Au cours de ce travail de thèse, je présente les résultats de travaux de recherche visant à la fabrication et au développement d'une nouvelle génération d'implants cérébraux permettant l'enregistrement stable dans le temps de signaux électrophysiologiques. L'objectif est d'offrir une solution technologique pour le développement de nouvelles applications chroniques utiles pour l'investigation du fonctionnement du cerveau (ex : dynamique des réseaux de neurones, traitement de l'information) mais aussi nécessaires pour la mise au point de nouvelles technologies, de type Brain Computer Interface (BCI), qui devraient, à terme, permettre d'augmenter l'autonomie des patients atteints de troubles moteurs ou victimes d'accident ayant conduit à un handicap physique.Nous rapportons, à travers diverses études expérimentales, des arguments soutenant l'utilisation de matériaux nanostructurés et en particulier les nanotubes de carbone, pour permettre d'améliorer les performances électriques et pour diminuer leur impact sur la réponse immunitaire du cerveau induite par l'implantation d'un corps étranger. Ceci représente la principale limitation à l'utilisation d'implants de mesure sur de longues périodes.Notre étude couvre ainsi l'ensemble des problématiques relatives aux implants cérébraux, en abordant les techniques de fabrication, le protocole de caractérisation électrique et enfinl'évaluation biologique in vitro et in vivo.Dans un premier temps, nous avons développé une matrice de microélectrodes nanostructurées en utilisant les techniques de microfabrication. Ceci a permis de mettre en avant la diminution de l'impédance interfaciale des électrodes liée à l'augmentation de leurs surfaces développées et, par conséquent, l'amélioration de la qualité du signal due à la réduction du niveau de bruit de la mesure. Une analyse électrochimique complémentaire, nous a dans le même temps, permis d'établir un modèle qualitatif représentant les différents phénomènes mis en jeu et soulignant l'importance des phénomènes diffusifs lors de la mesure et leurs éventuelles conséquences in vivo.Cette première génération d'électrodes nous a également permis de mener une campagne de tests in vitro pour évaluer la cytotoxicité des nanotubes à partir de différents modèles cellulaires: cultures de lignées neuronales (NG108-15) et cellules primaires (cellules gliales7et neurones du cortex ou de l'hippocampe). Suite à ces expériences, aucune forme de toxicité n'a été décelée. Bien au contraire, l'évolution des cellules gliales pendant la culture tend à défendre l'idée que les nanotubes de carbone ont le potentiel de réduire la réaction immunitaire du cerveau. Nous avons testé ce phénomène in vivo grâce à l'analyse histologique de cerveaux de rats après une implantation sous-durale d'un mois avec des échantillons en nitrure de titane (TiN) avec ou sans nanotubes de carbone. Nos résultats confirment une réduction significative de la cicatrice gliale lors d'implantations avec des échantillons nanostructurés.Ces résultats suggèrent un possible impact des nanotubes de carbone sur la stabilité de la mesure dans le temps, autrement dit sur sa « biostabilité ». Nous avons donc implanté un macaque Fascicularis avec un système comportant 16 électrodes en TiN et 16 électrodes nanostructurées de 1mm², amincies à 25μm et montées sur un substrat en polyimide flexible.L'étude qui se situe dans le cadre du projet Neurolink (financé par l'ANR/PNANO),représente la première validation expérimentale sur une longue période et démontre les avantages tant électriques que biologiques de l'utilisation des nanotubes de carbone comme interface entre l'électrode et les neurones. / During this work of thesis, I present the results of research works aiming at the manufacturing and to the development of a new generation of intellectual implants allowing the stable recording in the time of signals électrophysiologiques. The objective is to offer a technological solution for the development of new useful chronic applications for the investigation of the functioning of the brain (ex: dynamics of the networks of neurones, data processing) but also necessities for the development of new technologies, Brain Computer Interface ( BCI), which should, eventually, allow to increase the autonomy of the patients reached(affected) by driving disorders(confusions) or the victims of accident having led(driven) to a physical handicap. [résumé incomplet]

Dans le contexte de l'énaction et dans une approche globale de la perception, nous nous sommes intéressés à étudier calcul neuronal permettant de comprendre les relations entre les structures dans le cerveau et leurs fonctions. Nous avons d'abord examiné les problèmes calculatoires liés à la discrétisation des équations différentielles qui régissent les systèmes étudiés et aux schémas d'évaluation synchrones et asynchrones. Nous nous sommes, ensuite, intéressés à un niveau fonctionnel élémentaire: la transformation de représentations sensorielles spatiales en actes moteurs temporels dans le cadre du système visuo-moteur. Nous avons proposé un modèle minimaliste d'encodage automatique des cibles visuelles de saccades qui se concentre sur le le flux visuel de la rétine vers le colliculus supérieur. Ce modèle, basé sur sur des règles locales simples au sein d'une population homogène, permet de reproduire et d'expliquer plusieurs résultats d'expériences biologiques ce qui en fait un modèle de base efficace et robuste. Enfin, nous avons abordé un niveau fonctionnel plus global en proposant un modèle de la boucle motrice des ganglions de la base permettant d'intégrer des flux sensoriels, moteurs et motivationnels en vue d'une décision globale reposant sur des évaluations locales. Ce modèle met en exergue un processus adaptatif de sélection de l'action et d'encodage de contexte via des mécanismes originaux lui permettant en particulier de constituer la brique de base pour les autres boucles cortico-basales. Les deux modèles présentent des dynamiques intéressantes à étudier que ce soit d'un point de vue biologique ou d'un point de vue informatique computationnel / Within the context of enaction and a global approach to perception, we focused on the characteristics of neural computation necessary to understand the relationship between structures in the brain and their functions. We first considered computational problems related to the discretization of differential equations that govern the studied systems and the synchronous and asynchronous evaluation schemes. Then, we investigated a basic functional level : the transformation of spatial sensory representations into temporal motor actions within the visual-motor system. We focused on the visual flow from the retina to the superior colliculus to propose a minimalist model of automatic encoding of saccades to visual targets. This model, based on simple local rules (CNFT and logarithmic projection) in a homogeneous population and using a sequential processing, reproduces and explains several results of biological experiments. It is then considered as a robust and efficient basic model. Finally, we investigated a more general functional level by proposing a computational model of the basal ganglia motor loop. This model integrates sensory, motor and motivational flows to perform a global decision based on local assessments. We implemented an adaptive process for action selection and context encoding through an innovative mechanism that allows to form the basic circuit for other cortico-basal loops. This mechanism allows to create internal representations according to the enactive approach that opposes the computer metaphor of the brain. Both models have interesting dynamics to study from whether a biological point of view or a computational numerical one

L’étude du fonctionnement de notre système nerveux et des mécanismes sensoriels a mené à la création de capteurs événementiels. Ces capteurs ont un fonctionnement qui retranscrit les atouts de nos yeux et oreilles par exemple. Cette thèse se base sur la recherche de méthodes bio-inspirés et peu coûteuses en énergie permettant de traiter les données envoyées par ces nouveaux types de capteurs. Contrairement aux capteurs conventionnels, nos rétines et cochlées ne réagissent qu’à l’activité perçue dans l’environnement sensoriel. Les implémentations de type « rétine » ou « cochlée » artificielle, que nous appellerons capteurs dynamiques, fournissent des trains d’évènements comparables à des impulsions neuronales. La quantité d’information transmise est alors étroitement liée à l’activité présentée, ce qui a aussi pour effet de diminuer la redondance des informations de sortie. De plus, n’étant plus contraint à suivre une cadence d’échantillonnage, les événements créés fournissent une résolution temporelle supérieure. Ce mode bio-inspiré de retrait d’information de l’environnement a entraîné la création d’algorithmes permettant de suivre le déplacement d’entité au niveau visuel ou encore reconnaître la personne parlant ou sa localisation au niveau sonore, ainsi que des implémentations d’environnements de calcul neuromorphiques. Les travaux que nous présentons s’appuient sur ces nouvelles idées pour créer de nouvelles solutions de traitement. Plus précisément, les applications et le matériel développés s’appuient sur un codage temporel de l’information dans la suite d'événements fournis par le capteur. / Studying how our nervous system and sensory mechanisms work lead to the creation of event-driven sensors. These sensors follow the same principles as our eyes or ears for example. This Ph.D. focuses on the search for bio-inspired low power methods enabling processing data from this new kind of sensor. Contrary to legacy sensors, our retina and cochlea only react to the perceived activity in the sensory environment. The artificial “retina” and “cochlea” implementations we call dynamic sensors provide streams of events comparable to neural spikes. The quantity of data transmitted is closely linked to the presented activity, which decreases the redundancy in the output data. Moreover, not being forced to follow a frame-rate, the created events provide increased timing resolution. This bio-inspired support to convey data lead to the development of algorithms enabling visual tracking or speaker recognition or localization at the auditory level, and neuromorphic computing environment implementation. The work we present rely on these new ideas to create new processing solutions. More precisely, the applications and hardware developed rely on temporal coding of the data in the spike stream provided by the sensors.

Le Syndrome de l'Intestin Irritable (SII) est caractérisé par des douleurs abdominales chroniques, des diarrhées, des constipations ou l'alternance des deux. Les neurones sensitifs des patients seraient surexcitables et ainsi à l'origine de l'hypersensibilité viscérale ressentie. Parmi les médiateurs impliqués dans le SII, les protéases ont un rôle prépondérant notamment car il a été observé une augmentation de leur activité dans des surnageants de biopsies coliques de patients atteints du SII. Ces protéases sont capables d'activer les " Protease-Activated Receptors " (PARs) dans les neurones sensitifs de souris. L'activation des neurones sensitifs murins peut être déclenchée selon un mécanisme dépendant de PAR2 et générant une hypersensibilité viscérale, mais inhibée par un mécanisme dépendant de PAR4. Dans certaines cellules (plaquettes), les PARs ont des rôles très différents entre la souris et l'homme. L'expression et la signalisation des PARs dans les neurones sensitifs humains étant jusqu'alors inconnues, cette thèse a eu pour objectif général d'étudier la signalisation des PARs et d'identifier les effets de médiateurs présents dans les tissus de patients atteints du SII, sur leur capacité à activer des neurones sensitifs humains. Le but ultime était d'identifier de potentielles cibles thérapeutiques pour le traitement de la douleur viscérale associée au SII chez l'homme. Le premier objectif a été de mettre au point la culture de neurones humains des ganglions spinaux dorsaux (GSD) thoraciques, contenant des projections coliques de neurones sensitifs. Une culture de neurones sensitifs d'une pureté de 90% a été obtenue, ces neurones étaient viables et fonctionnels, mobilisant du calcium intracellulaire en réponse à différents agonistes pro-nociceptifs. L'expression des PARs a été étudiée dans ces cultures et comparée à celle dans des tissus de GSD frais. PAR1, PAR2 et PAR4 de même que d'autres récepteurs canaux de la famille des " Transcient Receptors Potential " (TRPs) étaient exprimés de façon comparable dans les GSD fraichement isolés et dans les cultures de neurones, validant ainsi le phénotype physiologique des neurones en culture. L'effet des agonistes des PARs a ensuite été étudié sur la signalisation calcique dans ces cultures de neurones sensitifs humains. De tous les agonistes peptidiques des PARs utilisés, seul le peptide activateur de PAR1 a conduit à une augmentation du flux calcique dans les neurones sensitifs humains, tandis que le peptide agoniste de PAR4 l'a réduite. Comme le peptide activateur de PAR1, la thrombine, une protéase capable d'activer à la fois PAR1 et PAR4 a induit une augmentation du flux calcique dans les neurones sensitifs humains. La mobilisation calcique induite par la thrombine a été inhibée par un antagoniste de PAR1 et potentialisée par un antagoniste de PAR4. La thrombine exerce donc un double effet contradictoire sur les neurones sensitifs humains, induisant un signal calcique par l'activation de PAR1 et l'inhibant par l'activation de PAR4. Les surnageants de biopsies coliques de patients atteints du SII mais pas ceux de contrôles sains, ont provoqué un flux calcique dans les neurones sensitifs humains par un mécanisme dépendant de l'activation de PAR1. Nos résultats mettent en évidence l'importance de réduire la sensibilisation des neurones sensitifs humains dépendante de l'activation de PAR1 dans le SII. Notre technique de culture de GSD humains offre de nouvelles applications en neurosciences et nos résultats permettent d'envisager de nouvelles perspectives thérapeutiques quant à l'utilisation d'un antagoniste de PAR1 pour le traitement de la douleur viscérale associée au SII. / Irritable Bowel Syndrome (IBS) is characterized by chronic abdominal pain, diarrhea and/or constipation. Sensory neurons from IBS patients are considered to be over-activated, being thereby responsible of the experienced visceral pain. Among mediators involved in IBS, proteases seem to have a prominent role. First, proteolytic activity is increased in the supernatants of colonic biopsies from IBS patients. Second, these proteases activate " Proteases-Activated Receptors " (PARs) in rodent sensory neurons. Rodent primary afferent activation can be induced by a PAR2-dependent mechanism, which generates visceral hypersensitivity. This mechanism can be inhibited by a PAR4-dependent mechanism. In some cell types such as platelets, PARs may have very different functions in rodent versus human. The expression and the signalization of PARs in human sensory neurons have never been explored. The general aim of this thesis was to study the signalization of PARs and to identify the effect of mediators present in tissues from IBS patients, on their ability to activate human sensory neurons. The final objective was to identify new possible therapeutic targets to treat visceral pain associated with IBS. The first objective was to establish a protocol for culturing human sensory neurons isolated from thoracic dorsal root ganglia (DRG). Thoracic DRG contain the stroma of sensory neurons projecting from the colon. The culture of human sensory neurons was 90% pure with viable and functional neurons, which were able to induce calcium flux in response to different pro-nociceptive agonists. PAR expression was studied in cultures and compared to fresh DRG tissues. PAR1, PAR2 and PAR4 as well as others receptors from the " Transcient Receptors Potential " (TRPs) channel family were similarly expressed in neurons from fresh DRG tissues and in cultured sensory neurons, thereby validating the physiological phenotype of human DRG neurons in culture. The effect of PAR agonists was studied by imaging calcium mobilization in human sensory neuron cultures. From all PAR agonist peptides used, only PAR1 agonist peptide was able to increase calcium signaling in human sensory neurons, while PAR4 agonist peptide was able to decrease this calcium signaling. Similar to PAR1 agonist peptide, thrombin a protease capable of activating both PAR1 and PAR4, induced an increase of calcium flux in human sensory neurons. Thrombin-induced calcium mobilization was inhibited by a PAR1 antagonist and was potentiated by a PAR4 antagonist. Thus, thrombin has a contradictory double effect on human sensory neurons, inducing calcium signaling through PAR1 activation and inhibiting calcium signaling through PAR4 activation. In addition, supernatants of colonic biopsies from IBS patients but not from healthy controls, provoked an increased calcium signaling in human sensory neurons. This effect was dependent on the activation of PAR1. In the context of IBS, our results highlight the importance of targeting PAR1-induced sensitization in human sensory neurons. The DRG culture technique we have established offers important and new applications in the domain of neurosciences. All together, these data point to new therapeutic possibilities for the use of PAR1 antagonist in the treatment of visceral pain associated with IBS.

La miniaturisation des composants impose à l’industrie de la micro-électronique de trouver des techniques de caractérisation fiables rapides et si possible à moindre coût. Les méthodes optiques telles que la scattérométrie se présentent aujourd’hui comme des alternatives prometteuses répondant à cette problématique de caractérisation. Toutefois, l’ensemble des méthodes scattérométriques nécessitent un certain nombre d’hypothèses pour assurer la résolution d’un problème inverse et notamment la connaissance de la forme géométrique de la structure à tester. Le modèle de structure supposé conditionne la qualité même de la caractérisation. Dans cette thèse, nous proposons l’utilisation des réseaux de neurones comme outils d’aide à la décision en amont de toute méthode de caractérisation. Nous avons validé l’utilisation des réseaux de neurones dans le cadre de la reconnaissance des formes géométriques de l’échantillon à tester par la signature optique utilisée dans toute étape de caractérisation scattérométrique. Tout d’abord, le cas d’un défaut lithographique particulier lié à la présence d’une couche résiduelle de résine au fond des sillons est étudié. Ensuite, nous effectuons une analyse de détection de défaut de modèle utilisé dans la résolution du problème inverse. Enfin nous relatons les résultats obtenus dans le cadre de la sélection de modèles géométriques par réseaux de neurones en amont d’un processus classique de caractérisation scattérométrique. Ce travail de thèse a montré que les réseaux de neurones peuvent bien répondre à la problématique de classification en scattérométrie ellipsométrique et que l’utilisation de ces derniers peut améliorer cette technique optique de caractérisation / The miniaturization of components in the micro-electronics industry involves the need of fast reliable technique of characterization with lower cost. Optical methods such as scatterometry are today promising alternative to this technological need. However, scatterometric method requires a certain number of hypothesis to ensure the resolution of an inverse problem, in particular the knowledge of the geometrical shape of the structure under test. The assumed model of the structure determines the quality of the characterization. In this thesis, we propose the use of neural networks as decision-making tools upstream of any characterization method. We validated the use of neural networks in the context of recognition of the geometrical shapes of the sample under testing by the use of optical signature in any scatterometric characterization process. First, the case of lithographic defect due to the presence of a resist residual layer at the bottom of the grooves is studied. Then, we carry out an analysis of model defect in the inverse problem resolution. Finally, we report results in the context of selection of geometric models by neural networks upstream of a classical scatterometric characterization process. This thesis has demonstrated that neural networks can well answer the problem of classification in ellipsometric scatterometry and their use can improve this optical characterization technique

Le syndrome de DiGeorge ou microdélétion 22q11.2, est la délétion chromosomique la plus fréquente chez les êtres humains. Cette délétion est liée à la recombinaison homologue non-allélique au cours de la méiose induisant la perte d’en moyenne 40 gènes. Les études de corrélation génotype/phénotype chez les patients ont révélé des différences phénotypiques entre individus et cela indépendamment de la taille des microdélétions. L’hypothèse de l’implication des mécanismes épigénétiques dans la variabilité phénotypique observée a été soulevée mais reste encore inexplorée. C’est dans ce contexte que nous nous intéressons à l’étude des mécanismes épigénétiques au cours du développement, dans cette pathologie à travers l’utilisation d’un modèle de cellules souches pluripotentes induites humaines (hiPSs). En particulier, nous avons ciblé nos travaux sur le rôle de la chaperonne d’histone HIRA dont le gène est localisé dans la région délétée. HIRA est impliquée dans la déposition du variant d’histone H3.3, une histone majeure dans le cerveau. Afin de comprendre l’implication de HIRA dans les manifestations neurologique du syndrome de DiGeorge et en particulier dans la schizophrénie, nous avons développé et optimisé un nouveau protocole pour la différenciation de cellules hiPSCs en progéniteurs neuronaux, neurones corticaux et neurones dopaminergiques. L’ensemble de ces travaux ouvre donc de nouvelles perspectives pour la modélisation d’un grand nombre de pathologies, et dans le contexte du laboratoire, pour l’exploration des mécanismes épigénétiques associés à la variabilité phénotypique dans différentes maladies génétiques. / The DiGeorge syndrome also known as 22q11.2 microdeletion syndrome, is the most common deletion in humans. This deletion is linked to a non-allelic homologous recombination that occurs during meiosis and involves sequences called LCRs for "Low Copy Repeats". Depending on the LCRs involved, different deletions are observed, inducing the loss of approximately 40 genes. The absence of genotype/phenotype correlation in patients and the phenotypical differences regardless of the size of the microdeletion suggests the involvement of additional parameter. The hypothesis of epigenetic changes associated with the onset or variability of symptoms has been suggested but never investigated. In order to tackle this question, we decided to focus our attention of the role of the HIRA histone chaperone encoded by a gene located in the 22q11.2-deleted region. HIRA is involved in the deposition of the H3.3 histone variant, one of the main histone in the brain. In order to determine whether HIRA is implicated in the neurological manifestations in DiGeorge patients and particularly in schizophrenia, we developed and optimized a new protocol for the direct differentiation of human induced pluripotent stem cell (hiPSCs) into neural progenitors, cortical and dopaminergic neurons. In parallel, we developed a new protocol for hiPSCs differentiation toward the skeletal muscle lineage and the production of multinucleated muscle fibers. Altogether, these results open new perspectives for the modeling of a large number of pathologies, and in the context of our laboratory, the exploration of epigenetic mechanisms associated with phenotypic variability in different genetic diseases.

La maladie de Parkinson (MP) se caractérise par des troubles moteurs d'évolution progressive, conséquence de la dégénérescence des neurones dopaminergiques de la substance noire. Dans cette maladie, le vieillissement est un facteur de prédisposition majeur. Au cours de ma thèse, j'ai examiné dans un premier temps, les modèles in vivo utilisés au laboratoire pour étudier la MP chez la drosophile, à savoir l'expression de l'α-synucléine et l'intoxication au paraquat. J'ai ainsi contribué à l'identification d'une sous-population de neurones dopaminergiques impliquée dans les effets locomoteurs de l'α-synucléine et à la mise en évidence du rôle d'un récepteur dopaminergique de type D1 dans la neurotoxicité du paraquat. J'ai ensuite montré que l'activité des neurones dopaminergiques accélère la sénescence et diminue la durée de vie des drosophiles en contribuant de manière significative à la production des DRO dans le cerveau. Enfin, nous avons identifié et caractérisé chez la drosophile une protéine homologue de LAMP-2A, le récepteur lysosomal de l'autophagie médiée par les chaperonnes (AMC), et démontré que l'augmentation de la clairance neuronale des protéines cytosoliques par l'expression du LAMP-2A humain ou de son homologue de drosophile a des effets positifs sur le déclin locomoteur lié à l'âge et la résistance aux facteurs de la MP, mais qu'elle n'augmente pas la longévité. Ces résultats suggèrent que l'AMC est un mécanisme conservé chez la drosophile et que son activation protège contre le stress oxydatif et le vieillissement neuronal. / Parkinson's disease (PD) is characterized by progressive motor disorders resulting in dopaminergic neurons degeneration in the substantia nigra. In this pathology, aging is a major predisposing factor. During my thesis, I examined initially, in vivo models used in the laboratory to study the PD in Drosophila, namely the expression of α-synuclein and paraquat. I have contributed to the identification of dopaminergic neurons subpopulation involved in locomotor effects of α-synuclein and highlighting the role of a dopamine D1-like receptor in neurotoxicity of paraquat. I then shown that the activity of dopaminergic neurons accelerated senescence and decreases Drosophila lifespan by contributing significantly to the production of ROS in the brain. Finally, we identified and characterized Drosophila homologous of LAMP-2A protein, involves in autophagy-mediated chaperone (AMC), and demonstrated that the increase in neuronal clearance of cytosolic proteins by the expression human LAMP-2A or its Drosophila homologue has positive effects on the locomotor decline associated with aging and resistance against PD factors, but it does not increase longevity. These results suggest that the CMA is a conserved mechanism in Drosophila and its activation protects against oxidative stress and neuronal aging.

La dopamine (DA) contrôle l'apprentissage lié à la récompense en régulant l'activité et la plasticité de la transmission corticostrialale. Les effets à long terme de la DA impliquent des changements dans la transcription des gènes. Le but de ce travail de thèse est d'étudier les changements transcriptionnels produit dans le striatum ventral, dorsal et cortex préfrontal, par un protocole d'apprentissage opérant ou après une activation du système de la récompense par des injections de cocaïne. Les neurones épineux moyens du striatum peuvent être séparé en deux populations fonctionnelles sur la base de l'expression du récepteur de type 1 de la DA (D1R) ou de type 2 (D2R). Des souris transgéniques expriment une protéine ribosomale étiqueté avec la GFP sous le contrôle du promoteur de D1R ou D2R ont été utilisés afin d'isoler les ARN messagers (ARNm) des neurones D1 ou D2. La première partie de ce travail est centré sur la comparaison de l'expression des gènes dans les différentes populations neuronales exprimant le D1R ou D2R appartenant aux différentes régions d'intérêt, ce qui apporte une caractérisation précise nouvelle des neurones cibles de la DA. Dans un deuxième temps, nous avons caractérisé les modifications produites dans chaque population neuronale par une stimulation passive du système de récompense (traitement chronique à la cocaïne) ou un recrutement actif (apprentissage opérant pour la nourriture). / Dopamine (DA) controls movement execution, action selection, and incentive learning by regulating the activity and plasticity of corticostriatal transmission. Long-term modifications require changes in gene transcription. The aim of this work is to study the changes in transcriptions following an operant learning protocol or mimicking stimulation of the reward system with cocaine in the dorsal striatum and the nucleus accumbens in the striatum, and in the prefrontal cortex. The medium-size spiny striatal projection neurons (SPNs) can be divided into 2 different populations based on the expression of the D1 or D2 DA receptor that participate in distinct pathways, which have opposite functional effects on their target regions. We used transgenic mice that express a tagged ribosomal protein (L10a-EGFP) under control of the D1 or D2 receptor promoter to isolate currently translated mRNA and nuclei from each population of SPNs, as well as from D1 neurons of the prefrontal cortex following passive stimulation of the reward system (chronic treatment with cocaine) and active recruitment of the reward system (operant learning for food). Firstly we compared the basal gene expression in the different neuronal populations characterized by the expression of D1 or D2 receptors and their regional localization. We identified hundreds of differentially expressed mRNA providing a precise characterization of the cellular and regional differences. In the second part, we characterized the changes induced in each neuronal population by a 1-week exposure to cocaine or after operant training for food.

La maladie de Parkinson est une maladie neurodégénérative caractérisée par la perte progressive et sélective des neurones dopaminergiques de la substance noire. Ces neurones émettent des projections axonales dans le striatum et forme la voie nigrostriée ; un circuit de neurones impliqué dans le contrôle de la motricité. La perte de ces neurones est responsable des troubles moteurs caractéristiques de la maladie. Bien qu'il existe des traitements symptomatiques permettant d'améliorer la qualité de vie des patients, aucun traitement ne permet d'arrêter l'évolution de la maladie. Freiner la dégénérescence de ces neurones aurait un impact médical, économique et de santé publique considérable compte tenu du vieillissement croissant de la population. Dans ce but, beaucoup d'études ont été menées sur des facteurs neurotrophiques [1], [2], en particulier le GDNF (glial cell-derived neurotrophic factor), afin de favoriser la survie des neurones et la croissance des axones. Plusieurs essais cliniques ont été conduits mais l efficacité thérapeutique de ces facteurs reste controversée [3], [4]. Trouver des molécules plus spécifiques des neurones dopaminergiques, impliquées dans leur développement, leur survie ou leur fonction, et qui pourraient éventuellement agir de façon complémentaire avec les facteurs neurotrophiques déjà identifiés offrirait des perspectives thérapeutiques nouvelles. Nous avons pensé que netrin-1 pouvait être un candidat intéressant. En effet, cette protéine de guidage axonal, par l'intermédiaire de son récepteur DCC (deleted in colorectal cancer), favorise la pousse et l'orientation des axones, la migration des neurones [5], [6] et participe à la formation et au maintien des synapses [7], [8], [9]. Ce couple ligand/récepteur joue un rôle majeur dans l'établissement et le maintien de connexions entre les neurones et participe notamment à la formation de la voie nigrostriée [10]. Si le rôle de netrin-1 au cours du développement est largement documenté, sa fonction dans le cerveau adulte est peu connue. De façon intéressante, Livesey and Hunt montrent que la substance noire est la région du cerveau adulte contenant le niveau le plus élevé de transcrits de netrin-1 [11]. Netrin-1 est également exprimée dans les zones du striatum où projettent les fibres dopaminergiques des neurones de la substance noire pars compacta, neurones qui, par ailleurs, expriment très fortement DCC [12]–[13]. Cette expression conjointe de netrine-1 et du récepteur DCC suggère un rôle dans le maintien, la survie voire la fonction des neurones dopaminergiques de la substance noire. Par ailleurs, certains polymorphismes du gène DCC sont associés à différents aspects de la maladie de Parkinson (susceptibilité de développer la maladie, l'âge d'apparition des symptômes, sévérité de la progression de la maladie) [14], [15]. Ces différentes observations indiquent que netrin-1 et DCC pourraient réguler le maintien ou la survie des neurones dopaminergiques et donc participer au développement et/ou à la progression de la maladie de Parkinson. De plus, les travaux du laboratoire ont montré que netrin-1 était une molécule de survie. En son absence, DCC est capable d'activer une signalisation sensibilisant la cellule et entraînant la mort de celle-ci [16], [17]. L'ajout de netrin-1 permet d'inhiber cette signalisation pro-apoptotique. En raison du rôle de netrin-1 sur la croissance des axones, le maintien des synapses et la survie cellulaire nous avons choisi d'étudier son effet sur la survie des neurones dopaminergiques de la substance noire dans des modèles in vivo. Pour cela, nous avons étudié l'effet de l'injection de netrin-1 sur la dégénérescence des neurones dopaminergiques de la substance noire dans un modèle animal de référence de la maladie de Parkinson, le modèle de rat lésé à la 6 hydroxydopamine (6-OHDA) [etc…] / The secreted protein netrin-1 has diverse functions among which guidance and survival of neurons when bound to its dependence receptor DCC. In the absence of netrin-1, DCC is cleaved and actively triggers cell death in various contexts. DCC is highly present in a subset of mature neurons that typically degenerates in Parkinson’s disease, dopaminergic neurons of the substantia nigra. Besides, polymorphisms of DCC gene are associated with the disease. Thus, netrin-1 signalling might be implicated in Parkinson’s disease pathogenesis. Here we show, in various Parkinson’s disease models and samples from Parkinson’s disease patient brains, a reduction of netrin-1 levels associated with an increase of DCC cleavage and caspase activity. Specific deletion of netrin-1 in the substantia nigra induces DCC cleavage and leads to the loss of dopamine neurons and motor deficits in mice while intrastriatal injection of netrin-1 restores dopamine neurons and improves motor behaviour in rodent models of the disease. These results highlight the therapeutic potential of targeting netrin-1 signalling in Parkinson’s disease

Actuellement, les technologies du traitement d'information ont atteint leurs limites et il devient donc urgent de proposer de nouveaux paradigmes capables de réduire la consommation d'énergie tout en augmentant la capacité de calcul des ordinateurs. Le cerveau humain est un fascinant et puissant organe, avec ses 300 milliards de cellule, il est capable d’effectuer des taches cognitives en consommant 20W. Dans ce contexte nous avons investiguer un nouveau paradigme appelé "neuromorphic computing" ou le traitement bio-inspiré de l'information.L'objectif de cette thèse est de concevoir et de fabriquer un neurone artificiel a très faible consommation utilisant les récentes avancées scientifiques dans les neurosciences et les nanotechnologies. Premièrement, on a investigué le fonctionnement d'un neurone vivant, sa membrane neuronale et nous avons exploré 3 différents modèles de membranes connues sous le nom de Hodgkin Huxley, Wei et Morris Lecar. Deuxièmement, en se basant sur le modèle de Morris Lecar, nous avons réalisé des neurones artificiels analogiques à spike avec différentes constantes de temps. Puis ils ont été fabriqués avec la technologie 65nm CMOS. Par la suite, nous les avons caractérisés et obtenu des performances dépassant l’état de l’art en terme de surface occupée, puissance dissipée et efficacité énergétique. Finalement, on a analysé et comparé le bruit dans ces neurones artificiels avec le bruit dans des neurones biologiques et on a démontré expérimentalement le phénomène de résonance stochastique. Ces neurones artificiels peuvent être extrêmement utiles pour une large variété d’application allant du traitement de données à l’application médicale. / Current computing technology has now reached its limits and it becomes thus urgent to propose new paradigms for information processing capable of reducing the energy consumption while improving the computing performances. Moreover, the human brain, is a fascinating and powerful organ with remarkable performances in areas as varied as learning, creativity, fault tolerance. Furthermore, with its total 300 billion cells, is able to perform complex cognitive tasks by consuming only around 20W. In this context, we investigated a new paradigm called neuromorphic or bio-inspired information processing.More precisely, the purpose of this thesis was to design and fabricate an ultra-low power artificial neuron using recent advances in neuroscience and nanotechnology. First, we investigated the functionalities of living neurons, their neuronal membrane and explored different membrane models known as Hodgkin Huxley, Wei and Morris Lecar models. Second, based on the Morris Lecar model, we designed analog spiking artificial neurons with different time constants and these neurons were fabricated using 65nm CMOS technology. Then we characterized these artificial neurons and obtained state of the art performances in terms of area, dissipated power and energy efficiency. Finally we investigated the noise within these artificial neurons, compared it with the biological sources of noise in a living neuron and experimentally demonstrated the stochastic resonance phenomenon. These artificial neurons can be extremely useful for a large variety of applications, ranging from data analysis (image and video processing) to medical aspect (neuronal implants).