Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / La formation des connexions entre les neurones durant le développement et la plasticité des connexions synaptiques une fois établies nécessite une fine régulation au niveau du cytosquelette du neurone. Les interactions entre les microtubules et l'actine du cytosquelette sont à l'origine du déplacement et du guidage de l'extrémité de l'axone en croissance, et de récentes évidences suggèrent qu'elles pourraient être importantes dans la réorganisation synaptique. La protéine kinase Ca2+/calmoduline-dépendante II (CaMKII), une des protéines les plus abondantes du cerveau, pourrait être impliquée dans la régulation de ces interactions. Il a été montré que la sous-forme CaMKIIb, exprimée dans le développement et liant l'actine en situation de faible activité, détecte les oscillations calciques dans le cône de croissance et provoque son attraction. Le mécanisme par lequel la CaMKIIb entraîne le virage du cône est cependant inconnu. L'isoforme CaMKIIa, essentielle dans la potentialisation à long-terme de l'épine dendritique, a été observée s'accumulant sous l'épine dendritique lors d'une forte activité locale, où elle pourrait contrôler la livraison locale de cargos destinés à la synapse. Dans le laboratoire du Dr. De Koninck, nous avons observé ces deux formes se lier à des structures ressemblant à des microtubules pendant une forte stimulation. La liaison de la CaMKII aux microtubules pourrait expliquer le mécanisme d'action de la CaMKIIb dans le virage du cône de croissance ainsi que mettre en évidence un nouveau rôle de la CaMKIIa dans l'épine dendritique. Au cours de mes travaux de maîtrise, j'ai observé la CaMKII et le cytosquelette dans des cultures de neurones d'hippocampe de rats en marquant les protéines avec des anticorps ou en transfectant des protéines de fusion fluorescentes. Mes analyses de colocalisation m'ont permis de montrer que la dépolarisation du neurone provoque le déplacement de la CaMKIIb de l'actine vers les microtubules dans le cône de croissance et la localisation de la CaMKIIa aux microtubules, mais pas aux neurofilaments, dans le neurone plus mature. Les études d'inhibition de la CaMKIIb au cours du développement ainsi que l'étude du guidage du cône de croissance n'ont pas donné de résultats probants permettant d'expliquer le rôle du déplacement de la CaMKIIb. Finalement, il est possible que la liaison de la CaMKIIa aux microtubules sous l'épine puisse être impliquée dans les entrées de microtubules dans l'épine et dans la livraison de récepteurs AMPA.

Les circuits nerveux s'organisent autour des grands axes de polarité du corps. Au cours du développement, la navigation ainsi que l'arrangement spatial des projections au sein de leurs territoires cibles sont contrôlés par de nombreux facteurs de guidage. Pendant ma thèse je me suis intéressée à deux modèles de formation des circuits neuronaux présentant une polarité dans l'axe droite-gauche. Le premier concerne la mise en place des projections des interneurones commissuraux de la moelle épinière, un modèle de navigation orientée et le second, porte sur l'innervation des motoneurones phréniques, un modèle d'organisation asymétrique dans le territoire cible. Les mouvements comme la marche, la course ou la nage font intervenir des circuits neuronaux particuliers dédiés à la coordination des deux côtés du corps. Ces circuits sont formés majoritairement par les projections des interneurones commissuraux de la moelle épinière. Au cours du développement, ces interneurones élaborent un axone qui traverse la ligne médiane partageant les deux moitiés du système nerveux central pour se connecter aux motoneurones ou à d'autres interneurones de l'hémi-moelle opposée. De nombreux travaux ont porté sur les mécanismes de traversée de la ligne médiane et ont mis en évidence un rôle fondamental de facteurs de guidage comme la Nétrine, les Slit et les Sémaphorines. Ces molécules sont secrétées par les cellules de la plaque du plancher (PP) environnant la ligne médiane ventrale. Lors de leur traversée les axones commissuraux sont tout d'abord attirés par les signaux attractifs secrétés par les cellules de la PP. Une fois que les axones ont traversé la ligne médiane, ils perdent leur sensibilité aux facteurs attractifs et développent des nouvelles sensibilités pour des facteurs répulsifs qui les guident hors de la PP. Une étude menée par mon équipe a permis de montrer que les axones commissuraux acquièrent une réponse à la Sémaphorine3B seulement après avoir traversé la ligne médiane. Dans cette étude, l'équipe a montré que pendant la phase qui précède la traversée de la PP, une protéase, la Calpaine-1, dégrade la Plexine-A1, le corécepteur de Sema3B (Nawabi et al., 2010). L'inhibition de cette voie pendant la traversée de la PP conduit à la stabilisation de la PlexineA1 à la surface du cône de croissance et la formation d'un complexe récepteur de Sema3B fonctionnel composé de la Plexine-A1 et de la sous-unité de liaison de Sema3B, la Neuropiline2. La suppression de l'activité Calpaine est contrôlée par des signaux de la PP dont la nature n'était pas connue. Au cours de ma thèse j'ai identifié et caractérisé les contributions fonctionnelles de deux signaux de la PP qui sont responsables de la suppression de l'activité Calpaine et la sensibilisation des axones à Sema3B après la traversée. Ces résultats ont permis d'élargir les fonctions du facteur neurotrophique gdnf, et d'apporter de nouveaux éléments sur les voies de contrôle de la signalisation Sémaphorine, les processus de traversée et les modulations post-traductionnelles des récepteurs Plexines. Dans un deuxième projet, je me suis intéressée aux asymétries droite-gauche du système nerveux, par l'étude d'un nouvel exemple de circuit neuronal asymétrique : l'innervation motrice du diaphragme. Le diaphragme est un muscle indispensable à la respiration, il est composé d'une région centrale tendineuse et de deux muscles latéraux. Ces muscles sont innervés par un groupe particulier de motoneurones provenant de la moelle épinière cervicale, qui forment les nerfs phréniques droits (D) et gauches (G). Malgré une position centrale dans l'organisme et une morphologie apparente symétrique, nous avons découvert que le diaphragme présente une asymétrie musculaire ainsi qu'une asymétrie nerveuse. Etonnamment les motoneurones phréniques établissent un motif de connexion typique et différent sur les muscles droit et gauche du diaphragme [etc...] / The nervous circuits have stereotype positions within the major body axes. During development, axonal navigation and special positioning of the axon tracts in the target territories are regulated by many axon guidance factors. During my thesis I have been interested in two models of neuronal circuit formation that present a leftright polarity. The first one concerns the formation of the spinal commissural neurons projections, a model of oriented navigation along the left-right axis and the second one is the innervation of the phrenic motoneurons, a novel model of left-right asymmetric innervation pattern. Rhythmic locomotor movements like walking, running or swimming require neuronal circuits ensuring left-right coordination. Central components of these circuits are commissural neurons of the spinal cord. During development theses neurons are projecting axons across the midline that divides the nervous system in two parts, which connect the contralateral side of the spinal cord. Extensive work focused on the mechanisms controlling midline crossing. These study revealed a fundamental role of guidance factors secreted by floor plate cells at the ventral midline such as Netrins, Slits and Semaphorins. They also revealed that before crossing, axons are attracted towards the floor plate, and navigating by the floor plate they lose responsiveness to these attractive factors and develop a new sensitivity to repulsive cues that drive them out of the floor plate. In a previous study, my team showed that commissural axons gain response to Sema3B only after floor plate crossing (Nawabi et al., 2010). Before crossing, Plexin-A1 the Sema3B receptor is processed by a protease: the Calpain1. During crossing suppression of this pathway enable Plexin-A1 expression at growth cone surface, leading to sensitization to Sema3B. The suppression of Calpain activity was found controlled by floor plate signals, which remained unknown. During my thesis I have identified and characterized the functional contribution of two floor plate signals that are responsible for the inhibition of Calpain activity and axon sensitization to Sema3B after midline crossing: the neurotrophic factor gdnf and the cell adhesion molecule NrCAM. My results bring new elements on the control of midline crossing processes, Semaphorin signaling, and post-translational modifications of the Plexins receptors. In my second project, I have been interested in left-right asymmetries of the nervous system through the study of a new model of left-right asymmetry: the diaphragm innervation. The diaphragm is a muscle essential for breathing, it is composed of one central tendinous region and two lateral muscles. These muscles are innervated by a subset of cervical spinal cord motoneurons which forms the left and right phrenic nerves. Despite its central disposition in the organism and its apparent symmetry, we noticed that the diaphragm presents nervous and muscular asymmetries. Surprisingly phrenic motoneurons present typical and different nerve patterns on the left and right diaphragm muscles. Diverse left-right characteristic have been documented in the brain but none concerned yet the spinal cord or peripheral projections. My thesis work has been dedicated to the identification of the mechanisms that control the asymmetry of the diaphragm innervation. My work showed that this asymmetry is set up very early during development via a molecular pathway that is known to control the visceral organ asymmetry. This work opens numerous perspectives and brings new information on the molecular diversity of spinal neurons that could shed a new light on the mechanisms of motoneuron physiopathology

Dans le cadre des futures missions d'exploration planétaire comportant un atterrissage, la sélection d'un site d'atterrissage sécuritaire en temps réel devient une technologie de plus en plus recherchée. Celle-ci permet d'augmenter les retombées scientifiques de la mission en donnant accès à des régions à plus haut potentiel scientifique. Elle permet aussi d'accroître les chances de réussite de la mission et d'augmenter la charge utile des équipements en rendant l'atterrissage plus sécuritaire. Parmi les méthodes développées pour faire la sélection d'un site d'atterrissage, celle proposée par Andrew Johnson du Jet Propulsion Laboratory pour évaluer le degré de sécurité de sites d'atterrissage à partir d'images lidar prises pendant la descente s'avère très intéressante. Il utilise une technique nommée moindres carrées médians pour calculer la pente et la rugosité des sites d'atterrissage. Cependant, le temps de calcul exigé par cette approche la rend difficile à exécuter en temps réel. Ce mémoire de maîtrise propose l'utilisation d'un système à base de RNA (réseaux de neurones artificiels) pour faire l'approximation de la méthode des moindres carrés médians. Une architecture comportant quatre RNA a été développée afin de déterminer la pente et la rugosité d'un site d'atterrissage. Trois RNA permettent d'évaluer les paramètres du plan médian afin d'estimer ces deux propriétés du terrain. Un réseau optionnel est spécialisé pour l'évaluation des sites comportant une grande rugosité. Des modules de prétraitement et post-traitement des données sont utilisés pour améliorer la performance des réseaux de neurones et des modules d'arbitrage servent à déterminer les deux sorties du système. Une solution est aussi proposée pour présélectionner une zone d'atterrissage sécuritaire afin de réduire le nombre de sites individuels à évaluer. Plusieurs types de réseaux de neurones ont été comparés pour résoudre la problématique. Des lignes directrices ont été établies permettant de choisir les réseaux de neurones les plus efficaces pour chacun des modules en fonction du temps de calcul disponible. Le système développé permet de diminuer considérablement le temps de calcul requis pour résoudre la problématique. De plus, la solution proposée peut facilement être adaptée en fonction des objectifs de la mission spatiale.

Ce mémoire présente une analyse des capacités d'un réseau de neurones à décharges à quatre couches comportant des neurones complexes, dont le champ récepteur est défini par des entrées synchrones, dans le contexte d'une application de reconnaissance de formes. Avec le développement d'un modèle informatique basé sur les études neurophysiologiques, un procédé de projection de l'information vers les neurones complexes est présenté. De plus, une corrélation temporelle est utilisée pour établir la reconnaissance de formes. Une première étape permet de segmenter des images sources à l'aide d'une communication synaptique intra-couche. Puis, une projection sur deux nouvelles couches de neurones complexes et une communication synaptique extra-couche permettent de comparer des formes semblables. S'il y a correspondance entre deux ou plusieurs régions, une synchronisation des neurones complexes est décelée, sinon, il n'y aura pas de synchronisation des neurones. L'objectif est d'employer, dans un premier temps, cette nouvelle structure de réseau de neurones à décharges pour la reconnaissance de formes ayant divers niveaux de complexité, et, dans un deuxième temps, de comprendre les apports des choix de conception sur le comportement du réseau. Les expérimentations posées ont permis de conclure que le réseau développé, SyncOsc, est globalement plus performant que le réseau de comparaison ODLM. SyncOsc se montre en effet plus stable, bien plus rapide et apte à traiter des images de grandes tailles, ce que ODLM ne peut réaliser.

In this master thesis, we present two different hardware implementations of the Oscillatory Dynamic Link Matcher (ODLM). The ODLM is an algorithm which uses the synchronization in a network of spiking neurons to realize different signal processing tasks. The main objective of this work is to identify the key design choices leading to the efficient implementation of an embedded version of the ODLM. The resulting systems have been tested with image segmentation and image matching tasks. The first system is bit-slice and time-driven. The state of the whole network is updated at regular time intervals. The system uses a bit-slice architecture with a large number of processing elements. Each processing element, or slice, implements one neuron of the network and takes the form of a column on the hardware. The columns are placed side by side and they are locally connected to their 2 neighbors. This local hardware connection scheme makes the system scalable, which means that columns can be easily added to increase the capacity of the system. Each column consists of a weight vector, a synapse model unit and a membrane model unit. The system can implement any network topology, making it very flexible. The function governing the time evolution of the neurons' membrane potential is approximated by a piece-wise linear function to reduce the amount of logical resources required. With this system, a fully-connected network of 648 neurons can be implemented on a Virtex-5 Xilinx XC5VSX5OT FPGA clocked at 100 MHz. The system is designed to process simultaneous spikes in parallel, reaching a maximum processing speed of 6 Mspikes/s. It can segment a 23×23 pixel image in 2 seconds and match two pre-segmented 90×30 pixel images in 550 ms. The second system is event-driven. A single processing element sequentially processes the spikes. This processing element is a 5-stage pipeline which can process an average of 1 synapse per 7 clock cycles. The synaptic weights are not stored in memory in this system, they are computed on-the-fly as spikes are processed. The topology of the network is also resolved during operation, and the system supports various regular topologies like 8-neighbor and fully-connected. The membrane potential time evolution function is computed with high precision using a look-up table. On the Virtex-5 FPGA, a network of 65 536 neurons can be implemented and a 406×158 pixel image can be segmented in 200 ms. The FPGA can be clocked at 100 MHz. Most of the design choices made for the second system are well adapted to the hardware implementation of the ODLM. In the original ODLM, the weight values do not change over time and usually depend on a single variable. It is therefore beneficial to compute the weights on the fly rather than saving them in a huge memory bank. The event-driven approach is a very efficient strategy. It reduces the amount of computations required to run the network and the amount of data moved in and out of memory. Finally, the precise computation of the neurons' membrane potential increases the convergence speed of the network.

Au cours de la différenciation neuronale, les gènes proneuraux induisent l'expression de nombreux gènes appartenant à différentes familles. Deux de ces familles constituent l'intérêt de cette étude à savoir les facteurs de transcription à doigts à zinc Myt/NZF et IA1/INSM1. Chez le xénope, il a été démontré que XMyT1 coopère avec les facteurs bHLH afin d'induire la neurogenèse de manière insensible à la voie de signalisation Delta/Notch (Bellefroid et al., 1996). Son mode d'action n'est pas connu et nécessite d'être approfondi afin de mieux comprendre son rôle au cours de la neurogenèse. Lors d'expériences utilisant un gène rapporteur, la protéine XMyT1 a été décrite comme activateur de la transcription tandis que la protéine orthologue NZF3 chez le rat se comporte comme répresseur de la transcription (Yee et al., 1998). Récemment, il a été rapporté que les protéines NZF1 et NZF2 chez la souris interagissent avec le corépresseur Sin3 (Romm et al., 2005). Néanmoins aucunes données n'existent concernant l'interaction entre Myt/NZF et d'autres co-facteurs. Suite à la recherche de partenaires protéiques en utilisant la technique du double hybride en levures, nous avons identifié le corépresseur XCtBP. Nous avons confirmé in vivo et in vitro que XMyT1 interagit avec XCtBP. Cette interaction est propre à la région centrale de XMyT1 et trois motifs de recrutement de CtBP ont été identifiés dans celle-ci à savoir PGDLS, PENLS et TLDLS. Le motif de liaison TLDLS constitue un site dégénéré non décrit dans la littérature. Ce motif est conservé évolutivement parmi les trois membres NZF1, NZF2 et NZF3. Aussi, le motif TLDLS présente le plus d'affinité pour XCtBP. Les parties N-terminale, C-terminale et centrale de XMyT1 se comportent comme répresseur de la transcription et la région centrale continue de réprimer la transcription même lorsqu'elle n'est plus capable de recruter XCtBP. Cette activité est antagoniste à celle exercée par la protéine sauvage XMyT1. En effet, dans des expériences de gain de fonction, nous avons montré que XMyT1 induit l'expression des gènes XIA1, XPak3 et elrC. Nous avons montré que leur expression est induite de manière ectopique lorsque XMyT1 et XAsh3 sont surexprimés en même temps. Nous avons montré en embryons de xénope que XIA1 est exprimé dans les neurones primaires à partir du stade neurula précoce et qu'il a un profil d'expression similaire à XMyT1. Nos résultats ont permis de mettre en lumière une fonction biologique de l'interaction entre XMyT1 et XCtBP. Le recrutement de XCtBP réduit l'activation de l'expression de XIA exercée par la protéine XMyT1 seule ou combinée à XAsh3 et ce aux stades précoces de la différenciation neuronale. Ainsi, XCtBP jouerait un rôle dans la régulation transcriptionnelle de XMyT1 durant la neurogenèse. Cette étude suggère que XMyT1 pourrait également interagir avec des co-activateurs pour contrebalancer l'effet des co-répresseurs étant donné que la protéine sauvage a été décrite, à ce jour, aussi bien dans des expériences in vivo qu'in vitro, comme activatrice de la transcription.

Depuis plusieurs années, la robotique mobile tente de s'extraire de l'espace amniotique des laboratoires de recherche afin d'explorer l'univers imprévisible, voire hostile, de nos lieux de vie, de travail, pour nous servir ou nous divertir. Or, les méthodes classiques de l'intelligence artificielle nécessitent des modèles du robot, de ses actions et de ses perceptions, conçus a priori. Elles sont donc peu adaptées à l'inattendu et à la nouveauté. D'autre part, les systèmes d'apprentissage artificiel, souvent d'inspiration biologique, semblent à présent en voie de fournir les capacités d'adaptation manquantes à ces premières. Nous envisageons dans cette thèse l'apprentissage comme un mécanisme central de l'architecture robotique. Celle-ci peut être représentée sous les traits d'une boucle sensori-motrice où actions et perceptions se rejoignent au sein d'une structure associative. L'apprentissage permet l'acquisition de connaissances nouvelles sur l'environnement mais il intervient également dans la modélisation des actions du robot : en associant des combinaisons de consignes simples sur les moteurs, et en mémorisant les effets de ces actions sur l'environnement ou sur le robot lui-même. Cette forme d'apprentissage a pour support un réseau de neurones permettant un apprentissage en ligne non supervisé. Cette architecture permet également d'exprimer les motivations et les objectifs du robot par le biais d'un second système d'apprentissage en associant une valeur de récompense aux représentations des actions ou des perceptions, par un apprentissage par renforcement. C'est donc l'utilité de chaque action, qui permettra finalement à un processus décisionnel d'avoir lieu.

Magnocellular neurones (MCNs) are capable of secreting vasopressin and oxytocin from the somato-dendritic compartment, which can occur independently to secretion from nerve terminals. One hypothesis of the mechanism that regulates this differential release is that dendrites utilise different vesicle pools compared to those found in terminals. Little is known for the function of neuronal dendrites, especially the mechanism for peptide release. One theory is that vesicles stored in dendrites are non-released vesicles ready for recycling or degradation. Immunofluorescent labelling was performed on hypothalamic slices of the transgenic rat where enhanced green fluorescent protein (eGFP) was tagged to vasopressin. Lysosomes were detected by the lysosome-associated membrane protein LAMP1. Correlation analysis of LAMP1 labelling and VP-eGFP had shown that localisation of lysosomes in dendrites is positively correlated to loci of high vasopressin expression. This suggests active degradation of vesicles in dendrites. It is not known whether preferential release of peptides occurs along the profile of dendrites. Experiments were carried out using a temperature block to block exit of vesicles from the Golgi apparatus. Release of the temperature block triggered release of a wave of newly synthesised vesicles from the Golgi apparatus. Measurement of the fluorescent intensity of VP-eGFP showed that preferential release of peptides does not occur along the profile of dendrites. I have also utilised confocal live cell imaging to study the dynamics of dendritic vasopressin release using VP-eGFP slice explants. Experiments using high potassium stimulation showed significant increase in the release of vasopressin after priming with thapsigargin (intracellular calcium mobiliser), in accordance to in vitro release and microdialysis studies. These results demonstrate that live cell imaging can be achieved in magnocellular neurons, providing a robust model system in the study of dendritic peptide release. Large dense core vesicles (LDCVs) in other cell types such as bovine adrenal chromaffin cells were shown to segregate according to vesicle age, suggesting that vesicle age is an important factor in the regulation of peptide release. Whether vesicles of different age groups exist in magnocellular dendrites is not known. Thus, biolistic transfection with exogenous fluorescent proteins for expression under temporal control was carried out. However, low transfection rate in magnocellular neurones and the high background fluorescence caused by scattered gold particles used as bullets for transfection deemed this method inappropriate for the purpose of imaging vesicles. Hence, development of an adenoviral transduction system was employed. By using an inducible adenovirus gene construct coupled with a fluorescent reporter gene, it is possible to visualise vesicle pool segregation under different experimental conditions. Subcloning of a red fluorescent construct tagged to ppANF was tested on PC12 cells to show targeting of fluorescence expression to LDCVs. Successful production of an inducible adenoviral DNA with the red fluorescent construct insert was confirmed by PCR and DNA sequencing. Whilst the generation of viral particles is still to be achieved, successful production of the virus will be an invaluable system for inducible gene expression in neurones.

Les coulis de glace sont des réfrigérants secondaires considérés comme propres. Ils sont notamment utilisés dans la climatisation, la conservation d’aliments ou certaines applications médicales. Ils se composent de particules de glace et d'un mélange d'eau liquide et d'un additif (ici le propylène-glycol ou l’éthylène-glycol) utilisé pour abaisser le point de congélation de l'eau. Les caractéristiques rhéologiques des coulis de glace ont été mesurées à l'aide d’un rhéomètre de type Discovery HR2 équipé d'une géométrie de type "vane". On considère trois concentrations initiales de soluté (5%, 14% et 24%) pour les deux additifs et les fractions massiques de glace varient entre 5% et 65%. Les résultats expérimentaux révèlent que les coulis de glace sont généralement des fluides non Newtoniens présentant un comportement rhéofluidifiant ou rhéoépaississant en fonction des conditions expérimentales. Les indices d’écoulement et de consistance impliqués dans le modèle de Herschel-Bulkley ont été évalués selon la méthode des moindres carrés. Les résultats sont finalement validés à partir d’une base de données expérimentales issues de la littérature et les prédictions d'un modèle de réseau de neurones artificiels.

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