Les matrices de microélectrodes sont des puissants outils de recherche pour les neurosciences. Elles sont utilisées aussi bien pour les études fondamentales de la compréhension des échanges d'informations au sein de réseaux neuronaux que pour la réalisation de neuroprothèses. L'optimisation de ces systèmes demande la mise au point de microélectrodes biocompatibles et de faible impédance électrochimique. Les nanotubes de carbone et le diamant sont deux matériaux utilisés pour atteindre ces objectifs. Dans ces travaux de thèses ces derniers sont couplés pour bénéficier de leurs excellentes propriétés. Ce travail se divise en trois grands axes. Le premier consiste à développer une nouvelle méthode d'ancrage des nanotubes de carbone en enterrant leur base dans du diamant nanocristallin. Ce fort ancrage a pour but d'éviter toute dispersion des nanotubes pouvant conduire à des problèmes de toxicité . Dans un deuxième temps, des matrices de microélectrodes entièrement constituées de diamant ont été réalisées. Leurs propriétés électrochimiques ont été comparées à celle de microélectrodes recouvertes de nanotubes. Enfin des études préliminaires de la biocompatibilité du diamant nanocristallin et des nanotube de carbone ont été menées in-vivo et in-vitro.

In this thesis I attempt to explain mechanisms of neuronal coding in the auditory system as a form of adaptation to statistics of natural stereo sounds. To this end I analyse recordings of real-world auditory environments and construct novel statistical models of these data. I further compare regularities present in natural stimuli with known, experimentally observed neuronal mechanisms of spatial hearing. In a more general perspective, I use binaural auditory system as a starting point to consider the notion of function implemented by sensory neurons. In particular I argue for two, closely-related tenets: 1. The function of sensory neurons can not be fully elucidated without understanding statistics of natural stimuli they process. 2. Function of sensory representations is determined by redundancies present in the natural sensory environment. I present the evidence in support of the first tenet by describing and analysing marginal statistics of natural binaural sound. I compare observed, empirical distributions with knowledge from reductionist experiments. Such comparison allows to argue that the complexity of the spatial hearing task in the natural environment is much higher than analytic, physics-based predictions. I discuss the possibility that early brain stem circuits such as LSO and MSO do not \"compute sound localization\" as is often being claimed in the experimental literature. I propose that instead they perform a signal transformation, which constitutes the first step of a complex inference process. To support the second tenet I develop a hierarchical statistical model, which learns a joint sparse representation of amplitude and phase information from natural stereo sounds. I demonstrate that learned higher order features reproduce properties of auditory cortical neurons, when probed with spatial sounds. Reproduced aspects were hypothesized to be a manifestation of a fine-tuned computation specific to the sound-localization task. Here it is demonstrated that they rather reflect redundancies present in the natural stimulus. Taken together, results presented in this thesis suggest that efficient coding is a strategy useful for discovering structures (redundancies) in the input data. Their meaning has to be determined by the organism via environmental feedback.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, nach einer irreversiblen Schädigung des Sehnervs zu zeigen, ob retinale Ganglienzellen zu Umstrukturierungsprozessen an ihren Axonen ohne neuroprotektive Unterstützung fähig sind. Das besondere Interesse galt der licht- und elektronenmikroskopischen Analyse. Verwendet wurden 37 adulte Albinoratten (WISTAR-Prob). Zuerst wurde der Nervus opticus für 30 s 5 mm hinter dem Bulbus oculi gequetscht. Ein zweiter invasiver Eingriff, der zur retrograden Markierung von aberranten Neubildungen an den Axonen der Nervenfaserschicht durchgeführt wurde, fand zu den postoperativen Überlebenszeiten (ÜLZ) von drei und zehn Tagen, zwei, drei,vier, acht und zwölf Wochen sowie nach sechs und zwölf Monaten statt. Für die retrograde Markierung wurde das biotinylisierte Dextranamin (BDA) eingesetzt, das unter Verwendung des Chromogens Diaminobenzidin visualisiert wurde.Die folgenden Befunde konnten auf lichtmikroskopischer Ebene ermittelt werden: · axonale Schwellungen, · dornenförmige Fortsätze, · intraretinale Axonsprosse mit Wachstumskegeln, · zwei Formen von intraretinalen Axonkollateralen und · aberrante axonale Trajektorien in Form von Schleifenaxonen. Basierend auf dem lichtmikroskopischen Befund wurden ausgewählte Bereiche der Netzhaut ultrastrukturell untersucht.Axonale Schwellungen konnten hinsichtlich ihrer Gestalt in spindelförmig, ballonierend und breitbasig polypös unterschieden werden. Dornenförmige Fortsätze an den Nervenfasern stellen vermutlich ein morphologisches Erscheinungsbild zur Herstellung eines funktionellen Gleichgewichts dar. Die intraretinalen Axonsprosse mit ihren birnenförmigen Wachstumskegeln konnten erstmalig elektronenmikroskopisch in einer adulten Rattennetzhaut nach einer Schädigung des Nervus opticus beschrieben werden. Die nach den ÜLZ von zehn Tagen, zwei, drei und vier Wochen dokumentierten aberranten Fortsätze orientierten sich hauptsächlich vom Discus nervi optici zur Netzhautperipherie. Zu allen ÜLZ besaßen sie eine rundliche oder ovoide Gestalt und wiesen eine Größe von 5 bis 10 µm auf. Sie gingen aus einem Hauptfaszikel in der Nervenfaserschicht hervor und existierten in enger Korrelation zu benachbarten Axonen und Blutgefäßen. Die Definition des Wachstumskegels wurde durch den ultrastrukturellen Befund der Akkumulation von Mitochondrien und wachstumskegeltypischen Vesikeln verifiziert. Die Axonsprosse mit ihren Wachstumskegeln stellen das morphologische Substrat von temporären Reorganisationen der RGC nach einer Unterbrechung ihrer axonalen Efferenz dar. Es waren zwei Formen von intraretinalen Axonkollateralen sichtbar. Bei der ersten Form handelt es sich um eine axonale Kollateralisierung nach einem dreiwöchigen Versuch, die unmittelbar hinter dem Axonhügel einer Typ-III-RGC abzweigte. Diese Form der Kollateralisierung könnte vermutlich im Zusammenhang mit regenerativen Leistungen in der Netzhaut stehen, die unter dem Begriff axon-like processes definiert wurden. Die zweite Kollateralisierungsform zwei Wochen nach der Läsion bildete sich in einem orthogonalen Winkel von einer Nervenfaser in einem Axonfaszikel und entsendete mehrere Kollateralzweige. Acht Wochen nach einer Nervus opticus-Axotomie konnte eine Axonkollaterale dokumentiert werden, die sich in einem fortgeschrittenen Degenerationsprozess befand. Die beschriebene intraretinale Axonkollaterale konnte erstmalig bei der adulten Albinoratte beschrieben werden. Zwei und drei Wochen post lesionem konnten in zwei Versuchen Nervenfasern dokumentiert werden, die durch eine auffallende Schleifenbildung gekennzeichnet waren. Resümierend konnte auf licht- und elektronenmikroskopischer Ebene nachgewiesen werden,dass geschädigte retinale Ganglienzellen in der adulten Ratte zu axonalem Wachstum ohne neuroprotektive und neuropermissive Unterstützung fähig sind. Die beobachteten regenerativen Leistungen sind vermutlich auf das Wirken von Neurotrophinen in der Retina oder im Sehnerv selbst zurückzuführen. / The present light and electron microscopic study was undertaken to determine whether axotomized retinal ganglion cells are able to reestablish intraretinal axons without experimental neuroprotective support. 37 adult albino rats (WISTAR-Prob) were used. In a first step, the optic nerve was intraorbitally exposed and crushed for 30 s at about 5 mm from the ocular bulb. A second experiment was conducted in order to stain newly formed intraretinal axonal elements after postlesion times of either three and ten days, two, three, four, eight, and twelve weeks, or six and twelve month. Retrograde labelling was achieved using biotinylated dextran amine (BDA),followed by visualization with diaminobenzidine as chromogen. The following structures were detected light microscopically: · axonal swellings, · spine-like processes, · intraretinal axonal sprouts showing growth cones, · two types of axonal collaterals, and · aberrant axonal fibers forming so-called looping axons. On the basis of light microscopy selected areas of the retina were examined electron microscopically. Axonal swellings were typified by their shape as spindle-shaped, ballon-shaped or broad-basic polypous. Also spine-like processes, which might serve the reestablishment of a functional balance within the retinal network, were detected. Intraretinal axonal sprouts, showing pear-shaped growth cones at their endings, could be demonstrated for the first time on the ultrastructural level. Aberrant processes, most of them orientated from the optic disc to the retinal periphery, were found at survival times of ten days as well as after two, three and four weeks. At all survival stages investigated the growth cones showed a plump or ovoid morphology and ranged in size between 5 to 10 µm. Usually, they were found to originate from nerve fiber fascicles located in close neigbourhood to the axons but also to blood vessels of the inner retina. The light microscopical typification of growth cones was confirmed at the ultrastructural level, particularly as accumulated mitochondria and growth cone-specific vesicles were detected. Probably, axonal sprouts and growth cones represent a temporal attempt of retinal ganglion cells to regenerate after transection of the optic nerve. Two axon collaterals were detected in the inner retina. In the first case, three weeks postlesion, an axon was found to branch immediately behind the axon hillhock of a type III ganglion cell. This kind of collateralization is indicative of a regenerative response as it has been previously reported by other authors who found so-called axon-like processes. In a second case, two weeks postlesion, an axon appeared to bifurcate orthogonally from a fiber fascicle sending off several collaterals on its way. Furthermore, a degenerating axon collateral was seen eight weeks after optic nerve lesion. The types of axon collaterals presented in this study were described for the first time in the albino rat. So-called looping axons typically characterized by their circular course were found in the inner retina two and three weeks postlesion. In conclusion, the light and electron microscopical results demonstrate that axotomized retinal ganglion cells of the adult rat retain the capability for axonal outgrowth without any neuroprotective and neuropermissive support. Since no experimental growth-promoting measures had been taken, it might be speculated whether the observed regenerative processes were due to intrinsic neurotrophic factors in the retina or the optic nerve themselfes.

Le détournement de la machinerie cellulaire par un pathogène est souvent essentiel à sa propagation dans l'organisme de l'hôte. Les voies de signalisation qui contrôlent l'homéostasie cellulaire constituent une cible stratégique de nombreux virus lors d'une infection. Le virus de la rage possède la particularité d'induire la survie des neurones qu'il infecte. Le site de fixation à des domaines PDZ (PDZ-BS) de la glycoprotéine du virus de la rage a été identifié comme étant un élément clef dans le contrôle des voies de survie et d'apoptose. Ce PDZ-BS reconnaît uniquement deux isoformes de la famille des " Microtubule Associated Serine/Threonine kinase " (MAST1 et MAST2). La kinase MAST2 possède une fonction inhibitrice de survie en contrôlant l'élongation des neurites et interagit, par ailleurs, avec le PDZ-BS de la phosphatase PTEN, autre inhibiteur essentiel de la survie neuronale. Nous avons montré in vitro que les domaines C-terminaux de PTEN (PTEN13-Cter) et de la glycoprotéine (Cyto13-vir) entrent en compétition pour la fixation domaine PDZ de MAST2. La résolution de la structure du domaine PDZ de MAST2 et PTEN13-Cter, son ligand endogène, révèle un mode d'interaction original avec une large surface d'interaction. Ce réseau d'interaction est conservé dans la structure du domaine PDZ de MAST2 complexé au ligand viral Cyto13-vir. En parallèle, nous avons démontré que le PDZ-BS de la glycoprotéine est nécessaire pour induire la survie des cellules infectées et qu'il module la distribution spatiale de PTEN in cellulo. Cette localisation est dépendante de la phosphorylation de PTEN-Cter.

Univ., Diss. u.d.T. Rauscher, Markus: Künstliche neuronale Netze zur Kursrisikomessung in der Kapitalanlage deutscher Lebensversicheurngsunternehmen--München, 2004.

Techn. Hochsch., Diss.--Aachen, 2007.

Teilw. zugl.: Diss. / Includes bibliographical references and index.

Univ., Diss.--Augsburg, 2004.

La maladie d’Alzheimer est une maladie très complexe, aujourd’hui encore mal comprise et cette démence est devenue un réel problème de santé publique. La protéine précurseur de l’amyloïde (APP) et la protéine Tau sont deux acteurs majeurs impliqués dans la maladie. De nombreuses recherches se sont investies dans la compréhension du métabolisme, de l’action et de l’implication de ces deux protéines dans les mécanismes pathologiques de la maladie et d’autres maladies neurodégénératives. Elles sont notamment l’objet de la plupart des approches thérapeutiques passées et actuelles, et étudiées pour le diagnostic biologique de la maladie. Dans ce projet de thèse, notre objectif fut d’explorer le métabolisme des protéines APP et Tau au cours de la différenciation neuronale à l’aide d’outils biochimiques et de systèmes innovants d’immunodétection multiplex très sensibles (MSD®) dans plusieurs modèles de culture cellulaire de la maladie. L’objectif était d’obtenir une vision globale des processus physiopathologiques au travers d’analyses d’échantillons générés au cours de la différenciation neuronale de cellules souches pluripotentes induites (iPSC) de patients Alzheimer comparées aux cellules souches embryonnaires humaines (hESC). Nous avons ainsi généré et caractérisé plusieurs lignées cellulaires d’IPSC d’une personne saine contrôle et de patients atteints des formes sporadiques et familiales de la maladie. Ce projet offre l’opportunité unique de combiner des approches innovantes pour tenter de comprendre comment les fragments et les peptides Ab sont générés, ainsi que les modifications de Tau en conditions normales et pathologiques. / Amyloid precursor protein (APP) and Tau protein are two main molecular actors of the Alzheimer’s disease (AD), which is of prime importance in Human Health. Intensive research is ongoing to understand these proteins’ metabolism, action and implication in the pathological mechanism of these affections. They are the target of most therapeutic approaches and are used for biological diagnosis. In the present PhD project, our objective was to investigate neuronal APP and Tau protein processing and metabolism using biochemical tools and innovative multiplex immunodetection system (MSD®) in diverse cell culture models of AD. The goal was to get a comprehensive view oh physiopathological processes based on the analysis of samples generated in neuronal differentiated human embryonic stem cell and induced pluripotent stem cells derived from AD-patients. We generated several cell lines from an healthy control individual, and AD patients showing sporadic and familial forms of the disease. This project offer the unique opportunity to combine state-to-the-art approaches to understand how the APP fragments and peptides are generated as well as the modifications of the Tau protein in normal and pathological situation.

Les mécanismes de neuroplasticité sont essentiels pour la mise en place et le renforcement des circuits neuronaux lors de périodes critiques du développement, et permettent au cerveau de s'adapter au cours des différentes étapes de la vie. Ces mécanismes varient avec l'âge, sont généralement plus difficile à activer chez l'adulte, et diminuent dans le cerveau âgé. La stimulation magnétique transcrânienne répétée (rTMS) est actuellement utilisée pour moduler l'excitabilité corticale et est décrite comme prometteuse dans le traitement de certains troubles neurologiques. La rTMS de faible intensité (LI-rTMS), ne déclenchant pas directement de potentiels d'action dans les neurones stimulés, a aussi montré des effets thérapeutiques, il est donc important de comprendre les effets biologiques de ces champs magnétiques d'intensités similaires à celles présentes dans les régions adjacentes à la région ciblée par la rTMS de haute intensité. Nous avons utilisé une stimulation magnétique focale de faible intensité (10 mT), ciblant le cervelet ainsi que la voie olivocérébelleuse chez la souris, afin d'aborder certaines de ces questions. Le cervelet est un modèle pertinent, en effet son développement, sa structure, son vieillissement et ses fonctions sont bien décrits, facilitant la détection d'éventuelles modifications dans cette région. Nous avons étudié les effets de LI-rTMS, in vivo ou in vitro, sur la morphologie neuronale, le comportement, et la plasticité post-lésionnelle. Dans une première étude nous avons montré que la LI-rTMS in vivo modifie les épines et la morphologie dendritique des cellules de Purkinje, ces modifications sont associées à une amélioration de la mémoire. / Neuroplasticity is essential for the establishment and strengthening of neural circuits during the critical period of development, and are required for the brain to adapt to its environment. The mechanisms of plasticity vary throughout life, are generally more difficult to induce in the adult brain, and decrease with advancing age. Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is commonly used to modulate cortical excitability and shows promise in the treatment of some neurological disorders. Low intensity magnetic stimulation (LI-rTMS), which does not directly elicit action potentials in the stimulated neurons, have also shown some therapeutic effects, and it is important to determine the biological mechanisms underlying the effects of these low intensity magnetic fields, such as would occur in the regions surrounding the central high-intensity focus of rTMS. We have used a focal low-intensity magnetic stimulation (10mT) to address some of these issues in the mouse cerebellum and olivocerebellar path. The cerebellum model is particularly useful as its development, structure, ageing and function are well described which allows us to easily detect eventual modifications. We assessed effects of in vivo or in vitro LI-rTMS on neuronal morphology, behavior, and post-lesion plasticity. We first showed that LI-rTMS treatment in vivo alters dendritic spines and dendritic morphology, in association with improved spatial memory. These effects were age dependent. To optimize stimulation parameters in order to induce post-lesion reinnervation we used our in vitro model of post-lesion repair to systematically investigate the effects of different LI-rTMS stimulation patterns and frequencies. We showed that the pattern of stimulation is critical for allowing repair, rather than the total number of stimulation pulses. Finally, we looked for potential underlying mechanisms participating in the effects of the LI-rTMS, using mouse mutants in vivo or in vitro. We found that the cryptochromes, which have magnetoreceptor properties, must be present for the response to magnetic stimulation to be transduced into biological effects. The ensemble of our results indicate that the effects of LI-rTMS depend upon the presence of magnetoreceptors, the stimulation protocol, and the age of the animal suggesting that future therapeutic strategies must be adapted to the neuronal context in each individual person.