive, in weiten Teilen automatisierte Quantifizierung bis auf Ebene der Substruktur der AZ zu ermöglichen. Die Differenzierung wurde am Beispiel phasischer und tonischer Synapsen, die an dieser NMJ durch Is- und Ib-Neurone gebildet werden, untersucht. Phasische Is-Synapsen mit hoher Freisetzungswahrscheinlichkeit zeigten kleinere, kompaktere AZs mit weniger Molekülen und höherer molekularer Dichte mit ebenfalls kleineren, kompakteren Brp-Subclustern. Akute strukturelle Plastizität wurde am Beispiel präsynaptischer Homöostase, bei der es zu einer kompensatorisch erhöhten Neurotransmitterfreisetzung kommt, analysiert. Interessanterweise zeigte sich hier ebenfalls eine kompaktere Konfiguration der AZ, die sich auch auf Ebene der Subcluster widerspiegelte, ohne Rekrutierung von Molekülen. Es konnte demonstriert werden, dass sich eine höhere Moleküldichte in der Lokalisationsmikroskopie in eine höhere Intensität und größere Fläche in der konfokalen Mikroskopie übersetzt, und damit der Zusammenhang zu scheinbar gegensätzlichen Vorbefunden hergestellt werden. Die Verdichtung bzw. Kompaktierung erscheint im Zusammenhang mit der Kopplungsdistanz zwischen VGCCs und präsynaptischen Vesikeln als plausibles Muster der effizienten Anordnung molekularer Komponenten der AZ. Die hier eingeführten Analysewerkzeuge und molekularbiologischen Strategien, basierend auf dem CRISPR/Cas9-System, zur Markierung von AZ-Komponenten können zukünftig zur weiteren Klärung der Bedeutung der molekularen Verdichtung als allgemeines Konzept der AZ-Differenzierung beitragen. / The aim of this work was a nanoscopic analysis of structural differentiation and plasticity of presynaptic active zones (AZs) at the NMJ of Drosophila melanogaster using super-resolution light microscopy of Bruchpilot (Brp). The localization microscopy technique dSTORM was primarily used. New analysis algorithms based on HDBSCAN were developed to ensure objective and largely automatized quantification including the substructure of the AZ. Differentiation was assessed using the model of phasic and tonic neurons that are represented by type Is and type Ib neurons at this NMJ. Phasic Is synapses with higher release probability displayed smaller, more compact AZs with less molecules and an enhanced molecular density with smaller, more compact Brp subclusters. For acute structural plasticity the model of presynaptic homeostasis, which is accompanied by a compensatory increase of neurotransmitter release, was used. Interestingly, this again showed a more compact arrangement of the AZ, that was also found in Brp subclusters, without addition of molecules. It could be demonstrated that a higher molecular density in localization microscopy translates into a higher intensity and area in confocal microscopy and, thus, the apparent discrepancy to earlier studies could be explained. With respect to the coupling distance between VGCCs and presynaptic vesicles compaction appears to be a plausible mechanism for an efficient remodeling of AZ components. The analysis tools and molecular biology strategies, based on the CRISPR/Cas9-System, introduced here will be useful to further clarify the importance of molecular compaction as a general concept of AZ differentiation.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les mesures de plasticité synaptique ont historiquement impliqué l'utilisation de méthodes d'électrophysiologie qui, en intégrant les nombreux influx synaptiques, offrent une très grande sensibilité de détection de changements de forces synaptiques. Cette grande sensibilité se fait cependant aux dépens d'une information spatiale quant à la localisation des synapses subissant une plasticité. Sachant que la plasticité synaptique est un phénomène qui peut être indépendant d'une synapse à l'autre, il devient important d'avoir la possibilité de mesurer, à l'échelle synaptique, les changements moléculaires associés à cette plasticité. De nouveaux outils fluorescents développés dans les dernières décennies permettent maintenant de visualiser directement l'activité synaptique, la signalisation et le remodelage à l'échelle synaptique. Durant ma maîtrise en biophotonique, j'ai mesuré optiquement l'activité calcique résultant d'une libération spontanée de neurotransmetteurs à l'aide d'un nouveau senseur de calcium (Ca2+) génétiquement encodé, GCaMP6f. Pour ce faire, j'ai imagé par vidéo-microscopie des neurones d'hippocampes de rats en culture perfusés avec une solution sans Mg2+ contenant de la Tetrodotoxine (0Mg/TTX). J'ai observé, dans des compartiments dendritiques et dans des épines, des oscillations transitoires et localisées du Ca2+ intracellulaire, nommées influx synaptiques miniatures de Ca2+ (MSCTs). Afin de tester la possibilité de potentialiser les MSCTs, je les ai enregistrés avant et après un protocole de stimulation de 5 minutes reconnu pour induire une plasticité synaptique dans les neurones en culture (0Mg2+/Glycine/Bicuculline, cLTP). J'ai observé qu'une augmentation de la fréquence et de l'amplitude des MSCTs, pouvant persister parfois jusqu'à une heure, est induite par le protocole de stimulation. J'ai donc tenté d'identifier les mécanismes moléculaires de cette plasticité. Les MSCTs sont principalement générés par l'ouverture des récepteurs NMDA, car ils sont presque totalement bloqués par l'addition d'AP5, un antagoniste sélectif au récepteur. De plus, l'ajout d'AP5 durant le protocole de stimulation bloque la plasticité. Il semble donc que les MSCTs et leur plasticité sont dépendants des récepteurs NMDA. Fait intéressant, ni les MSCTs ni leur plasticité ne sont bloqués par le NBQX, un antagoniste des récepteurs AMPA, ce qui laisse supposer que la plasticité résulte possiblement de changements dans la quantité et la composition des récepteurs NMDA, en plus des modifications dans la signalisation du Ca2+ et dans la régulation de la libération de neurotransmetteurs. Également, alors que nous avons observé que l'activité enzymatique de la CaMKII n'est pas essentielle pour l'induction et l'expression de la plasticité, certains résultats préliminaires démontrent un possible rôle de la PKA. Afin de tester mes diverses hypothèses, j'ai également combiné l'imagerie de Ca2+ avec l'imagerie d'autres composants pré et postsynaptiques, afin d'identifier les mécanismes moléculaires responsables de la plasticité des MSCTs. Dans l'ensemble, cette nouvelle mesure de la plasticité synaptique présente le potentiel de fournir de nouvelles connaissances sur la diversité des processus moléculaires qui régissent la potentialisation synaptique. / Classical measurements of synaptic plasticity have involved electrophysiological methods which provide high sensitivity for detecting small changes in synaptic strength. However, this approach does not provide much information about the location of the synapses that undergo plastic changes. Because synaptic plasticity can be synapse-specific, having the ability to monitor changes in synaptic strength at individual synapses is important in order to enable simultaneously monitoring of local molecular mechanisms associated with the plasticity. New fluorescent tools developed in the last decades allow to directly visualize synaptic activity, signaling, and remodeling at individual synapses. During my Master studies, I used optical imaging of a genetically-encoded calcium (Ca2+) sensor, GCaMP6f, to record miniature synaptic Ca2+ transients (MSCTs) in cultured rat hippocampal neurons. For these experiments, I performed video-microscopy on neurons perfused with external solution lacking Mg2+ and containing Tetrodotoxin (0Mg2+/TTX). I have observed highly localized and transient increases of intracellular Ca2+ in dendritic compartments and spines. To test whether these MSCTs can be potentiated, I have measured them before and after a 5 min stimulation known to induce plasticity in cultured neurons (0Mg2+/Glycine/Bicuculline, cLTP). A lasting increase in the frequency and amplitude of MSCTs, for at least an hour, arose from this stimulation protocol. I have thus investigated the molecular mechanisms of this plasticity. The MSCTs are mostly mediated by NMDA receptors, since they are almost totally blocked by the selective antagonist to the receptor, AP5. Moreover, addition of AP5 only during the cLTP stimulation blocks the MSCT plasticity. It thus appears that both the MSCTs and their plasticity are NMDA receptor-dependent. Interestingly, the MSCTs and their plasticity are not blocked by the AMPA receptor antagonists NBQX, pointing to possible changes in NMDA receptor content, postsynaptic Ca2+ signaling, or presynaptic neurotransmitter release. Also, while we found that CaMKII signaling is non-essential for the induction of the plasticity, preliminary data are showing a plausible PKA-dependency of the plasticity. To test these hypotheses, I have also tried to combine Ca2+ imaging with imaging of other pre and postsynaptic components, to identify the molecular mechanisms responsible for the MSCT plasticity. Overall, this new approach presented in this thesis might provide new knowledge on the diversity of molecular processes that support synaptic potentiation.

L'apprentissage et la mémoire aux niveaux cellulaire et moléculaire se caractérisent par la modulation de la force synaptique en recrutant et relocalisant des protéines synaptiques à l'échelle nanométrique. La plupart des études portant sur les mécanismes de la plasticité synaptique se sont concentrées sur des synapses spécifiques, manquant ainsi d'une vue d'ensemble de la diversité des changements de force synaptique et de la réorganisation des protéines dans les circuits neuronaux. Nous utilisons une combinaison d'imagerie fonctionnelle et à super résolution dans des cultures dissociées d'hippocampe et des outils d'intelligence artificielle pour classifier la diversité de synapses en fonction de leurs caractéristiques fonctionnelles et organisationnelles. Nous avons mesuré l'activité synaptique en utilisant la microscopie à grand champ pour enregistrer des événements calciques dans des neurones exprimant le senseur calcique fluorescent GCaMP6f. Nous avons développé une approche d'apprentissage profond pour détecter et segmenter ces événements calciques. Nous montrons la modulation de l'amplitude et de la fréquence des événements calciques en fonction de l'activité neuronale. En outre, nous avons classifié les synapses actives et nous avons identifié un recrutement différentiel de certains types de synapses en fonction du paradigme de plasticité utilisé. Comme l'organisation des protéines synaptiques à l'intérieur de domaines nanométriques des synapses joue un rôle central dans la force et la plasticité synaptiques, nous résolvons l'organisation des protéines d'échafaudage présynaptiques (Bassoon, RIM1/2) et postsynaptiques (PSD95, Homer1c) en utilisant la nanoscopie STED (Déplétion par émission stimulée). Nous avons quantifié l'organisation synaptique à l'aide d'une analyse statistique de la distance entre objets basée sur Python (pySODA). Nous montrons que les stimuli induisant la plasticité modifient de manière différentielle l'organisation de ces protéines. En particulier, les protéines PSD95 et Bassoon présentent un changement d'organisation dépendant d'un traitement induisant une potentiation synaptique ou une dépression synaptique. De plus, à l'aide d'approches d'apprentissage automatique non supervisées, nous révélons la riche diversité des sous-types de protéines synaptiques présentant un remodelage différentiel. Pour étudier le lien entre l'architecture des protéines synaptiques et la force synaptique, nous avons combiné l'imagerie fonctionnelle et l'imagerie à super-résolution. Nous avons donc utilisé une approche d'apprentissage automatique pour optimiser les paramètres d'imagerie des cellules vivantes pour l'imagerie à haute résolution et nous avons combiné cela avec l'optimisation des paramètres de déblocage du glutamate pour sonder les signaux calciques correspondants. Notre approche permet de caractériser la population de synapses en fonction de leur taux d'activité et de leur organisation de protéines synaptiques et devrait fournir une base pour explorer davantage les divers mécanismes moléculaires de la plasticité synaptique. / Learning and memory at the cellular and molecular levels are characterized by modulation of synaptic strength, involving the recruitment and re-localization of proteins within specific nanoscale synaptic domains. Most studies investigating the mechanisms of synaptic plasticity have been focussed on specific synapses, lacking a broad view of the diversity of synaptic changes in strength and protein re-organization across neural circuits. We use a combination of functional and super-resolution optical imaging in dissociated hippocampal cultures and artificial intelligence tools to classify the diversity of synapses, based on their functional and organizational characteristics. We measured synaptic activity using wide field microscopy to record miniature synaptic calcium transients (MSCTs) in neurons expressing the fluorescent calcium sensor GCaMP6f. We developed a deep learning approach to detect and segment these calcium events. Our results show that the amplitude and frequency of miniature calcium events are modulated by prior levels of circuit activity. In addition, we classified active synapses and identify differential recruitment of certain calcium dynamics depending on the plasticity paradigm used. To link the nanoscale organization of synaptic proteins with synaptic strength and plasticity, we optically resolved the organization of presynaptic (Bassoon, RIM1/2) and postsynaptic (PSD95, Homer1c) scaffolding proteins using STED (Stimulated Emission Depletion) nanoscopy. Using Python-based statistical object distance analysis (pySODA), we show that plasticity-inducing stimuli differentially alter the spatial organization of these proteins. In particular, PSD95 and Bassoon proteins show a treatment-dependent change in organization, associated either with synaptic potentiation or depression. Furthermore, using unsupervised machine learning approaches, we reveal the rich diversity of synaptic protein subtypes exhibiting differential remodeling. To investigate further the link between synaptic protein architecture and synaptic function, we aimed to combine functional and super-resolution imaging. We therefore used a machine learning approach to optimize live-cell imaging parameters for time-lapse imaging and combined this with the optimization of glutamate uncaging parameters to probe corresponding calcium signals. Our approach allows to characterize the population of synapses in terms of their activity rate and synaptic protein organization, providing a basis for further exploring the diverse molecular mechanisms of synaptic plasticity.

Le système visuel permet d’analyser et d’interpréter le monde qui nous entoure. L’intégration des stimuli visuels résulte de processus physiologiques et adaptatifs complexes. Ces processus adaptatifs font référence aux mécanismes de plasticité et à leur capacité à remodeler structurellement et fonctionnellement les circuits neuronaux. Fondamentale, la plasticité neuronale permet de s’adapter à son environnement. Les processus neurodéveloppementaux et adaptatifs consécutifs à une lésion dépendent en grande partie de mécanismes de plasticité, retrouvés dans l’ensemble du système nerveux central. De nombreux acteurs de la physiologie et de la plasticité neuro-visuelle ont été étudiés, souvent avec un objectif thérapeutique. Associée aux processus neurodégénératifs sous-jacents à de nombreuses neuropathologies, Tau, une protéine associée aux microtubules jouant un rôle dans le remodelage synaptique mais aussi dans la dynamique du cytosquelette, n’a jamais été étudiée dans la physiologie rétinienne et la plasticité visuelle. Notre hypothèse est que chez la souris adulte, Tau influence la physiologie rétinienne et les mécanismes de neuroplasticité visuelle. Notre premier objectif était d’étudier l’influence de la protéine Tau dans la physiologie rétinienne au cours du vieillissement. Nous avons comparé des souris exprimant la protéine Tau humaine dans un modèle de tauopathie modérée (hTau) à des souris déficientes pour la protéine Tau (Tau KO). L’influence de la protéine Tau dans la rétine est principalement étudiée d’un point de vue pathologique dans des modèles de tauopathies sévères associés à une surexpression de Tau mutée ou une augmentation pathologique de sa phosphorylation. Notre choix d’étudier les souris hTau reposait sur le fait que ces souris expriment la protéine Tau humaine non mutée et donc représentent un modèle plus proche de ce que l’on retrouve chez l’Homme. Cette étude a démontré que l’expression de la protéine Tau n’influençait pas la physiologie rétinienne au cours du vieillissement. Cette étude a suggéré également une toxicité neuronale différentielle de Tau entre la rétine et le cerveau dans un modèle modéré de tauopathie. Notre deuxième objectif était d’étudier l’influence de Tau dans la plasticité dépendante de l’expérience visuelle chez la souris adulte grâce au modèle de privation monoculaire. Tau est connue pour être impliquée dans les mécanismes de potentialisation à long terme. Cette seconde étude a permis de démontrer chez des souris sauvages (WT) que l’expression de Tau était modulée au cours du développement mais aussi au cours de l’induction de la plasticité visuelle en réponse à la privation monoculaire dans le cortex visuel. Grâce à l’étude du réflexe optocinétique permettant d’étudier l’acuité visuelle, en utilisant des souris Tau KO et des contrôles WT, nos résultats ont montré que Tau limite la plasticité visuelle chez l’adulte. L’analyse des cortex visuels a révélé un niveau d’expression de protéines associées à la plasticité plus élevé chez les souris Tau KO. Ces données ont permis de déterminer que la protéine Tau limite la plasticité visuelle chez la souris adulte. Notre troisième objectif était d’étudier le rôle de Tau dans la survie neuronale et la régénération axonale dans un modèle de lésion du nerf optique chez la souris adulte. La survie neuronale a été quantifiée sur rétines entières étalées et la régénération a été analysée par comptage des axones marqués grâce à un traceur antérograde injecté dans l’humeur vitrée. En utilisant des souris Tau KO et WT, nos analyses ont démontré que la protéine Tau n’influence ni la survie, ni la régénération axonale et ce, même lorsque la repousse axonale était favorisée par la libération soutenue de CNTF (ciliary neurotrophic factor), un facteur neurotrophique. Ces données ont mis en évidence que Tau n’influençait pas la survie neuronale et la régénération neuronale chez l’adulte. L’ensemble de nos résultats suggère donc que : 1/ Tau n’influence pas la physiologie rétinienne au cours du vieillissement et dans un modèle de tauopathie modérée, 2/ Tau limite la plasticité dépendante de l’expérience visuelle et 3/ Tau n’influence pas les mécanismes de survie neuronale et de régénération axonale du nerf optique. Pris ensemble, ces travaux mettent en évidence l’implication de Tau dans physiologie et les mécanismes de plasticité dans le système visuel. Ce nouveau rôle de Tau pourrait, à terme, mener au développement de nouvelles stratégies thérapeutiques dans le système visuel mais aussi plus généralement dans le système nerveux central lors d’altérations de la plasticité neuronale. / The visual system allows us to analyze and interpret the world around us. The integration of visual stimuli results from complex physiological and adaptive processes. These adaptive processes refer to the mechanisms of plasticity and their ability to structurally and functionally reshape neural circuits. Basically, neuronal plasticity allows to adapt to the environment. The neurodevelopmental and adaptive processes consecutive to a lesion are largely dependent on mechanisms of plasticity found throughout the central nervous system. Many factors in physiology and neuro-visual plasticity have been studied, often with a therapeutic objective. Associated with the neurodegenerative processes underlying many neuropathologies, Tau, a microtubule-associated protein playing a role in synaptic remodeling but also in the dynamics of the cytoskeleton, has never been studied in retinal physiology and visual plasticity. Our hypothesis is that in adult mice, Tau influences retinal physiology and the mechanisms of visual neuroplasticity. Our first objective was to study the influence of the Tau protein in retinal physiology during aging. We compared mice expressing human Tau protein in a model of moderate tauopathy (hTau) to mice deficient in Tau protein (Tau KO). The influence of the Tau protein in the retina is most often studied from a pathological point of view in severe tauopathy models associated with an overexpression of mutated Tau or a pathological increase in its phosphorylation. Our choice to study hTau mice was based on the fact that these mice express the unmutated human Tau protein and therefore represent a model closer to what is found in humans. This study demonstrated that the Tau protein expression does not influence retinal physiology during aging. Also, this study suggested differential neuronal toxicity of Tau between the retina and the brain. Our second objective was to study the influence of Tau in visual experience-dependent plasticity in adult mice using the monocular deprivation model. Tau protein has been reported to be involved in long-term potentiation mechanisms. This study demonstrated in wild mice (WT) that the expression of Tau was modulated during development but also during the induction of visual plasticity in response to monocular deprivation in the visual cortex. Thanks to the study of the optokinetic reflex, using Tau KO mice and WT controls, our results showed that Tau limits visual plasticity in adults. Analysis of visual cortices revealed a higher level of expression of proteins associated with plasticity in Tau KO mice. These findings highlighted that Tau protein is an important factor in visual plasticity of the adult mice. Our third objective was to study the role of Tau in neuronal survival and axonal regeneration in a model of optic nerve damage in adult mice. Neuronal survival was quantified on whole flat-mount retinae and regeneration by counting stained regenerated axons using an anterograde tracer injected into the vitreous humor. Using Tau KO and WT mice, our analyzes demonstrated that the Tau protein does not influence survival or axonal regeneration significantly, even when axonal regrowth was improved by the sustained release of CNTF (ciliary neurotrophic factor), a neurotrophic factor. These data demonstrated that Tau does not influence retinal survival and neuronal regeneration in adults. All of our results therefore suggest that: 1 / Tau does not influence retinal physiology during aging and in a mild model of tauopathy, 2 / Tau limitates plasticity dependent on visual experience and 3 / Tau does not influence retinal survival and axonal regeneration mechanisms of the optic nerve. Overall, this work highlights Tau's involvement in physiological and neuronal plasticity mechanisms in the visual system. This new role of Tau could ultimately lead to the development of new therapeutic strategies in the visual system but also more generally in the central nervous system during alterations in neuronal plasticity.