Ce travail se situe dans le cadre d'un projet pluridisciplinaire visant à développer une prothèse visuelle. La technique la plus utilisée actuellement dans de nombreux types de neuroprothèses est basée sur l'excitation par voie électrique via des électrdes. Les inconvénients d'une telle technique (très invasive, de faible résolution spatiale et par contact) pourraient être surmontés en utilisant une stimulation par laser infra-rouge. Nous présentons dans un premier temps les caractéristiques des trois diodes lasers fibrés émettant à 1875 nm, 1535 nm et 1470 nm pour des gammes de puissances optiques de quelques centaines de mW qui ont été utilisés et intégrés à deux dispositifs de mesures permettant l'observations de variations d'échanges ioniques transmembranaires (imagerie de fluorescence des ions calciums et mesure électrophysiologique par la technique de patch clamp). Nous montrons ensuite que des réponses biologiques ont été obtenues par les trois lasers, non seulement sur des cellules ganglionnaires de la rétine et du vestibule de culture mais aussi sur des tranches de rétine. L'influence des paramètres clés comme la longueur d'onde, la durée de stimulation, les seuils d'énergie a été étudié, et a permis d'établir que les seuils d'énergie de stimulation dépendent de la valeur du coefficient d'absorption de l'eau qui varie suivant la longueur d'onde utilisée. Enfin, une étude est consacrée pour expliquer les mécanismes physiques et biologiques apparaissant au cours de l'interaction du laser avec le neurone au niveau cellulaire. Des simulations numériques quantifiant l'élévation de température associées à des tests pharmacologiques cherchant à déterminer la nature des canaux ioniques spécifiques mis en jeu suggèrent la prédominance d'un effet thermique. / This work is part of a pluridisciplinary project, aiming at developing a visual prosthesis. The most used technique for this kind of neuroprosthesis is based on the electrical stimulation of nerves by electrodes. Drawbacks of such a technique (very intrusive, low spatial resolution and physical contact) could be overcome by the use of an infra red laser based stimulation. We present first the three fibre pigtailed laser diode characteristics emitting few hundred of mW at 1875 nm, 1535 nm and 1470 nm. These lasers have been integrated on two measurement devices (a fluorescence microscope and a microscope using patch clamp recording), for the observation of ionic membrane exchanges. Our results show that action potentials have been obtained by laser stimulation from the three lasers, both on retinal or vestibular ganglion cells from mass cultures and on retinal slices. The effect of key parameters as the wavelength, the stimulation time, the energy thresholds has been studied and show that the energy thresholds clearly depend on the absorption coefficient of water which varies with the wavelength. Finally, we present the results of a preliminary study aiming at determining the biophysical interaction mechanisms at cell level. Numerical simulations giving the local increase of temperature and tests of specific blocking molecules in order to know the exact nature of the ionic channels involved suggest a predominant thermal mechanism.

In der vorliegenden Dissertation wurden Neurone untersucht, die von einer speziellen Form der extrazellulären Matrix, dem perineuronalen Netz (PN), umgeben sind. Neurone mit einem PN zeichnen sich durch eine geringe Vulnerabilität bei neurodegenerativen Erkrankungen aus. Da das PN mit hoher Affinität Eisen bindet, war zu klären, ob das PN den Eisenhaushalt der Neurone beeinflusst und diese mit einer protektiven Eigenschaft gegenüber Eisen-induzierten oxidativen Stress ausstattet. Es wurde die Eisenkonzentration und der Gehalt an Eisentransport- und Eisenspeicherproteinen von Neuronen mit PN und Neuronen ohne PN in der Ratte untersucht. Dabei kamen quantitative Methoden wie die ortsaufgelöste Ionenstrahlmikroskopie und die Objektträger-basierte Laser Scanning Zytometrie sowie Western Blot Analysen und quantitative Real-Time-PCR zum Einsatz. Die Untersuchungen zeigen, dass Neurone, die mit einem PN umgeben sind, eine höhere Konzentration an Eisen sowie Eisentransport- und Eisenspeicherproteinen besitzen als Neurone ohne ein PN. Das PN könnte so den Eisenhaushalt der Neurone beeinflussen und diese mit einer protektiven Eigenschaft gegenüber Eisen-induziertem oxidativen Stress ausstatten.

La maladie d’Alzheimer (MA) est une neurodégénérescence liée à l’âge, caractérisée par l’agrégation intracérébrale du peptide Aβ. Plusieurs études ont montré que la signalisation insulin-like growth factor (IGF), régulateur clé de la longévité, est impliquée dans la progression de la MA. Nous avons récemment démontré que la suppression de la signalisation IGF neuronale à l’âge adulte chez un modèle de souris MA freine la progression de la pathologie amyloïde par une clairance de l’Aβ facilitée. L’objectif de ma thèse est d’identifier les mécanismes cellulaires et moléculaires liant signalisation IGF et neuroprotection contre la protéotoxicité Aβ. J’ai démontré que l’ablation de l’IGF-1R neuronal au cours du vieillissement protège des déficits cognitifs et de la neuroinflammation liée aux oligomères Aβ, et réduit substantiellement la taille du soma neuronal adulte. Pour identifier les voies impliquées dans cette neuroprotection, j’ai caractérisé le profil transcriptomique de neurones KO IGF-1R microdisséqués dans la région CA1 de l’hippocampe. J’ai démontré que la MA et l’ablation de l’IGF-1R neuronal impactent les mêmes fonctions biologiques, comme la neurotransmission, la croissance, et la transduction du signal, et presque tous les changements d’expression géniques communs à la MA et au KO IGF-1R neuronal se produisent dans le même sens. En revanche, dans les cerveaux MA, une proportion significative des gènes dérégulés par la MA sont inversés par le KO IGF-1R neuronal. Mes résultats révèlent que l’inhibition de la voie IGF neuronale à l’âge adulte protège de la pathologie Aβ en régulant l’organisation du cytosquelette, la neurotransmission, et la réponse au stress. / Alzheimer's disease (AD) is an age-related neurodegenerative disease, characterized by intracerebral amyloid-β (Aβ) peptide aggregation. Several studies have shown that insulin-like growth factor (IGF) signaling, a key regulator of longevity, is involved in AD progression. We recently showed that suppression of neuronal IGF signaling during adulthood alleviates amyloid pathology and cognitive deficits in AD mice through A clearance. In this context, the aim of my thesis was to identify the cellular and molecular mechanisms linking IGF signaling to neuronal protection against Aβ proteotoxicity. I demonstrated that ablation of neuronal IGF-1R during aging reduces cognitive deficits and neuroinflammation linked to A oligomers (AO), and induces a conspicuous decrease in neuronal soma size. To identify which pathways are involved in previously observed neuroprotection, I characterized the transcriptome profiling of microdissected hippocampal CA1 neurons from mice where neuronal IGF-1R was conditionally ablated at 3 months of age. I found that AD and neuronal IGF-1R inactivation impact on similar neuronal functions, namely neurotransmission, growth and differentiation, and signal transduction, and almost all of the changes in gene expression common to AD and IGF-1R ablation occurred in the same direction. However, in AD brains, a significant proportion of genes deregulated by AD were reversed by IGF-1R knockout. My results also reveal that inhibition of IGF signaling in adult neurons protects from A pathology by regulating cytoskeleton organization, neurotransmission, and response to stress.

Untersucht wurde die mögliche Rolle von Adenosin-5´-Triphosphat (ATP) als extrazelluläres Signalmolekül im Neostriatum der Ratte. Zum Einsatz kam die patch-clamp Methode, adaptiert für Ableitungen aus akuten Hirnschnitten. Bereits bekannt war, dass ATP exzitatorische postsynaptische Ströme an GABAergen, striatalen Projektionsneuronen („medium spiny“ Neurone) hemmen konnte. Nun sollten die verantwortlichen Mechanismen hinter diesem Effekt aufgeklärt werden. Es zeigte sich, dass exogen zugeführtes ATP zunächst zu Adenosin metabolisiert werden musste, um seine Wirkung ausüben zu können. Ein Teil dieses Effektes war, vermittelt über präsynaptische Adenosin A1-Rezeptoren, einer Hemmung der striatalen Glutamat-Freisetzung geschuldet. Neu war, dass auch die „medium spiny“ Neurone selbst funktionelle A1-Rezeptoren exprimierten. Aktiviert durch lokal gebildetes Adenosin vermittelten diese eine Hemmung der Leitfähigkeit von Glutamat-Rezeptoren des N-Methyl-D-Aspartat (NMDA) Subtyps. Unter physiologischen Bedingungen mag dieser Mechanismus der Begrenzung der Informationsweiterleitung über die GABAergen Projektionsneurone dienen. Striataler Glutamat-Exzess mit Überaktivierung von NMDA-Rezeptoren ist ein Charakteristikum der Huntington´schen Erkrankung. Eine Adressierung der A1 Rezeptoren als therapeutische Option im Rahmen dieser Basalganglienerkrankung scheint daher prinzipiell möglich.

Zu den höheren kognitiven Fähigkeiten des menschlichen Neokortex gehören abstraktes Denken, komplexes Verstehen, Sprache und Lernfähigkeit. Die Bildung der Großhirnrinde beginnt in der mittleren Phase der Embryogenese und ist ein hochgradig organisierter und streng regulierter Prozess. Durch asymmetrische Teilung neuronaler Stammzellen entstehen unreife Neuronen, die im Anschluss an ihre Migration ihre spezifische Position innerhalb des Cortex einnehmen. Der korrekte Erwerb der axonalen Morphologie und die Spezifizierung des Dendritenbaums bilden die Grundlage für die Etablierung der kortikalen Konnektivität. Diese morphologischen Merkmale werden durch intrinsische genetische Programme der postmitotischen Differenzierung kodiert sowie durch entwicklungsbedingte Einflüsse im extrazellulären Milieu reguliert. Das im endoplasmatischen Retikulum lokalisierte Inositol-Requiring Enzyme 1α (Ire1α) ist einer der Hauptregulatoren der entfalteten Proteinantwort. In dieser Studie zeigen wir, dass Ire1α für die Spezifizierung der Neurone der oberen Cortexschichten sowie den Erwerb der neuronalen Morphologie von zentraler Bedeutung ist, indem es mRNA-Translationsraten reguliert. Diese Arbeit zeigt auch, dass frühe und späte kortikale neuronale Vorläuferzellen sowie früh und spät geborene postmitotische Neurone unterschiedliche Translationsraten aufweisen, was auf differenzierte Anforderungen an die Proteom-Synthesemaschinerie bezüglich der Entwicklung der kortikalen Schichten hinweist. Störungen in allen Phasen der kortikalen Entwicklung, welche entweder auf Umweltfaktoren oder Genmutationen zurückzuführen sind, können zu einer abweichenden Physiologie der kortikalen Schaltkreise führen. Eine große Anzahl solcher Anomalien kann zu schweren neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie oder komplexen Störungen mit Epilepsie wie Rett-Syndrom, Angelman-Syndrom, Mowat-Wilson-Syndrom, Lafora-Krankheit und/oder Kaufman-Okulozerebrofazial-Syndrom führen. / Higher cognitive abilities of human neocortex comprise abstract thinking, complex comprehension, language and learning capacity. Formation of the cerebral cortex begins in the middle of embryogenesis and is a tightly organized and highly regulated process. Asymmetric divisions of neuronal stem cells give rise to immature neurons that migrate to consequently assume their specific position in the cortical plate. Correct acquisition of a single-axon morphology and specification of the dendritic tree complexity sets grounds for establishment of cortical connectivity. These morphological characteristics are encoded by intrinsic genetic programs of postmitotic differentiation and regulated by developmental cues in the extracellular milieu. Endoplasmic Reticulum resident Inositol-Requiring Enzyme 1α (Ire1α) is one of the main regulators of the unfolded protein response. In this study, we demonstrate that Ire1α is pivotal for specification of upper layer cortical neurons and the acquisition of the neuronal morphology by regulating mRNA translation rates. This work also shows that early and late cortical neuronal progenitors and early- and late-born postmitotic neurons exhibit different translation rates, indicative of the specific requirements for the proteome synthesis machinery for the development of cortical layers. Disturbances of any cortical developmental milestones due to either environmental factors or gene mutations may result in aberrant physiology of cortical circuits. High number of such abnormalities can lead to serious neurological diseases such as epilepsy or complex disorders with epilepsy such as Rett syndrome, Angelman syndrome, Mowat-Wilson syndrome, Lafora disease and/or Kaufman oculocerebrofacial syndrome. One major hypothesis of the causes of epilepsy links its molecular pathology to alterations in excitation/inhibition (E/I) balance in the neuronal networks.

Aggregations of fused in sarcoma (FUS), a multifunctional RNA processing protein, define a pathological subtype of both frontotemporal dementia (FTD) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS), whilst mutations in the FUS gene are causative for ALS. To model the impact of FUS mutations, expression vectors containing the entire genomic sequence of FUS, up and downstream regions, and native promoter sequences have been generated. The constructs have been tagged with an mCherry fluorescent tag, and three separate pathological mutations (R244C, R521C, and P525L) have been separately inserted. Transgenic mice have been generated using the WT and P525L FUS vectors to provide a highly physiological model of FUS in disease. Within transfected HEK293 cells, insertion of the P525L and R521C FUS mutations leads to relocalisation of FUS from the nucleus to the cytoplasm. R521C and P525L mutant FUS incorporates into cytoplasmic aggregations of untranslated mRNA and RNA binding proteins known as stress granules. The strong relocalisation seen with P525L-FUS is associated with a gain of cytotoxicity. Reversal of this cytoplasmic relocalisation by demethylation of FUS rescues this cytotoxicity, suggesting a toxic gain of cytoplasmic function in the majority of FUS mutations. By contrast, insertion of the R244C mutation leads to neither relocalisation, stress granule association, nor cytotoxicity. Notably the R244C mutation, located away from the nuclear localization domain in which the majority of FUS mutations are found, leads to the presence of smaller FUS fragments in western blot analyses. These fragments appear not to be due to splicing defects in FUS but rather are due to post-translational modifications or aberrant protein cleavage. These data suggest an alternative pathway for FUS toxicity based upon a nuclear loss of function.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease characterised clinically by rapidly progressive paralysis leading ultimately to death from respiratory failure. There is no cure for ALS and no definitive explanation for the onset and rapid progression of motor neuron degeneration. Genetics is a known risk factor for a portion of familial cases. However, the role of genetics in the commoner sporadic form of the disease is poorly understood, although numerous genes have been implicated. The primary aim of this thesis project is to uncover the genetic causes that underlie ALS. To accomplish this goal, the main focus of this thesis is to perform genome-wide association analysis of sporadic ALS using high density SNP arrays. This thesis describes the first and the largest genome-wide association studies of ALS to date. Results demonstrate that there is no single large effect susceptibility variant underlying a large proportion of ALS, such as ApoE in Alzheimer’s disease. However, the genotyping data has been made publically available and the digital nature of this data means that it is a resource that can grow with future studies. Beyond genome-wide association, this thesis describes work using linkage, haplotype and sequence analysis to investigate the genetic overlap between ALS and frontotemporal dementia. Lastly, this thesis presents a novel method for linkage analysis using high throughput SNP arrays. Ultimately, it is hoped that by uncovering the genes that cause ALS, such knowledge will shed light on the pathogenic mechanisms underlying motor neuron degeneration and potentially lead to new rational therapies effective in slowing or even halting disease progression.

Chez plusieurs espèces, les neurones auditifs sensibles à la durée de la stimulation sont présents au niveau des collicules inférieurs. Toutefois, le décours temporel de leur développement fonctionnel est inconnu. Étant donné que le collicule supérieur est l’un des principaux relais sous-cortical impliqué dans l’intégration des stimuli audio-visuels, nous voulons déterminer si le collicule supérieur du rat contient de tels neurones et s’ils sont sensibles et sélectifs à différentes durées de stimulation auditive. De plus, l'originalité de cette étude est de déterminer les étapes de leur maturation fonctionnelle. Des enregistrements neuronaux unitaires et extra-cellulaires sont effectués dans le collicule supérieur de rats juvéniles (P15-P18, P21-P24, P27-P30) et adultes anesthésiés. La sensibilité à la durée est déterminée lors de la présentation de bruits gaussiens (2-10 dB SPL au-dessus du seuil) de durées variables (3-100 ms). Seulement un faible pourcentage des neurones du collicule supérieur est de type passe-bande (3-9% des neurones parmi les ratons et 20% chez les rats adultes). Une différence significative de la distribution entre les différents types de neurones auditifs sensibles à la durée est présente au cours du développement: les neurones de type passe-haut (63-75%) sont présents en majorité chez les groupes juvéniles alors que 43% des neurones sont de type insensible à la durée de la stimulation auditive chez les rats adultes. Ces résultats montrent qu’une population importante de neurones auditifs du collicule supérieur du rat est sensible à la durée des signaux sonores et qu’un développement fonctionnel important survient au cours du premier mois postnatal. / In many species, duration-sensitive neurons which could possibly analyse species-specific vocalizations are encountered in the inferior colliculus. However, their postnatal development is unknown. Since the superior colliculus is one of the most important subcortical relay implicated in the audiovisual integration, we sought to gain insight on whether the SC of the rat contains such neurons and, if so, whether they are sensitive and selective to duration. Furthermore, the originality of this study is to determine their fonctional maturation. Extracellular single-unit recordings were assessed in the deep layers of the superior colliculus of anesthetized rats throughout postnatal days (P15 – P18, P21 – P24, P27 – P30) and at adulthood. Gaussian noises of different durations (3-100 ms) were presented in free-field in pseudo-random order (2 – 10 dB SPL above threshold). Only few neurons are band-pass: about 3 – 9% across the different age groups (P15 – P30) and 20 % in adults. Thus, in terms of categories of duration-sensitive neurons profiles, a significant difference was evident across postnatal development: long-pass (63-75%) neurons were mostly encountered in the different groups of pups relative to all-pass (43%) in adult rats. These results demonstrate that a large population of neurons in the superior colliculus of the rat is sensitive to noise durations and that important development changes occur during postnatal maturation.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse s'intéresse au développement neuronal in vitro dans le but ultime d'enregistrer l'activité de réseaux de neurones à géométrie et connectivité contrôlées. Le développement neuronal est régi par un ensemble de régulations, intrinsèques mais également sous contrôle de facteurs extérieurs, qui permettent à la cellule d'adhérer à un substrat, de croître, et de se polariser. Une partie de ce travail de thèse explore deux types de contraintes physiques de l'environnement que sont la géométrie d'adhésion et la rugosité de surface. La première révèle l'implication des forces dans les stades précoces de développement neuronal régis par un phénomène de compétition neuritique, et permet in fine de contrôler la direction d'émission de l'axone, notamment par une inhibition de sa différenciation sur lignes ondulées. La seconde montre que la distribution des points d'adhésion peut accélérer la croissance jusqu'à favoriser la polarisation axonale. L'autre partie de ce travail s'attache à résoudre le problème technologique majeur qu'est le remplissage des sites d'adhésion par le biais d'une attraction magnétique, et démontre la possibilité de faire croître des réseaux neuronaux modèles sur nanotransistors. / This thesis focuses on in vitro neuronal development, with the long-term goal of building controlled neuron networks that would allow the recording of their electric activity. A collection of intrinsic regulations are involved in neuronal adhesion, growth and polarization, in such a way that the cell can adapt to changes in its environment. Nevertheless, this environment can affect the behavior of the cell through mechanisms that rely on biophysical signals or even physical properties of this environment. The work presented in this thesis is based on the modification of two main aspects of the physical environment: geometry of adhesion and surface roughness. On the one hand, the geometry is controlled by patterns of adhesions, giving the ability to design bipolar motifs that highligt the importance of mechanical forces in neuronal growth, and also more complex motifs that allow the control of neuronal polarization, in particular by an inhibition of axonal differenciation on curved lines. On the other hand, a roughness below the microscale creates a distribution of adhesion points that results in an increase in neuronal growth rate and even influences axonal polarization. The final part of this thesis focuses on the development of an innovative method for placing cells at precise locations on a substrate, by the help of magnetic traps. This method is the final step required for growing model neuron networks on our nanotransistors.