The theme of the thesis is to make a list few fundamental modern methods which can be used in computerized physics. The thesis describes parallel computing, neural networks,genetic algorithms, fuzzy logic. Every chapter include theoretical description, simplified mathematical expression, proposals of technical solution. Applications are briefly mentioned here too. The printed matter is completed with a few simple examples. The closing part of the thesis acquired information about these methods and outlines their future development.

Ces travaux de thèse, réalisés dans une équipe concevant des circuits analogiques neuromimétiques suivant le modèle d’Hodgkin-Huxley, concernent la modélisation de neurones biologiques, plus précisément, l’estimation des paramètres de modèles de neurones. Une première partie de ce manuscrit s’attache à faire le lien entre la modélisation neuronale et l’optimisation. L’accent est mis sur le modèle d’Hodgkin- Huxley pour lequel il existait déjà une méthode d’extraction des paramètres associée à une technique de mesures électrophysiologiques (le voltage-clamp) mais dont les approximations successives rendaient impossible la détermination précise de certains paramètres. Nous proposons dans une seconde partie une méthode alternative d’estimation des paramètres du modèle d’Hodgkin-Huxley s’appuyant sur l’algorithme d’évolution différentielle et qui pallie les limitations de la méthode classique. Cette alternative permet d’estimer conjointement tous les paramètres d’un même canal ionique. Le troisième chapitre est divisé en trois sections. Dans les deux premières, nous appliquons notre nouvelle technique à l’estimation des paramètres du même modèle à partir de données biologiques, puis développons un protocole automatisé de réglage de circuits neuromimétiques, canal ionique par canal ionique. La troisième section présente une méthode d’estimation des paramètres à partir d’enregistrements de la tension de membrane d’un neurone, données dont l’acquisition est plus aisée que celle des courants ioniques. Le quatrième et dernier chapitre, quant à lui, est une ouverture vers l’utilisation de petits réseaux d’une centaine de neurones électroniques : nous réalisons une étude logicielle de l’influence des propriétés intrinsèques de la cellule sur le comportement global du réseau dans le cadre des oscillations gamma. / These works, which were conducted in a research group designing neuromimetic integrated circuits based on the Hodgkin-Huxley model, deal with the parameter estimation of biological neuron models. The first part of the manuscript tries to bridge the gap between neuron modeling and optimization. We focus our interest on the Hodgkin-Huxley model because it is used in the group. There already existed an estimation method associated to the voltage-clamp technique. Nevertheless, this classical estimation method does not allow to extract precisely all parameters of the model, so in the second part, we propose an alternative method to jointly estimate all parameters of one ionic channel avoiding the usual approximations. This method is based on the differential evolution algorithm. The third chaper is divided into three sections : the first two sections present the application of our new estimation method to two different problems, model fitting from biological data and development of an automated tuning of neuromimetic chips. In the third section, we propose an estimation technique using only membrane voltage recordings – easier to mesure than ionic currents. Finally, the fourth and last chapter is a theoretical study preparing the implementation of small neural networks on neuromimetic chips. More specifically, we try to study the influence of cellular intrinsic properties on the global behavior of a neural network in the context of gamma oscillations.

Le segment initial de l’axone (SIA) est un sous-domaine fonctionnel du neurone localisé dans l’axone proximal, qui assure deux fonctions : l’initiation du potentiel d’action et le maintien de l’identité axonale. Le maintien et la stabilité du SIA sont des éléments fondamentaux de l’excitabilité du neurone et la nature dynamique de l’organisation fonctionnelle du SIA a été mise en évidence. Les objectifs de mes travaux de thèse ont été d’étudier les mécanismes responsables du maintien du SIA, en condition physiologique ou pathologique et d’identifier de nouveaux acteurs impliqués dans ces mécanismes. Dans un premier temps, nous avons identifié et caractérisé l’expression d’une nouvelle protéine au SIA : la protéine Scrib1. En utilisant une approche par ARN interférent nous avons montré que Scrib1 est nécessaire au maintien de la morphologie du SIA. Les conséquences fonctionnelles de l’absence de Scrib1 sont une diminution de l’excitabilité neuronale. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés aux mécanismes pouvant être à l’origine de l’expression ectopique du canal Nav1.8 observée dans certaines pathologies démyélinisantes. Nous avons montré que Nav1.8 possède un site d’interaction à l’ankyrine G. Ce motif d’interaction est suffisant pour adresser un canal chimérique au SIA et perturber l’expression des Nav1 endogènes. A l’inverse des Nav1 du système nerveux central, l’interaction entre Nav1.8 et l’ankyrine G n’est pas régulée par la CK2. Cette interaction constitutive entre Nav1.8 et l’ankyrine G pourrait expliquer son expression ectopique dans le système nerveux central. / The axonal initial segment (AIS) is a unique sub-domain that plays a central role in the physiology of the neuron, as it orchestrates both electrogenesis and the maintenance of neuronal polarity. The maintenance and the stability of the AIS after assembly ensure a reliable generation of action potentials. However, new mechanisms affecting AIS protein-protein interaction and composition have been shown to modulate the electrogenesis of the neuron. Moreover, recent findings highlight that the AIS is capable of homeostatic plasticity through an activity–dependent change either in its location along the proximal axon or in its length. The objectives of my thesis were to study the mechanisms responsible for AIS maintenance in physiological or pathological condition and to identify new players involved in these mechanisms.First we identified and characterized the expression of a novel protein in AIS: the protein Scrib1. Using an shRNA approach we showed that Scrib1 is necessary to maintain the AIS morphology. The functional consequence of the absence of Scrib1 is a decreased of neuronal excitability.Second, we are interested in the mechanisms that cause the ectopic expression of Nav1.8 channel observed in demyelinating diseases. We found that Nav1.8 constitutively interacts with ankG in contrast to Nav1.2, which requires CK2 phosphorylation to bind ankG. Furthermore, when Nav1.8 ankyrin-binding domain was expressed in hippocampal neuron, it clustered at the AIS where it acted as a dominant negative for endogenous Nav1. This constitutive interaction between Nav1.8 and ankG could explain the ectopic expression of Nav1.8 in the central nervous system.

L’acquisition et le maintien de l’identité d’un neurone sont assurés par des facteurs de transcription terminaux exprimés durant toute la vie du neurone. Cependant le processus d’expression génique peut être très bruité. L’objectif de mon projet de thèse est de déterminer comment un neurone peut acquérir et maintenir son identité de manière fiable malgré ce bruit intrinsèque, en utilisant le modèle C. elegans. En combinant des techniques récentes d’ingénierie du génome par CRISPR et des méthodes d’imagerie quantitative in vivo, j’ai observé que l’expression endogène des facteurs de transcription terminaux est fortement bruitée. J’ai également établi que des mutations dans le complexe chromatinien PRC1 induisent une perte stochastique de l’identité de certains neurones au cours du temps. Le complexe PRC1 agit directement au sein des neurones. Il affecte le niveau d’initiation de l’expression des facteurs de transcription terminaux durant l’embryogenèse ainsi que la fiabilité de la maintenance de leur expression aux stades larvaires et adultes. En conclusion, mon travail suggère que le complexe PRC1 joue un rôle important dans la protection des neurones contre le bruit génique, les aidant ainsi à acquérir et maintenir de manière fiable leur identité. / The acquisition and maintenance of neuronal identity is driven by terminal transcription factors expressed throughout the life of the neuron. However, the gene expression process can be noisy. The aim of my PhD work is to determine how a neuron can acquire and maintain its identity in a reliable manner despite this intrinsic noise, using C. elegans as a model system. Combining recent techniques of genome engineering by CRISPR with in vivo quantitative imaging, I observed that the endogenous expression of terminal transcription factors is highly noisy. I also established that mutations in the chromatin complex PRC1 induce a stochastic loss of the identity of some neurons over time. The PRC1 complex directly acts in the neurons. It affects the levels of initiation of the terminal transcription factors during embryogenesis as well as the reliability of their maintenance at larval and adult stages. To conclude, my work suggests that the PRC1 complex plays an important role to protect neurons against gene expression noise, helping them to acquire and maintain their identity in a reliable manner.

No description available.

Le syndrome de l’X fragile représente la première cause de déficience intellectuelle héréditaire. Ce syndrome résulte de l’absence de la protéine FMRP. FMRP est proposée réguler, sous contrôles des mGluR-I et d’autres récepteurs, l’expression de protéines importantes pour la plasticité synaptique en se fixant spécifiquement sur leur ARNm et en modulant leur traduction. Des milliers d’ARNm cibles ont déjà été proposées dans la littérature, mais très peu ont pu être validées. Par approche de pontage covalent aux UV et immunoprecipitation (CLIP) couplé à une analyse microarray, nous avons identifié un ARNm comme cible unique de FMRP dans les neurones corticaux. Cet ARNm code pour une kinase contrôlant le niveau de deux seconds messagers lipidiques importants pour le remodelage des épines dendritiques. De plus, nous avons montré que l’activation mGluR-I dépendante de la kinase est absente dans les neurones Fmr1 KO, avec pour conséquence une altération de plusieurs espèces lipidiques du neurone. Ces défauts peuvent expliquer les altérations morphologiques et fonctionnelles des épines dendritiques, cause principale proposée du syndrome de l’X fragile. / Fragile X syndrome is the leading cause of inherited intellectual disability and is due to the absence of the RNA binding protein FMRP (Fragile X Mental Retardation Protein). FMRP is proposed to bind and regulate synaptic expression of mRNA targets upon mGluR-I activation. Thousands of mRNA targets have already been proposed in the literature, but only a few have been validated leaving unsolved the question of the genes mostly affected by the absence of FMRP in the brain of fragile Xpatients. The main project of the thesis was to identify the mRNAs associated with FMRP in cortical neurons by performing cross-linking immunoprecipitation approach (CLIP). We found that FMRP principally targets one unique mRNA which encodes an important synaptic kinase. This enzyme controls the level of two second lipid messengers important for remodeling of dendritic spines. Consequently, the mGluR-I-dependant activation of the enzyme is lost in absence of FMRP, leading to several lipid species alterations in the neuron. These defects may explain the morphological and functional alterations of dendritic spines, the hallmark of fragile X syndrome.

Les deux premiers chapitres de cette thèse s'attachent à répondre à des questions cruciales en climatologie. La première est de savoir si un changement dans le comportement des extrêmes de température peut être détecté entre le début du siècle et aujourd'hui. Nous utilisons la divergence de Kullback Leibler, que nous adaptons au contexte des extrêmes. Des résultats théoriques et des simulations permettent de valider notre approche. La deuxième question est de savoir où retirer des stations météo pour perdre le moins d'information sur le comportement des extrêmes. Un algorithme, le Query By Committee, est développé puis appliqué à un jeu de données réelles. Le dernier chapitre de la thèse traite de l'estimation robuste du paramètre de queue d'une distribution de type Weibull en présence de co-variables aléatoires. Nous proposons un estimateur robuste basé sur un critère de minimisation de la divergence entre deux densités et étudions ses propriétés. / In the first two chapters, we try to answer two questions that are critical in climatology. The first one is to know whether a change in the behaviour of the temperature extremes occured between the beginning of the century and today. We suggest to use a version of the Kullback Leibler divergence tailored for the extreme value context. We provide some theoretical and simulation results to justify our approach. The second question is to decide where to remove stations from a network to lose the least information about the behaviour of the extremes. An algorithm called the Query By Committee is developed and applied to real data. The last chapter of the thesis deals with a more theoretical subject which is the robust estimation of a Weibull type tail index in presence of random covariates. We propose a robust estimator based on a criterion ofminimization of the divergence between two densities and study its properties.

Les motoneurones tiennent une place remarquable dans l'organisme : ils constituent l'interface entre le système nerveux central et le système musculaire. Leur excitabilité est une caractéristique primordiale dans le comportement moteur puisqu'elle définit la force musculaire développée en réponse à la commande motrice. Chez la souris, la décharge des motoneurones est marquée par la présence d'oscillations de mode mixte (MMOs) entre les potentiels d'action. Ces MMOs permettent la décharge des motoneurones à basse fréquence et sont responsables d'un régime de décharge particulier nommé zone sous-Primaire, pendant lequel la fréquence de décharge est très variable et le gain de la relation courant-Fréquence élevé. Nous avons étudié les mécanismes responsables de l'apparition de ces MMOs à la fois de manière expérimentale, dans une préparation in vivo de souris anesthésié, incluant l'utilisation du Dynamic Clamp, et théorique, au moyen d'un modèle mono-Compartimental de motoneurone. Nos résultats ont montré que ces MMOs étaient causées par les courants sodiques et potassiques responsables des potentiels d'action et qu'elles émergeaient d'un état de faible excitabilité de la membrane, dû à l'inactivation lente des courants sodiques. Nous avons également montré que le courant de post-Hyperpolarisation pouvait paradoxalement augmenter l’excitabilité des motoneurones et réduire les MMOs en dé-Inactivant le courant sodique. La Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA) conduit à la dégénérescence spécifique de ces motoneurones qui s'accompagne d'une vacuolisation de leur arborisation dendritique. L'augmentation précoce de l'excitabilité des motoneurones dans la maladie a largement été évoquée pour rendre compte de leur atteinte. Une hyperexcitabilité, aussi bien d'origine intrinsèque qu'extrinsèque pourrait en effet produire une excitotoxicité délétère pour la cellule. Si une telle modification de l'excitabilité est en cause dans la maladie, elle devrait persister jusqu'aux âges auxquels se produisent les premières dénervations des jonctions neuromusculaires. Nous avons enregistré les propriétés électrophysiologiques des motoneurones dans une préparation in vivo de souris adultes SOD1-G93A, modèle de la SLA. Nos résultats ont montré que leur conductance d'entrée était augmentée dans les jours qui précèdent les premières dénervations de leurs jonctions neuromusculaires. Malgré cela, leur excitabilité n'était pas modifiée. Loin d'être intrinsèquement hyperexcitables, une fraction d'entre eux perdaient même leur capacité à décharger de manière répétée. Nous avons finalement étudié la vacuolisation qui prend place dans les dendrites des motoneurones au cours de la maladie et son lien avec la couverture synaptique. Nous avons montré que la vacuolisation dendritique prenait place avant les dénervations et que la taille des vacuoles augmentait avec l'âge des souris SOD1-G93A. De manière intéressante, cette progression semblait plus rapide dans les motoneurones les plus sensibles à la maladie. Bien que la couverture synaptique n'était pas modifiée au cours de la maladie, nous avons mis en évidence une densité de synapses excitatrices et inhibitrices plus importante sur les régions dendritiques qui se vacuolisent. Ces résultats suggèrent un lien entre l'activité synaptique et la formation de vacuoles dans les motoneurones au cours de la SLA. Les motoneurones ne présentant pas d'hyperexcitabilité intrinsèque, une excitotoxicité d'origine synaptique pourrait alors être responsable de leur dégénérescence. / Motoneurones hold a remarkable position in the organism: they are the interface between the central nervous system and the muscular system. Their excitability is a crucial characteristic in motor behavior since it determines the muscular force produced in response to motor command. In mice, motoneurone discharge is marked by the presence of sub-Threshold oscillations between action potentials which create a behavior of mixed mode oscillations (MMOs). These MMOs allow the motoneurones to fire at low frequency and are responsible for a sub-Primary range of discharge during which the firing frequency is irregular and the slope of current-Frequency relation is steep. We investigated the mechanisms responsible for these MMOs by in vivo recordings in anesthetized mice, using Dynamic Clamp, and by theoretical modelization in a monocompartimental model of motoneurone. Our results showed that MMOs were caused by sodium and potasium currents responsible for action potentials and that they emerged from a state of low membrane excitability caused by a slow inactivation of the sodium current. Paradoxically, we also showed that the after-Hyperpolarization current was able to increase the membrane excitability and to reduce MMOs by de-Inactivating the sodium current. Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) leads to the specific degeneration of these motoneurones and is accompanied by a vacuolation of their dendritic trees. An early increase in motoneurons excitability during the disease has been widely proposed to account for their degeneration. Indeed, a motoneuron hyperexcitability of intrinsic or extrinsic origin could produce a deleterious excitotoxicity. If such a change of excitability is involved in the disease, it should last until the ages where the first denervation of neuromuscular junctions occurs. We recorded the electrophysiological properties of motoneurones in an in vivo preparation of adult SOD1-G93A mice, model of ALS. Our results showed that their input conductance was increased before the first denervation of their neuromuscular junctions. Nevertheless, their excitability was not modified. Far from being intrinsically hyperexcitable, a fraction of them even lost their ability to discharge repeatedly. We finally studied the vacuolation that takes place in dendrites of motoneurones during the disease and its relation with synaptic coverage. We have shown that the dendritic vacuolation takes place before the denervation and that the size of these vacuoles increases with age in SOD1-G93A mice. Interestingly, this increase was faster in the most vulnerable motoneurones. Although synaptic coverage was not altered in the disease, we ¬revealed higher densities of excitatory and inhibitory synapses on dendritic regions that vacuolate. These results suggest a link between synaptic activity and vacuoles formation in motoneurones during ALS. Motoneurones were not intrinsically hyperexcitable, instead, an excitotoxicity from a synaptic origin may be responsible for their degeneration.

À la suite d’une lésion du système nerveux central tel qu’un accident vasculaire cérébral ou une lésion médullaire incomplète un ensemble de symptômes tel que la parésie, l’hyperactivité musculaire et l’hypo-extensibilité des tissus vont perturber l’organisation locomotrice du patient. Depuis quelques années, l’utilisation de méthodes mathématiques permet d’extraire à partir de l’activité électrique des muscles la commande à l’organisation locomotrice du sujet. L’objectif de ce travail de thèse est d’utiliser ces méthodes pour caractériser les spécificités du patient hémiparétique et paraparétique. Une première étude sur le sujet asymptomatique a permis de valider notre méthodologie..La deuxième étude portant sur les patients paraparétiques montre que l’asymétrie de marche est plutôt expliquée par une expression différente des symptômes plutôt qu’une réelle asymétrie provenant de la commande. Pour conclure, la troisième étude portant sur l’effet d’une anesthésie d’un muscle chez le patient hémiparétique a montré que le cerveau était en mesure de modifier la commande locomotrice pour pallier les perturbations induites par cette anesthésie. En conclusion nos travaux soulignent l’intérêt de ces méthodes comme un outil pertinent dans l’évaluation de l’organisation locomotrice chez le patient présentant une lésion du système nerveux central. / Following a central nervous system injury such as a stroke or incomplete spinal cord injury, a set of symptoms such as paresis, muscle hyperactivity and hypo-extensibility will disrupt the patient’s locomotor organization. In recent years, the use of mathematical methods has made it possible to extract, from the electrical muscle activities, the command of the locomotor organization. This thesis aimed at using these methods to characterize the specificities of the post-stroke patient and the patient with incomplete spinal cord injury. The first study of healthy individuals allowed to validate our methodology.The second study in patients with incomplete spinal cord injury showed that gait asymmetry may be explained by a different expression of symptoms rather than a real asymmetry originating from the control. Finally, the third study has investigated the effect of muscle anesthesia on the post-stroke patient. The results showed that the central nervous system was able to adapt locomotor control to compensate for the disturbances induced by this anesthesia. In conclusion, our work underlines the interest of these methods as a relevant tool in the evaluation of locomotor organization in patients with central nervous system lesions.

Le glutamate est le principal neurotransmetteur excitateur du système nerveux central des vertébrés, et le codage de l’information cérébrale repose en partie sur des modulations de l’amplitude et de la fréquence des transmissions synaptiques glutamatergiques. De ce fait, la résolution spatiale et temporelle de ces transmissions nécessite un contrôle fin de la présence de glutamate dans la fente synaptique. Cette durée de vie du glutamate dans les synapses dépend directement de l’action de transporteurs spécifiques exprimés à la surface des astrocytes, en particulier les transporteurs de type GLT-1, qui retirent le neurotransmetteur et permettent ainsi de « nettoyer » la fente synaptique avant la survenue d’un nouvel épisode de neurotransmission. / A classic understanding of neurotransmitter clearance at glutamatergic synapses is that, in order to ensure sufficient glutamate uptake on a fast timescale, it is necessary to have high numbers of glutamate transporters in the vicinity of release sites to compensate for their slow transport kinetics. Using a combination of single molecule imaging and electrophysiological approaches, we now challenge this view by first demonstrating that GLT-1 transporters are not static but highly mobile at the surface of astrocytes, and that their surface diffusion is dependent upon both neuronal and glial cell activities. In the vicinity of glutamate synapses, GLT-1 dynamics are strongly reduced favoring their retention within this strategic location. Remarkably, glutamate uncaging at synaptic sites instantaneously increases GLT-1 diffusion, displacing the glutamate-bound transporter away from this compartment. Functionally, impairment of the transporter lateral diffusion through an antibody-based surface cross linking, both in vitro and in vivo, significantly slows the kinetics of excitatory postsynaptic currents. Taken together, these data reveal the unexpected and major role of the astrocytic surface GLT-1 fast dynamics in shaping glutamatergic synaptic transmission.Keywords: