La neuromodulation de circuits olfactifs par l'acétylcholine (ACh) joue un rôle important dans la discrimination et l'apprentissage d’odeur. Le traitement précoce des signaux chimiosensoriels se produit dans deux régions fonctionnellement et anatomiquement distinctes, les principaux et accessoires bulbes olfactifs (MOB et AOB), qui reçoivent entrée cholinergique significative du cerveau antérieur basal. Ici, nous explorons la régulation des circuits de l’AOB et la MOB par ACh, et comment cette modulation influence le comportement à médiation olfactifs. De manière surprenante, malgré la présence d'un circuit conservé, l'activation des récepteurs muscariniques de l'ACh révèle des différences marquées dans la modulation cholinergique des neurones de sortie: l’excitation de l’AOB et l'inhibition de la MOB. Les cellules granulaires (GCs), le neurone intrinsèque le plus abondant dans l'OB, présentaient également une réponse muscarinique complexe. Alors que les GCs de l’AOB ont été excitées, les GCs de la MOB présentaient une action muscarinique double, une hyperpolarisation et une augmentation de l'excitabilité non couvert par la dépolarisation cellulaire. Par ailleurs, l’ACh a eu un effet différent sur la relation d'entrée / sortie des MCs dans l’AOB et la MOB, montrant un effet net sur le gain en les MCs de la MOB, mais pas dans l'AOB. Fait intéressant, malgré les différences frappantes dans les actions neuromodulateurs sur les neurones de sortie, l'inhibition de la libération d'ACh chemogenetic produit des perturbations similaires dans les comportements olfactifs médiés par ces deux régions. La diminution de l’ACh dans l'OB a perturbé la discrimination naturelle des odeurs liées moléculairement et l'enquête naturelle des odeurs associées à des comportements sociaux. Ainsi, la neuromodulation distincte par l’ACh dans ces circuits pourrait déclencher des solutions différentes générales pour le traitement des odeurs et les médiateurs chimiques, ainsi que les comportements olfactifs diverses qu'ils déclenchent. / Neuromodulation of olfactory circuits by acetylcholine (ACh) plays an important role in odor discrimination and learning. Early processing of chemosensory signals occurs in two functionally and anatomically distinct regions, the main and accessory olfactory bulbs (MOB and AOB), which receive significant cholinergic input from the basal forebrain. Here we explore the regulation of AOB and MOB circuits by ACh, and how this modulation influences olfactory mediated behaviors. Surprisingly, despite the presence of a conserved circuit, activation of muscarinic ACh receptors revealed marked differences in cholinergic modulation of output neurons: excitation in the AOB and inhibition in the MOB. Granule cells (GCs), the most abundant intrinsic neuron in the OB, also exhibited a complex muscarinic response. While GCs in the AOB were excited, MOB GCs exhibited a dual muscarinic action, a hyperpolarization and an increase in excitability uncovered by cell depolarization. Furthermore, ACh had a different effect on the input/output relationship of MCs in the AOB and MOB, showing a net effect on gain in MCs of the MOB, but not in the AOB. Interestingly, despite the striking differences in neuromodulatory actions on output neurons, chemogenetic inhibition of ACh release produced similar perturbations in olfactory behaviors mediated by these two regions. Decreasing ACh in the OB disrupted the natural discrimination of molecularly related odors and the natural investigation of odors associated with social behaviors. Thus, the distinct neuromodulation by ACh in these circuits could underlie different solutions to the processing of general odors and semiochemicals, and the diverse olfactory behaviors they trigger.

La cécité précoce induit des changements comportementaux souvent accompagnés par des changements fonctionnels et neuroanatomiques au niveau du cerveau. Alors que les modifications dans les modalités tactiles et auditives ont été largement étudiées, les changements touchant l’olfaction et la douleur chez les aveugles sont restés moins explorés. Chez l’humain aveugle précoce, certaines études ont rapporté une amélioration de la fonction olfactive alors que d’autres n’ont pas réussi à démontrer de tels effets. Chez l’humain, des études récentes ont mis en évidence une hypersensibilité à la douleur aiguë chez les aveugles précoces. Cependant, les mécanismes sous-jacents sont restés inconnus. Afin d’étudier les changements olfactifs et nociceptifs induits par la cécité précoce ainsi que la plasticité fonctionnelle et neuroanatomique qui les accompagne, nous avons développé un modèle de souris de cécité précoce appelé ZRDBA. Dans cette souche, en croisant un parent homozygote pour le gène Rax/Rx (gène responsable de l’anophtalmie) avec un parent hétérozygote, dans une même portée la moitié des souris naissent anophtalmes alors que l’autre moitié a une vue normale. Cette souche nous permet d’examiner les modifications comportementales et cérébrales induites par la cécité chez deux groupes de souris ayant la même base génétique. Le premier objectif de cette thèse était d’évaluer les changements comportementaux olfactifs induits par la cécité chez les souris ZRDBA et d’examiner si ces changements sont accompagnés de plasticité anatomique dans les régions cérébrales impliquées dans le traitement olfactif. Trois tests comportementaux ont été menés : le test de recherche de nourriture, le test du seuil olfactif et le test de performance olfactive. Les résultats ont révélé des meilleures performances olfactives chez les aveugles dans le test de recherche de nourriture ainsi que dans le test de performance olfactive, mais pas dans le test du seuil olfactif. Ces résultats indiquent une amélioration de la discrimination et identification des odeurs chez les souris aveugles. La plasticité cérébrale dans les structures olfactives a été examinée par des analyses histologiques et analyses IRM. Les résultats des mesures histologiques ont révélé une augmentation du volume des bulbes olfactifs, premier relais de traitement des informations olfactives, chez les souris aveugles. Les analyses IRM ont révélé une augmentation du volume dans les couches granulaires et glomérulaires des bulbes olfactifs ainsi que dans d’autres régions impliquées dans ii le traitement olfactif, notamment, le cortex orbitofrontal et le cortex piriforme. Ces résultats suggèrent que l’amélioration de la fonction olfactive chez les souris aveugles peut être expliquée par la plasticité anatomique mise en évidence dans les structures olfactives. Le deuxiéme objectif de cette thèse était d’évaluer la sensibilité à la douleur chez les souris aveugles ZRDBA. Quatre tests nociceptifs ont été réalisés : le test de formaline (sensibilité chimique), le test de Von Frey (sensibilité mécanique), le test d’acétone (sensibilité au froid) et le test de tail-flick dans l’eau (sensibilité au chaud). Les souris aveugles, lorsque comparées à leurs congénères voyantes, ont montré une hypersensibilité à la douleur dans tous les tests. Afin d’examiner les mécanismes sous-jacents de cette hypersensibilité, nous avons investigué par le biais d’analyses immunohistologiques la plasticité fonctionnelle et anatomique dans l’amygdale, structure clé pour la modulation et traitement de la douleur. Les résultats ont montré une augmentation de l’activité c-fos induite par l’injection de la formaline dans le noyau central de l’amygdale et dans toute l’amygdale chez les souris aveugles. Les analyses histologiques ont également montré une augmentation du volume de l’amygdale chez les souris aveugles. Ces résultats suggèrent la contribution de l’amygdale dans l’hypersensibilité à la douleur mise en évidence chez les souris aveugles. Finalement, dans la troisième partie de cette thèse, nous avons voulu investiguer l’impact de la cécité sur la plasticité dans l’ensemble du cerveau à l’aide d’analyses IRM et d’analyses histologiques. Les résultats de cette étude ont révélé une atrophie de la plupart des structures visuelles, notamment, le corps géniculé latéral, le cortex visuel primaire, le cortex visuel secondaire ainsi que les collicules supérieurs. En outre, les analyses histologiques ont révélé une atrophie de la couche IV dans le cortex visuel primaire et dans le cortex visuel secondaire ainsi qu’une atrophie des couches visuelles superficielles des collicules supérieurs chez les souris aveugles expliquant la réduction du volume observée dans ces régions. Dans les autres structures non visuelles, les analyses ont révélé une augmentation du volume dans l’amygdale, impliquée dans la douleur ainsi que dans plusieurs régions olfactives comme les bulbes olfactifs, le cortex piriforme et le cortex orbitofronal chez les souris aveugles. Ces résultats permettent de faire le parallèle avec les études réalisées chez l’humain et ouvrent la porte pour plus d’investigations des mécanismes sous-jacents de la plasticité cérébrale observée chez les aveugles. / Early blindness induces behavioral changes often accompanied by functional and neuroanatomical changes in the brain. While changes in tactile and hearing modalities have been largely investigated, changes in olfaction and pain in the blind remained less explored. While some studies reported an improvement in olfactory function in early blind humans, others failed to demonstrate such effects. In addition, recent studies evidenced hypersensitivity to acute pain in early blind humans. However, the underlying mechanisms remained unknown. In order to study changes induced by early blindness in olfactory function and as well as the underlying functional and neuroanatomical plasticity, we developed a mouse model of early blindness called ZRDBA. In the unique ZRDBA strain, half of the mice homozygous for the Rax / Rx gene (gene responsible for anophthalmia) are born anophthalmic while the other half heterozygous are born sighted. This ZRDBA mice allow investigation of the behavioral and cerebral changes impacts of early blindness without worrying about strain differences. The first aim of this thesis was to assess olfactory changes induced by blindness in ZRDBA mice and examine whether these changes are accompanied by anatomical plasticity in brain regions involved in olfactory processing. Three behavioral tests were conducted: the buried food test, the odor detection threshold test (sensitivity measure) and the olfactory performance test (three-odor discrimination measure). The results revealed better olfactory performance of blind mice the buried food test as well as in the olfactory performance test but not in the olfactory threshold test. These results indicate an improvement in olfactory discrimination and identification in blind mice. Brain plasticity in olfactory structures was examined by histological and MRI analyses. The results of the histological measurements revealed a larger volume of the olfactory bulbs, the first site for processing olfactory information, in blind mice. MRI analysis revealed a larger volume in the granular and glomerular layers of the olfactory bulbs as well as in other regions involved in olfactory processing, namely, the orbitofrontal cortex and the piriform cortex. These results suggest that plasticity in the olfactory structures may explain the improved olfactory function in blind mice. The second aim of this thesis was to assess pain sensitivity in the blind ZRDBA mice. Four nociceptive tests were carried out: the formalin test (chemical sensitivity), the Von Frey iv test (mechanical sensitivity), the acetone test (cold sensitivity) and the water tail-flick test (hot pain sensitivity). Blind mice showed hypersensitivity to pain in all tests. In order to examine the underlying mechanisms of this pain hypersensitivity, we investigated the functional and anatomical plasticity in the amygdala, a key structure for the modulation and treatment of pain using immunohistological analyses. The results revealed an increase of c-Fos activity induced by the injection of formalin in the central nucleus of the amygdala as well as the whole amygdaloid complex in blind mice. Histological measurement also revealed a larger volume of the amygdala in blind mice. These results suggest the contribution of the amygdala in pain hypersensitivity evidenced in blind mice. Finally, in the third part of this thesis, we wanted to investigate the impact of blindness on anatomical plasticity in the whole brain using MRI and histological analyses. The results of this study revealed atrophy of most of the visual structures, in particular, the lateral geniculate nucleus, the primary visual cortex, the secondary visual cortex as well as the superior colliculi. Moreover, histological analyses revealed an atrophy of layer IV of the primary visual cortex and the secondary visual cortex as well as atrophy of the superficial visual layers of the superior colliculus in blind mice explaining the volumetric reduction observed in these regions. In the non-visual structures, analyses revealed a larger volume in the amygdala, as well as in several olfactory structures such as the olfactory bulbs, the piriform cortex and the orbitofronal cortex in blind mice. These results clarify the impact of early blindness on brain plasticity and opens the door for further investigation of its underlying mechanisms.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La neurogenèse persiste à l’âge adulte dans deux régions du système nerveux central (SNC) des mammifères : la zone sous-ventriculaire (SVZ) du cerveau antérieur et la zone sous-granulaire (SGZ) de l’hippocampe. Cette neurogenèse est possible grâce à la capacité de prolifération des cellules souches présentes dans les niches de la SVZ et la SGZ, mais en vieillissant, le cerveau subit une diminution dramatique du nombre de cellules souches neurales adultes (CSNa), une diminution de la prolifération cellulaire et une altération des niches de neurogenèse. Cependant, une importante question reste sans réponse : comment la perte tardive des CSNa est temporellement reliée aux changements de l’activité de prolifération et de la structure de la principale niche de neurogenèse (la SVZ)? Afin d’avoir un aperçu sur les événements initiaux, nous avons examiné les changements des CSNa et de leur niche dans la SVZ entre le jeune âge et l’âge moyen. La niche de la SVZ des souris d’âge moyen (12 mois) subit une réduction de l’expression des marqueurs de plusieurs sous-populations de précurseurs neuraux en comparaison avec les souris jeunes adultes (2 mois). Anatomiquement, cela est associé avec des anomalies cytologiques, incluant une atrophie générale de la SVZ, une perte de la couche de cellules sousépendymaires par endroit et l’accumulation de gouttelettes lipidiques de grande taille dans l’épendyme. Fonctionnellement, ces changements sont corrélés avec une diminution de l’activité de la SVZ et une réduction du nombre de nouveaux neurones arrivant aux bulbes olfactifs. Pour déterminer si les CSNa de la SVZ ont subi des changements visibles, nous avons évalué les paramètres clés des CSNa in vivo et in vitro. La culture cellulaire montre qu’un nombre équivalent de CSNa ayant la capacité de former des neurosphères peut être isolé du cerveau du jeune adulte et d’âge moyen. Cependant, à l’âge moyen, les précurseurs neuraux semblent moins sensibles aux facteurs de croissance durant leur différenciation in vitro. Les CSNa donnent des signes de latence in vivo puisque leur capacité d’incorporation et de rétention du BrdU diminue. Ensemble, ces données démontrent que, tôt dans le processus du vieillissement, les CSNa et leur niche dans la SVZ subissent des changements significatifs, et suggèrent que la perte de CSNa liée au vieillissement est secondaire à ces événements. / Neurogenesis persists throughout the adulthood in two regions of the mammalian central nervous system (SNC): the sub-ventricular zone (SVZ) of the forebrain and the sub-granular zone (SGZ) of the hippocampus. Neurogenesis is possible due to the proliferation capacity of stem cells present within both the SVZ and SGZ niches, but with aging, the forebrain undergoes a drastic reduction in its number of adult neural stem cells (aNSCs), a decrease of cell proliferation and an alteration of the neurogenic niches. However, a key unresolved question remains: how the onset of aNSC loss is temporally related to changes of proliferating activity and to structural alterations within the principal stem cell niche (the SVZ)? To gain insights into the initial events leading to aging-associated aNSC loss, we investigated the changes occurring to aNSCs and the SVZ niche between young adulthood and middle-age. The SVZ niche of middle-aged mice (12-months-old) was found to display reduced expression of markers for multiple neural precursor sub-populations when compared to young adult mice (2-months-old). Anatomically, this was associated with significant cytological aberrations, including an overall atrophy of the SVZ, loss of sub-ependymal cells, and accumulation of large lipid droplets within the ependyma. Functionally, these changes correlated with diminished SVZ activity and reduced number of newly born neurons reaching the principal target tissue: the olfactory bulbs. To determine whether changes were evident at the level of the SVZ stem cells, we evaluated key in vitro and in vivo parameters of aNSCs. Tissue culture experiments showed that equal numbers of neurosphere-forming aNSCs could be isolated from young adult and middle-aged forebrains. However, at middle-age, neural precursors seemed to be less sensitive to growth factors during their in vitro differentiation and displayed signs of increased quiescence in vivo. Collectively, these findings demonstrate that, with early aging, aNCS and their SVZ niche go through significant changes, and suggest that aging-associated aNSC loss is secondary to these events.

La neurogenèse persiste à l’âge adulte dans deux régions du système nerveux central (SNC) des mammifères : la zone sous-ventriculaire (SVZ) du cerveau antérieur et la zone sous-granulaire (SGZ) de l’hippocampe. Cette neurogenèse est possible grâce à la capacité de prolifération des cellules souches présentes dans les niches de la SVZ et la SGZ, mais en vieillissant, le cerveau subit une diminution dramatique du nombre de cellules souches neurales adultes (CSNa), une diminution de la prolifération cellulaire et une altération des niches de neurogenèse. Cependant, une importante question reste sans réponse : comment la perte tardive des CSNa est temporellement reliée aux changements de l’activité de prolifération et de la structure de la principale niche de neurogenèse (la SVZ)? Afin d’avoir un aperçu sur les événements initiaux, nous avons examiné les changements des CSNa et de leur niche dans la SVZ entre le jeune âge et l’âge moyen. La niche de la SVZ des souris d’âge moyen (12 mois) subit une réduction de l’expression des marqueurs de plusieurs sous-populations de précurseurs neuraux en comparaison avec les souris jeunes adultes (2 mois). Anatomiquement, cela est associé avec des anomalies cytologiques, incluant une atrophie générale de la SVZ, une perte de la couche de cellules sousépendymaires par endroit et l’accumulation de gouttelettes lipidiques de grande taille dans l’épendyme. Fonctionnellement, ces changements sont corrélés avec une diminution de l’activité de la SVZ et une réduction du nombre de nouveaux neurones arrivant aux bulbes olfactifs. Pour déterminer si les CSNa de la SVZ ont subi des changements visibles, nous avons évalué les paramètres clés des CSNa in vivo et in vitro. La culture cellulaire montre qu’un nombre équivalent de CSNa ayant la capacité de former des neurosphères peut être isolé du cerveau du jeune adulte et d’âge moyen. Cependant, à l’âge moyen, les précurseurs neuraux semblent moins sensibles aux facteurs de croissance durant leur différenciation in vitro. Les CSNa donnent des signes de latence in vivo puisque leur capacité d’incorporation et de rétention du BrdU diminue. Ensemble, ces données démontrent que, tôt dans le processus du vieillissement, les CSNa et leur niche dans la SVZ subissent des changements significatifs, et suggèrent que la perte de CSNa liée au vieillissement est secondaire à ces événements. / Neurogenesis persists throughout the adulthood in two regions of the mammalian central nervous system (SNC): the sub-ventricular zone (SVZ) of the forebrain and the sub-granular zone (SGZ) of the hippocampus. Neurogenesis is possible due to the proliferation capacity of stem cells present within both the SVZ and SGZ niches, but with aging, the forebrain undergoes a drastic reduction in its number of adult neural stem cells (aNSCs), a decrease of cell proliferation and an alteration of the neurogenic niches. However, a key unresolved question remains: how the onset of aNSC loss is temporally related to changes of proliferating activity and to structural alterations within the principal stem cell niche (the SVZ)? To gain insights into the initial events leading to aging-associated aNSC loss, we investigated the changes occurring to aNSCs and the SVZ niche between young adulthood and middle-age. The SVZ niche of middle-aged mice (12-months-old) was found to display reduced expression of markers for multiple neural precursor sub-populations when compared to young adult mice (2-months-old). Anatomically, this was associated with significant cytological aberrations, including an overall atrophy of the SVZ, loss of sub-ependymal cells, and accumulation of large lipid droplets within the ependyma. Functionally, these changes correlated with diminished SVZ activity and reduced number of newly born neurons reaching the principal target tissue: the olfactory bulbs. To determine whether changes were evident at the level of the SVZ stem cells, we evaluated key in vitro and in vivo parameters of aNSCs. Tissue culture experiments showed that equal numbers of neurosphere-forming aNSCs could be isolated from young adult and middle-aged forebrains. However, at middle-age, neural precursors seemed to be less sensitive to growth factors during their in vitro differentiation and displayed signs of increased quiescence in vivo. Collectively, these findings demonstrate that, with early aging, aNCS and their SVZ niche go through significant changes, and suggest that aging-associated aNSC loss is secondary to these events.