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.

La plasticité synaptique représente un mécanisme fondamental de l'apprentissage et de la mémoire au cours du développement et durant la vie adulte. Au niveau moléculaire, il est connu que la CaMKII joue un rôle important dans la plasticité et la maturation des synapses. L'objectif était de démontrer par mesure électrophysiologique que la translocalisation de la CaMKII à la synapse est nécessaire à la potentialisation à long terme (LTP) des courants synaptiques. Pour tester cette hypothèse, une étape critique devait d'abord être franchie, celle d'établir une méthode robuste pour induire de la LTP dans des neurones d'hippocampe de rat maintenus en culture, où on peut manipuler l'expression et la dynamique spatiale de la CaMKII. Ce mémoire montre que cette première étape n ' a pu être établie et qu'ainsi l'hypothèse de départ n'a pu être testée. Néanmoins, je présente une méthode candidate prometteuse, faisant appel à une lumière intense, pour augmenter la fréquence des événements synaptiques. De plus, j ' a i développé un outil qui permettra bientôt d'automatiser les mesures d'électrophysiologie et microscopie nécessaires pour tester l'hypothèse de départ. Il devrait entre autre accélérer notre capacité de trouver un protocole optimal pour induire de la LTP en culture en testant un plus grand nombre de conditions expérimentales de manière rapide et reproductible.

Pour mieux comprendre les processus moléculaires à la base de la communication synaptique, il est nécessaire de pouvoir observer et contrôler l’activité synaptique avec une grande précision temporelle (ms) et spatiale (échelle nanométrique). Mon projet propose d’utiliser une technique de stimulation optique localisée basée sur l’excitation plasmonique de nanoparticules d’or (Nanoparticle Assisted Localized Optical Stimulation – NALOS) afin de produire une stimulation synaptique localisée sur une seule synapse. NALOS peut être réalisé en utilisant un microscope confocal équipé d’un laser infrarouge femtoseconde pour stimuler des nanoparticules d’or déposées sur les neurones en culture. Il a été démontré qu’il est possible d’induire avec NALOS une augmentation transitoire de Ca2+ intracellulaire sur une dendrite, mesurée avec l’aide de GCaMP6s, un indicateur de Ca2+ génétiquement encodé1 . Afin de mieux comprendre les effets physiologiques de NALOS sur les neurones, la première partie de mon projet vise à caractériser le mécanisme sous-jacent à la technique. Pour ce faire, nous avons varié la puissance de la stimulation laser sur les nanoparticules d’or pour caractériser les différentes réponses calciques transitoires intracellulaires obtenues ainsi que la possible formation de trous sur la membrane. Nous avons ensuite identifié les principaux récepteurs et canaux ioniques pouvant être stimulés avec NALOS en utilisant différents antagonistes. Nous avons ensuite appliqué NALOS pour générer une stimulation synaptique. Pour y parvenir, nous avons stimulé localement un axone et observé la réponse calcique reliée à une stimulation synaptique par relâchement naturel de glutamate via des vésicules de la zone active présynaptique. Cet outil permettra donc de stimuler et d’observer, une synapse à la fois, des changements structurels et moléculaires reliés à la communication synaptique. / To better understand the molecular processes underlying synaptic communication, it is necessary to be able to observe and control synaptic activity with high temporal (ms) and spatial (nanoscale) precision. My project proposes using a localized optical stimulation technique based on the plasmonic excitation of gold nanoparticles (Nanoparticle Assisted Localized Optical Stimulation – NALOS) to produce synaptic stimulation localized at a single synapse. NALOS can be performed using a confocal microscope equipped with an infrared femtosecond laser to stimulate gold nanoparticles deposited on cultured neurons. It has been shown that NALOS can induce a transient stimulation of intracellular Ca2+ on a dendrite, measured with the help of GCaMP6s, a genetically encoded Ca2+ indicator1 . For a better understanding the physiological effects of NALOS on neurons, the first part of my project aims to characterize the mechanism underlying this technique. To do this, we varied the power of laser stimulation on gold nanoparticles to decipher the different intracellular transient Ca2+ responses obtained as well as to investigate the possible formation of holes on the membrane. We then determined the main receptors and ion channels that can be stimulated with NALOS. We then applied NALOS to generate synaptic stimulation. To do this, we locally stimulated an axon and look at the Ca2+ response related to synaptic stimulation by natural release of glutamate via vesicles of the presynaptic active zone. This tool will thus make it possible to stimulate and observe, one synapse at a time, structural and molecular changes related to synaptic communication

Les ganglions de la base (GB) sont formés de structures sous-corticales essentielles à un comportement psychomoteur normal. Le dérèglement d’une seule de ces composantes provoque un comportement moteur inadapté qui peut être très handicapant. La maladie de Parkinson est la pathologie neurodégénérative la plus fréquente affectant les GB. Elle est principalement caractérisée par la dégénérescence progressive des neurones dopaminergiques (DA) de la substance noire pars compacta provoquant l’apparition de symptômes moteurs tels que la bradykinésie, la rigidité musculaire et le tremblement au repos. Cependant, le bouleversement majeur de l’innervation DA des GB conduit également à plusieurs autres changements neuroadaptatifs et compensatoires. Les travaux de recherche décrits dans cette thèse traitent de plusieurs de ces changements qui affectent la microcircuiterie des ganglions de la base et qui se produisent en marge de la perte massive des neurones DA. Tout d’abord, une étude portant sur l’innervation à sérotonine (5-HT) des ganglions de la base en condition normale et effectuée à partir de cerveaux post-mortem humains sera présentée. Cette étude immunohistochimique a permis de décrire la trajectoire qu’empruntent les faisceaux d’axones 5-HT en provenance des noyaux du raphé du tronc cérébral afin d’innerver les différentes composantes des GB. Ensuite, une description plus précise de l’arborisation axonale unitaire des neurones 5-HT provenant du noyau raphé dorsal chez le rat sera apportée. L’injection par microiontophorèse d’un traceur antérograde a permis de marquer et de reconstruire en trois dimensions l’arborisation axonale complète de plusieurs neurones, mettant ainsi en lumière l’hétérogénéité des projections 5-HT ascendantes. Les études seront ensuite présentées ont été effectuées à partir de modèles animaux de la maladie de Parkinson et mettent en valeur d’importants changements compensatoires. Ces travaux ont permis d’identifier de nouveaux phénomènes neuroadaptatifs concernant l’innervation DA et 5-HT du striatum et du globus pallidus (GP) suite à une lésion DA chez le singe cynomolgus (Macaca fascicularis). L’immunohistochimie combinée à une méthode quantitative stéréologique a conduit à mettre en évidence un bourgeonnement important des axones 5-HT dans le striatum ainsi que dans le GP. Une description précise en microscopie électronique de la structure morphologique fine suggère que les nouvelles varicosités axonales 5-HT retrouvées dans le striatum sont fonctionnelles et présentent davantage de contacts synaptiques, en lien avec un phénomène de bourgeonnement axonal. Contrairement à la dénervation DA massive du striatum, nos résultats indiquent une augmentation de près de dix fois le nombre d’axones DA dans le segment interne du GP. Finalement, des reconstructions du domaine somatodendritiques de neurones du striatum effectuées suite à l’injection intracellulaire de fluorophores ont mis en lumière un nouveau sous-type de neurones de projection du striatum. Ces injections effectuées chez un modèle murin de la maladie de Parkinson nous permettent de conclure que ce sous-type de neurones est affecté différemment par une dénervation DA. Dans l’ensemble, les travaux présentés dans cette thèse soulèvent l’importance de l’innervation DA et 5-HT dans le fonctionnement normal des GB, ainsi que les changements neuroadaptatifs qui surviennent dans la maladie de Parkinson. La description précise de ces changements morphologiques doit être prise en compte afin de mieux comprendre l’expression des symptômes moteurs et non-moteurs de la maladie de Parkinson et expliquer l’apparition des dyskinésies qui surviennent chez une vaste majorité des patients parkinsoniens suite à l’administration quotidienne de L-Dopa, principal traitement pharmacologique de la maladie. / The basal ganglia are a set of subcortical structures involved in psychomotor behaviour. Parkinson’s disease is the most common neurodegenerative disorder affecting the basal ganglia. The slow and progressive degeneration of dopamine (DA) neurons located in the substantia nigra pars compacta leads to disabling motor symptoms such as bradykinesia, resting tremor and rigidity. This work aims at describing the compensatory mechanisms affecting other neuronal systems and designed to compensate for the massive loss of the DA innervation of the basal ganglia. The thesis begins with a post-mortem human study of the main serotonin (5-HT) pathways arising from the raphe nuclei and innervating the different basal ganglia components in normal condition. The next chapter contains a morphological study providing the first detailed description of single axons arising from the dorsal raphe nucleus (DRN) in rats. In order to achieve our goal, under electrophysiological guidance, microiontophoretic tracer injections of an anterograde tracer were placed in the DRN to provide three-dimensional axonal reconstructions of single 5-HT neurons. Other studies presented were performed in animal models of Parkinson’s disease and brought to light new compensatory mechanisms involving the 5-HT and DA innervation of the basal ganglia. Two articles contain data on major neuroadaptative changes of DA and 5-HT innervation of the striatum and the globus pallidus (GP), following a DA lesion in cynomolgus monkeys (Macaca fascicularis). Immunohistochemistry combined to unbiased quantitative approaches indicate an important sprouting of 5-HT axons in the monkey striatum and GP. Interestingly, in contrast to the massive striatal DA denervation, we report a ten-time increase of the number of DA axons in the GP internal segment of parkinsonian monkeys. Electron microscopy study suggests that the newly-formed 5-HT axon varicosities observed in the striatum establish more synapses after DA lesion, in line with the sprouting of 5-HT axons. The last chapter contains a meticulous morphological study of a peculiar population of medium spiny neurons endowed with a dendritic arborization that is less affected by DA lesion in mice. In summary, studies presented in this doctoral thesis shed a new light on some of the compensatory mechanisms observed in different basal ganglia components and designed to cope for the massive loss of DA neurons that characterize Parkinson’s disease. The compensatory mechanisms outlined in this work should be taken into account to better understand the expression of motor and non-motor symptoms as well as the expression of dyskinesia induced by long-term pharmacological treatment with L-Dopa.

La douleur ainsi que l’apprentissage moteur sont deux éléments importants à considérer en contexte de réadaptation. Même s’ils sont souvent abordés de manière isolée, des interactions ont été identifiées entre ces deux phénomènes. En effet, de nombreuses études montrent que les exercices de réadaptation musculaire pourraient réduire le développement de douleur pathologique. D’autre part, il semble que l’activité nociceptive pourrait altérer la plasticité du système moteur, une composante essentielle dans l’apprentissage d’une tâche motrice. Des recherches récentes ont aussi montré que la douleur pouvait interférer avec la plasticité du système moteur, même après que les signaux de douleurs se soient dissipés. Toutefois, ces observations ont été faites chez l’animal à la suite d’une lésion de la moelle épinière. De ce fait, la compréhension de cette interaction entre le système nociceptif et la plasticité motrice est assez limitée. Dans ce mémoire, l’effet d’un épisode de douleur passé sur la capacité d’apprentissage d’une tâche motrice a été évalué, chez le rat intact. Pour ce faire, nous avons élaboré une tâche dans laquelle les rats devaient apprendre à se déplacer d’un côté à l’autre d’un couloir sur des barres métalliques dont l’espacement pouvait être modifié. L’injection de substances inflammatoires à différentes durées d’action a permis d’identifier l’impact d’un épisode de douleur récent sur la capacité d’apprentissage d’une tâche motrice. Nos résultats montrent que, tout comme chez l’animal ayant une lésion de la moelle épinière, la douleur peut interférer avec l’apprentissage d’une tâche motrice même lorsque le système nerveux est intact. De plus, il semble que les déficits d'apprentissage moteur puissent également être influencés par la durée de l'épisode douloureuse antérieure. / Pain and motor learning are two important elements in rehabilitation context. Despite being mostly studied independently, important interactions exist between them in the context of spinal cord injury. Indeed, many studies show that rehabilitation exercises could reduce the development of pathological pain. On the other hand, it seems that the nociceptive activity could alter motor system plasticity. Recent studies have also shown that pain can interfere with motor plasticity, even when the acute pain signals have dissipated. However, these observations have mostly been made in animals following a spinal cord injury. As a result, this interaction between the nociceptive system and motor plasticity is poorly understood. In this master’s thesis, the effect of a prior pain episode on the motor learning ability was evaluated in neurologically intact rats. To do this, we trained rodents to walk on a custommade horizontal ladder. After initial training, the rats underwent a week-long rest, during which they were randomly assigned to a control group, or one out of two pain conditions. Nociceptive stimuli were then used to identify the impact of a prior pain episode on the motor learning ability. Our results show that pain can interfere with motor learning even in neurologically intact animals. Motor learning deficits also appear to be influenced by the duration of the previous pain episode. Taken together, these results suggest that previous pain episodes may negatively influence motor learning, and that the amplitude and duration of the learning disability is proportional to the duration of the prior pain episode.

L'accident vasculaire cérébral (AVC), est un problème de santé majeur au niveau mondial. Les traitements de réadaptation visent à réduire le fardeau individuel et sociétal engendrés par l'AVC, via l'amélioration de l'indépendance fonctionnelle et des déficiences sensoriels et moteurs. Par contre, la plupart des survivants conservent des séquelles chroniques et ce, malgré l'accès à des soins de réadaptation intensifs et spécialisés. La recherche se penche donc sur l'utilisation de technologies novatrices et sécuritaires pour notamment tenter de dépasser les gains obtenus en clinique. Parmi les différentes approches actuellement évaluées en recherche, les appareils de neurostimulation périphérique semblent favoriser la récupération des fonctions sensorimotrices, via la production massive d'informations somatosensorielles (cutanées et proprioceptives). Ces afférences forceraient le système nerveux central lésé à s'adapter, offrant une fenêtre temporelle pendant laquelle le cerveau serait dans un meilleur état pour recevoir une thérapie. Malgré ces données intéressantes, le manque de connaissances limite le transfert clinique de ces approches. En particulier, le rôle des afférences proprioceptives vs. cutanées sur les effets de la neurostimulation périphérique demeurent à ce jour mal compris. L'objectif principal de la thèse était de déterminer si la nature des afférences sensorielles recrutées par neurostimulation périphérique a un impact sur la plasticité cérébrale et les déficiences sensorimotrices chez une clientèle AVC au stade chronique. Les cinq études du doctorat visaient plus précisément à : (i) évaluer les propriétés métrologiques (fidélité et changement minimal détectable) d'un outil de mesure neurophysiologique (stimulation magnétique transcrânienne – TMS) utilisé dans la thèse pour tester la plasticité cérébrale (études 1 et 2); (ii) approfondir les connaissances reliées aux paramètres d'application et afférences produites par deux approches de neurostimulation périphérique, soit la rPMS (stimulation magnétique périphérique répétitive) et la NMES (stimulation électrique neuromusculaire) (étude 3); (iii) développer et valider une approche standardisée permettant d'induire des illusions de mouvement par vibration musculo-tendineuse (VIB), puis débuter son processus de validation (étude 4); (iv) déterminer l'influence des afférences sensorielles sur la plasticité cérébrale et la récupération sensorimotrice chez des personnes au stade chronique post-AVC en comparant les effets aigus de trois interventions de neurostimulation périphérique (NMES, rPMS, VIB) avec une séance d'exercices (étude 5). Dans l'ensemble, les résultats des études supportent : (i) que les évidences actuelles ne permettent pas de conclure sur la fidélité des mesures TMS, mais que les erreurs de mesure observées encouragent l'utilisation de ces mesures pour suivre des changements de groupe plutôt qu'individuels; (ii) que notre procédure standardisée utilisant les illusions de mouvement induites par la VIB est valide chez des individus au stade chronique post-AVC et (iii) que le recrutement préférentiel des afférences proprioceptives semble plus efficace pour favoriser la plasticité cérébrale et l'amélioration des déficiences sensorimotrices chez des individus vivant avec les séquelles chroniques d'un AVC. Toutefois, avant de considérer un potentiel transfert clinique des approches étudiées dans la thèse, des études supplémentaires devront évidemment reproduire nos résultats et approfondir les diverses réflexions soulevées.

NOTICE EN COURS DE TRAITEMENT / L'imagerie cérébrale englobe un éventail de techniques qui permettent la collecte de données neurobiologiques abondantes présentant de l'hétérogénéité dans leur composition chimique. Pour analyser et décrire leur complexité, de nombreuses mesures morphométriques sont extraites afin de caractériser les événements observés. Cependant, sur la base de ces caractéristiques morphométriques, les données semblent souvent homogènes lors de l'analyse. Pour saisir et comprendre la diversité de ces phénomènes biologiques, nous avons choisi d'utiliser des méthodes computationnelles, notamment la réduction de dimension des données et le regroupement. Dans cette thèse, nous présenterons deux exemples d'application. La première partie est consacrée à l'étude de l'hétérogénéité des cellules en migration dans le cerveau en fonction de leur dynamique migratoire. La migration cellulaire est un phénomène important dans le développement du cerveau, notamment dans le cadre des troubles neurodéveloppementaux. Les précurseurs neuronaux, appelés neuroblastes, changent de formes lors de leur migration. Il existe deux phases pour ce processus, une phase stationnaire et une phase migratoire. L'objectif de cette étude est de déterminer si ces populations de neuroblastes peuvent être séparées sur la base de leurs propriétés migratoires mais également d'utiliser des méthodes d'analyses statistiques pour trouver les différentes sous-populations afin de déterminer lesquelles sont communes. Enfin, nous avons étudié les propriétés migratoires de ces différentes populations des neuroblastes en venant perturber la migration à l'aide de modifications génétique ou environnementale. La seconde partie porte sur l'étude de la plasticité structurelle, qui fait référence à la capacité qu'ont deux neurones à former une connexion, appelée synapse, qui peut se renforcer ou s'affaiblir. Ces changements synaptiques sont essentiels pour les processus d'apprentissage et de mémoire. En examinant des images de dendrites du bulbe olfactif prises avec un microscope confocal, on observe des protrusions sur la surface de la dendrite qui servent à recevoir les entrées synaptiques. Pour analyser ces images, nous avons développé un pipeline computationnel destiné à prétraiter les images et extraire les épines dendritiques. À la suite de la reconstruction 3D de la dendrite, nous avons extrait les épines et calculé plusieurs métriques, telles que la longueur et la surface de l'épine, des indicateurs couramment utilisés dans l'analyse des épines dendritiques. En procédant à une réduction de la dimensionnalité du jeu de données et à son partitionnement, nous avons relié la morphologie de chacune de ces sous-populations à leurs propriétés structurelles. Enfin, nous avons comparé le groupe contrôle et le groupe expérimental dans le cas de trois expériences olfactives, deux tâches de renforcement, et une de déprivation, qui ont conduit à des changements de plasticité. Les résultats montrent que la morphologie des épines ou leurs densités sont affectées par ces différentes conditions. En résumé, nous avons développé des outils computationnels permettant de révéler l'hétérogénéité des neurones en développement en fonction de leur dynamique migratoire et de leurs propriétés structurelles. / Brain imaging encompasses a range of techniques that enable the collection of abundant neurobiological data that presents heterogeneity in their chemical composition. To analyse and describe their complexity, numerous morphometric metrics are extracted to characterise the observed events. However, based on these morphometric features, the data often appear homogeneous during analysis. To grasp and understand the diversity of these biological phenomena, we have chosen to use computational methods including dimension reduction of data and clustering. In this thesis, we will present two application examples. The first part is devoted to the study of the heterogeneity of migrating neuronal cells based on their migratory dynamics. Cell migration is an important phenomenon in brain development, particularly in the context of neurodevelopmental disorders. Neuronal precursors, called neuroblasts, change shape during their migration. There are two phases for this process, so-called stationary phase and a migratory phase. The aim of this study is to determine whether neuroblasts can be separated to different sub-populations based on their migratory properties and to use statistical analysis methods to find the different subpopulations and determine which ones are common. Finally, we have studied the migratory properties of these different neuroblast populations by disrupting migration using genetic or environmental modifications. The second part focuses on the study of synaptic plasticity, which refers to the capacity of two neurons to form a connection, called a synapse, which can strengthen or weaken. These changes are central to the synaptic remodelling that occurs during the learning and memory phase. From images of dendrites, taken with a confocal microscope in the olfactory bulb, we have set up a computational pipeline to perform image pre-processing and then extract dendritic spines, which are protrusions on the surface of the dendrite that serve to receive synaptic inputs. After 3D reconstruction of the dendrite, these spines are extracted, and several metrics are calculated, including the length and surface area of the spine, which are standard metrics in spine analysis. After dimension reduction of the dataset and clustering, we have linked the morphology of each of these subpopulations to their structural properties. Finally, we have compared the control group and the experimental group in the case of three experiments that led to plasticity changes. The results show that the morphology of spines or their densities are affected by these different conditions. In summary, we have developed computational tools that reveal the heterogeneity of developing neurons based on their migratory dynamics and structural properties.

Les neurones sont des cellules polarisées qui présentent un seul axone et de nombreuses dendrites courtes. Les réarrangements du cytosquelette, l'augmentation du transport dépendant des microtubules et le couplage mécanique du cytosquelette d'actine à la membrane plasmique sont nécessaires pour établir cette polarité neuronale. Les Myosines 1 qui couplent le cytosquelette d'actine à la membrane plasmique sont des bons candidats pour réguler l'axonogenèse. La Myosine1b étant fortement exprimée dans le cerveau en développement, nous avons donc étudié son rôle dans l'axonogenèse. L'inhibition de l'expression de Myo1b dans les neurones corticaux retarde la différenciation neuronale et empêche l'axonogenèse et l'établissement de la polarité neuronale. La surexpression de Myo1b accélère le développement neuronal et induit la formation d'axones surnuméraires. L'activité motrice et l'interaction de Myo1b avec des phosphoinositides via son domaine PH est nécessaire pour ce processus. Myo1b est associée et contrôle la formation d'ondes d'actine antérogrades qui 'cross-talk" avec les microtubules pour diriger le transport de la kinésine1 sur les microtubules et conduire à la formation de l'axone. L'inhibition de Myo1b empêche la propagation des ondes d'actine et le mouvement de KIF5560 une version constitutivement active du moteur Kinésine 1 associé aux microtubules. L' activité motrice et le domaine PH de Myo1b sont nécessaire à la propagation des ondes d'actine. Nos résultats indiquent que la Myosine 1b contrôle la rupture de la symétrie axonale et la formation de l'axone en contrôllant l'orientation de la polymérisation d'actine à la membrane dans les ondes d'actine antérograde. / Neurons are highly polarized cells, with a long axon and multiple short dendrites. Rearrangements of cytoskeleton, increased microtubule-based transport and coupling mechanically actin cytoskeleton to plasma membrane are required for the establishment of neuronal polarity. Class 1 Myosin, with the unique property to couple mechanically actin cytoskeleton to plasmamembrane are good candidate for regulatin axonogenesis. Myosin1b is highly expressed in developing brain where it was first identified. Thus, we investigated its role in axonogenesis. Depletion of endogenous Myo1b in cultured cortical neurons delays the neuronal differentiation and impairs the axonogenesis and the establishment of the neuronal polarity. The overexpression of Myosin1b rushes the neuronal development and promotes the formation of supernumerary axon-like structures. Myo1b requires its motor activity and its interaction with phosphoinositides via its PH motif to promote the axonogenesis. Myo1b associates and controls the formation of anterograde actin waves that cross-talk with microtubules to direct microtubules-bases transport of kinesin-1, and drive axon formation. Myo1b depletion impairs the propagation of actin waves and the translocation of KIF5560, a constitutively active version of the microtubules motor Kinesin-1. The motor activity and interaction with phosphoinositides of Myo1b are also required for the propagation of actin waves. Together our data indicate that myosin1b controls the neuronal symmetry breaking and the axogenesis by controlling the orientation of the actin polymerization to the membrane in the waves that drive the propagation of anterograde actin waves.

Les neurones du cortex sont organisés en réseaux qui permettent de réaliser des fonctions complexes. Des anomalies des connexions neuronales qui forment ces réseaux peuvent altérer son fonctionnement et générer des activités pathologiques comme c’est le cas dans certaines formes d’épilepsie. L’épilepsie-absence est caractérisée par des crises généralisées non-convulsives présentant lors d’un enregistrement électroencéphalographique des décharges de pointes-ondes (DPO) bilatérales et synchrones qui s’accompagnent d’une altération de la conscience. Plusieurs équipes ont montré chez l’Homme et dans des modèles animaux que ces DPO sont initiées au niveau du cortex. Cependant, notre connaissance des altérations de connectivité neuronale qui sous-tendent ces activités reste encore très limitée. Nous avons émis l’hypothèse que les DPO sont favorisées par une connectivité neuronale exacerbée. Nous avons examiné cette hypothèse dans un modèle génétique d’épilepsie-absence, le rat GAERS. En étudiant la connectivité structurelle du cortex somatosensoriel primaire, aire d’initiation des DPO chez le GAERS, par traçage rétrograde monosynaptique ainsi que sa connectivité fonctionnelle par enregistrements électrophysiologiques extracellulaires multi-canaux in vivo, nous avons caractérisé le circuit de génération et de propagation des DPO entre les couches corticales. Ce circuit pathologique est différent du circuit canonique d’intégration de l’information sensorielle puisque les DPO sont initiées par les neurones des couches profondes. Ces neurones présentent une hyperconnectivité intralaminaire globale et translaminaire GABAergique et lorsque l’on altère ces connexions pathologiques par microtransection rayon-X synchrotron on réduit la puissance des DPO. Nous nous sommes ensuite intéressés à l’interférence que pouvait avoir le circuit pathologique sur l’intégration sensorielle. En utilisant un test de discrimination de texture nous avons monté que le traitement de l’information sensorielle liée aux vibrisses n’est pas altéré chez le GAERS. Grâce à des stimulations des vibrisses pendant des enregistrements électrophysiologiques extracellulaires multi-canaux in vivo, nous avons pu montrer que le circuit canonique est fonctionnel chez le GAERS. L’ensemble de nos données suggèrent que, chez le GAERS, les DPO sont sous-tendues par un réseau structurellement anormal au sein du cortex somatosensoriel mais que ce circuit pathologique n’empêche pas la fonction physiologique de cette région du cortex. / Cortical neurons are organized in networks which allow complex functions. Abnormalities of neuronal connections composing these networks can lead to functional alterations and pathological activities as in some forms of epilepsy. Absence-epilepsy is characterized by non-convulsive generalized seizures associated with synchronous and bilateral spike-and-wave discharges (SWD) on electroencephalographic recordings and impairment of consciousness. Many studies in patients and animal models have shown that SWD are initiated in the cortex but our understanding of underlying neuronal connection alterations remain limited. We hypothesized that SWD may result from an increased neuronal connectivity. To test this hypothesis, we used a genetic model of absence-epilepsy, the GAERS rat. By studying the structural connectivity of primary somatosensory cortex, the SWD-initiating area in GAERS, by retrograde monosynaptic tracers and the functional connectivity by in vivo multi-channel extracellular electrophysiology, we were able to describe the circuit of SWD generation and propagation across cortical layers. This pathological circuit is different from the canonical circuit of sensory information processing as SWD are initiated by deep layer neurons. These neurons present an intralaminar global and a translaminar GABAergic hyperconnectivity and by decreasing these connections by synchrotron-generated microtransections we were able to reduce the power of SWD. We next investigated if the pathological circuit would interfere with sensory integration. By using a texture discrimination task we showed that sensory information integration is unaltered in GAERS. By using vibrissae stimulations during in vivo multi-channel extracellular electrophysiology recordings we showed that the canonical circuit remain functional in GAERS. Altogether, our data suggest that SWD in GAERS are generated by an abnormal structural network in the somatosensory cortex but that this pathological circuit do not interfere with the physiological function of this brain area.

Dans notre laboratoire, des études antérieures ont montré que la stimulation du récepteur AT[indice inférieur 2] par l'angiotensine II menait à l'activation des p42/p44[indice supérieur MAPK] (GENDRON et al., 1999) par une voie impliquant les protéines Rapt et B-Raf chez les cellules NG108-15 (GENDRON et al., 2003a) et que cette voie était nécessaire à l'élongation neuritique. Parallèlement à l'activation de la voie MAPK, il a été montré que le R-AT[indice inférieur 2] active la voie NOS/GCs/GMPc (GENDRON et al., 2002). Puisqu'il est connu que les protéines kinases C (PKC) participent à la différenciation neuronale dans certains types cellulaires, le but de mon travail a été de déterminer si les PKC pouvaient participer aux mécanismes initiaux menant à l'activation des voies précédemment décrites. Nos résultats indiquent que les isoformes [alpha], [epsilon], [iota] et [zéta] sont exprimées dans cette lignée cellulaire et que l'inhibiteur de PKC[alpha], le Gö6976, induit une élongation neuritique importante en plus d'une diminution de la prolifération. Lors de traitements courts avec l'Ang II, nos données indiquent qu'il y a translocation de PKC[alpha] de la membrane plasmique à la fraction soluble, entraînant ainsi son inactivation. De plus, le traitement des cellules avec le Gö6976 provoque l'inhibition de p21[indice supérieur ras] mais active Rap1 de façon similaire à l'Ang II. Par contre, l'inhibition de PKC[alpha] n'a pas d'effet sur la capacité de l'Ang II à activer les p42/p44 MAPK . L'ensemble de ces résultats indique que PKC[alpha] serait en amont de la cascade de signalisation des p42/p44[indice supérieur MAPK]. Ainsi, l'inhibition de PKC[alpha] mène à la diminution de l'activité de p21 ras et de la prolifération cellulaire, ce qui pourrait contribuer à favoriser l'activation de la voie menant à p42/p44[indice supérieur MAPK] et l'élongation neuritique. Les isoformes PKC[epsilon], et PKC[zéta] seraient impliquées dans des processus différents de PKC[alpha] puisque l'utilisation d'inhibiteurs pharmacologiques sélectifs, soit le Gö6983 (inhibe PKC[alpha] et PKC[zéta] ou le GF109203X (inhibe PKC[alpha] et PKC[epsilon]), a montré qu'ils induisent l'élongation neuritique de façon similaire à l'Ang II ou l'inhibiteur de PKC[alpha]. En conditions basales, PKC[zéta] est associée à l'actine tandis que l'activation du récepteur AT[indice inférieur 2] cause sa relocalisation dans le cytosol. Il pourrait s'agir d'un mécanisme de régulation de la polymérisation de l'actine. Pour sa part, l'isoforme [epsilon] semble impliquée dans la production de GMPc induite par le R-AT[indice inférieur 2]. De plus, la différenciation des cellules avec un traitement de 3 jours avec l'Ang II augmente l'association de PKC[epsilon] avec les microtubules. Cette isoforme pourrait être utile à la régulation de la ramification neuritique des cellules NG108-15. Ces résultats indiquent que les PKC sont impliquées dans la physiologie des cellules NG108-15, chacune ayant un rôle précis et distinct à jouer.