Le sujet de cette thèse est l'étude quantitative du rôle du morphogène Fgf8 durant la somitogenèse en utilisant des perturbations spatio-temporelles de sa concentration dans un embryon de poisson zèbre en développement. Mon objectif était d'élucider le rôle que joue Fgf8 dans le modèle du «clock and wavefront» de la somitogenèse . A cet effet, j'ai développé des moyens optiques afin de perturber rapidement sa concentration dans un embryon vivant par un éclairage approprié. J’ai montré que le blocage du Fgf8 endogène (en utilisant un morpholino contre Fgf8) ou sa surexpression (en utilisant une approche de photo-activation développée dans le laboratoire d'accueil) affectaient la taille des somites observées dans un embryon de poisson zèbre à 24 hpf. Pour comprendre la raison de ce changement de taille des somitesj’ai construit un système de vidéomicroscopie à intervalle régulier qui m'a permis de suivre l'évolution parallèle de 20-30 embryons de poisson zèbre en temps réel. Après avoir comparé la période de la segmentation, la vitesse d'allongement de la queue, la vitesse de racourcissement du PSM et la distribution spatiale de MAPK phosphorylé, mes résultats montrent que la sur-expression globale de Fgf8 induit un retard subtil dans la période de segmentation et ralentit la vitesse de déplacement du front d'onde, qui est la cause principale de la variation de taille des somites. / The subject of this thesis is the quantitative study of the role of Fgf8 in somitogenesis using spatio-temporal perturbations of its concentration in a developing zebrafish embryo. My goal was to elucidate the role that Fgf8 plays in the clock and wavefront model of somitogenesis. For that purpose, I have developed optical means to quickly perturb its concentration in a live embryo by an appropriate illumination. I have shown that blocking endogenous Fgf8 (using a morpholino against Fgf8) or inducing over-expression of Fgf8 (using a photo-activable approach developed in the host lab) affected the size of somites observed at 24 hpf in a zebrafish embryo. To address the reason for this change in somite size, I have built a time-lapse microscopy set-up that allowed me to monitor the parallel development of 20-30 zebrafish embryos in real time. After comparing the period of segmentation, the velocity of tail elongation, the speed of PSM shortening, and the MAPK pattern of phosphorylation (the target of Fgf8), my results show that global over-expression of Fgf8 induces a subtle delay in the segmentation period and slows down the posterior moving wavefront velocity, which is the major cause of the change in somite size.

Les cellules de Golgi constituent une composante essentielle du cortex cérébelleux et la seule source d’inhibition de la couche granulaire. Leur ablation produit des déficits moteurs sévères. Malgré plusieurs études intensives, notre compréhension de la fonction des ces cellules et de leur influence sur le transfert d’informations dans le cortex cérébelleux reste limitée. La fonction de la cellule de Golgi découle de ses interconnexions synaptiques locales. Lors de ma thèse nous avons identifié’ un véritable circuit de rétro-inhibition, qui est implémenté par les synapses entre les axones ascendants des cellules granulaires et les dendrites baso-latérales des cellules de Golgi. Cette connectivité puissante constitue la première preuve de l’existence d’un circuit de rétro-inhibition dans la couche granulaire. Nous avons par la suite cherché à comprendre comment le recrutement des interneurones de Golgi par l’activité détermine la dynamique du transfert d’informations. Nous avons développé un système de stimulation optique basé sur la déflection acousto-optique (AODs) de faisceaux Gaussiens de faible convergence, qui évoqué des patrons d’activité des fibres moussues avec une grande répétabilité et précision temporelle. Des stimulations électriques minimales des fibres moussues, qui à elles seules n’évoquent pas de potentiel d’action dans les cellules en grain, évoquent de large CPSEs phasique dans les cellules de Purkinje lorsqu’elles sont couplées avec des stimulations optogénétiques. Nous proposons un modèle de codage contextuel par lequel les évènements notables sont transmis par les cellules en grain dans le contexte d’activité des autres fibres moussues. / Golgi interneurons are an essential cellular component of the cerebellar cortex and the only source of inhibition to billions of granule cells. Their acute ablation causes severe motor deficits. Despite extensive research for the last decades, we still have limited understanding of Golgi cell function and of its impact on the information flow in the cerebellar cortex. Golgi cell function will ultimately depend on its synaptic connections within the cerebellar microcircuit. During my thesis we demonstrated the existence of a specific local feedback circuit onto granule cells, which is implemented by synapses between the ascending axons of granule cells and the basolateral dendrites of Golgi cells. The abundance of these local connections constitutes the first evidence of a powerful feed-back inhibitory circuit in the granule cell layer. Further we sought to understand how Golgi interneurons recruitment by the activity may influence information transfer in the granular layer. We developed a new illumination device, based on acousto–optic deflectors (AODs) stirring of low NA Gaussian beams at 1MHz, which delivered patterned optogenetic stimulations of mossy fibers with high reproducibility and sub-millisecond precision. Minimal electrical stimulations of the mossy fibers in the white matter, which alone where unable to fire granule cells, evoked large phasic EPSCs in Purkinje cells, when paired with asynchronous optogenetic stimulations. We propose that optimal sparse encoding of mossy fiber activity by granule cells is obtained through the relay of salient events (spiking onset, sensory driven synchrony or bursts) in the context of previous ongoing mossy fiber activity.

Au cours de cette thèse, j’ai cherché à comprendre comment trois structures impliquées dans la modulation des états vigilance agissaient sur la dynamique du réseau cortical. Les noyaux du thalamus non-spécifique sont impliqués dans le transfert d’informations contextuelles. À l’inverse, les noyaux spécifiques convoient des informations sensorielles vers le néocortex. Ces entrées sensorielles activent fortement les interneurones fast-spiking du cortex qui limite la durée de l’activation du réseau. À l’inverse, mes travaux montrent que les entrées contextuelles entraînent l’activation des interneurones lents, générant une activation prolongée du réseau cortical. D’autre part, je me suis intéressée à la couche VIb du néocortex dont les neurons sont sensibles à deux modulateurs des états de vigilance : l’orexine et à l’acétylcholine. J’ai pu montrer que la couche VIb projette principalement dans les couches corticales infragranulaires où elle pourrait être servir d’amplificateur dépendant de l’orexine des entrées du thalamus non-spécifique. Finalement, j’ai cherché à comprendre si la transmission nicotinique endogène était médiée par une synapse ou par transmission volumique. Pour cela, j’ai comparé les courants nicotinques reçus par les neurones des couches I et VI. Mes travaux mettent en évidence l’existence d’une synapse mixte comprenant des récepteurs α4β2 et α7 dans la couche I et d’une synapse simple comprenant uniquement α4β2 en couche VI. Ces synapses sont activées par la stimulation phasique des neurones cholinergiques. Néanmoins mes résultats suggèrent aussi l’existence de récepteurs α4β2 extra-synaptiques activés par la libération tonique des fibres cholinergiques. / During my PhD, I investigated how three structures involved in the modulation of arousal states act on the dynamic of the cortical network. Nuclei of the non-specific thalamus convey information on environmental and behavioral context, whereas specific nuclei relay sensory information to the neocortex. These sensory inputs activate strongly the fast-spiking interneurons of the neocortex that limits response duration of the network. Conversely, I showed that contextual inputs target mainly the slow adapting interneurons allowing a long-lasting activation of the cortical network. I have also been interesting in the layer VIb of the neocortex whose neurons are sensitive to orexin and acetylcholine, two main modulators of the arousal states. I showed that layer VIb projects mainly onto infragranular cortical layers where its activation should act as an orexin-dependent amplifier of the non-specific thalamic inputs. Finally, I tried to decipher whether the endogenous nicotinic transmission is mediated by a synapse or by volume transmission. To do that, I compared nicotinic currents received by layer I interneurons and layer VI pyramidal cells. I showed that nicotinic transmission is likely to be mediated by a mixed synapse comprising α4β2 and α7 receptors in layer I and a simple α4β2 containing synapse in layer VI. These synapses are activated by a phasic stimulation of the cholinergic fibers. However, my results also suggest that a tonic activation of these fibers recruits extra-synaptic α4β2 receptors in both layer I and VI neurons.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / L’acquisition des signaux électriques provenant des neurones du cerveau permet aux neurobiologistes de mieux comprendre son fonctionnement. Dans le cadre de ce travail, de nouveaux algorithmes de compression des signaux neuronaux sont conçus et présentés. Ces nouveaux algorithmes sont incorporés dans trois nouveaux dispositifs optogénétiques sans fil miniature capable de stimuler optiquement l’activité neuronale et de transmettre sans fil les biopotentiels captés par plusieurs microélectrodes. Deux de ces systèmes sont capables de compresser les signaux provenant de deux microélectrodes ainsi que de stimuler optiquement via deux diodes électroluminescentes (DEL) haute puissance. Afin de réduire la bande passante des transmetteurs sans fil utilisés, ces deux systèmes sont dotés d’un nouvel algorithme de détection des potentiels d’actions qui génère de meilleurs taux de détection que les algorithmes existants, tout en nécessitant moins de ressources matérielles et de temps de processeur. Un troisième dispositif incorporant les algorithmes de détection et de compression fût conçu. Ce dispositif est le seul système optogénétique sans fil comportant 32 canaux de stimulation optique et 32 canaux d’enregistrement électrophysiologiques en parallèle. Il utilise une nouvelle technique de compression par ondelettes permettant d’augmenter significativement le nombre de canaux sous observation sans augmenter la consommation de l’émetteurrécepteur. Cette nouvelle méthode de compression se distingue des méthodes existantes en atteignant de meilleurs taux de compression tout en permettant de reconstruire les signaux compressés avec une meilleure qualité. Au moment de la rédaction de ce mémoire, il s’agit des premiers dispositifs optogénétiques sans fil à offrir simultanément de la stimulation optique multicanal, de l’enregistrement électrophysiologique multicanal ainsi que de la détection/compression in situ des potentiels d’actions. Grâce à leur design novateur et aux innovations apportées par les nouveaux algorithmes de traitement des signaux, les systèmes conçus sont plus légers et plus compacts que les systèmes précédents, rendant ces dispositifs indispensables afin de mener des expériences sur le cerveau de petits animaux libres de leurs mouvements. Les trois systèmes ont été validés avec grand succès par des expériences in vivo sur des souris transgéniques au Centre de Recherche de l’Institut Universitaire en Santé Mentale de Québec (CRIUSMQ). / The electrical signals acquisition from the brain’s neurons allows neuroscientists to better understand its functioning. In this work, new neural signals compression algorithms are designed and presented. These new algorithms are incorporated into three new miniature optogenetic wireless devices. These devices are capable to optically stimulate neural activity and to wirelessly transmit the biopotentials captured by several microelectrodes. Two of these systems are able to compress the signals from two microelectrodes and to stimulate optically via two high-power LED. Both systems feature a new spike detection algorithm to reduce the bandwidth used by the wireless transceiver. This new spike detection algorithm differs from existing algorithms by achieving better detection rate while using less material resources and processing time. A third device incorporating the detection and compression algorithms was designed. This device is the only optogenetic wireless system including 32 optical stimulation channels and 32 electrophysiological recording channels in parallel. This new system has the ability to compress the neural signals using a new wavelet compression technique that significantly increase the number of channels under observation without increasing the consumption of the wireless transceiver. In particular, this new compression technique differs from the existing wavelet based compression methods by achieving better compression ratio while allowing to reconstruct the compressed signals with better quality. At the time of writing this thesis, these are the first three devices that offer simultaneous multichannel optical stimulation, multichannel electrophysiological signals recording and on-the-fly spike detection. The resulting systems are more compact and lightweight than previous systems, making these devices essentials to conduct long term experiments on the brains of small freely moving animals. The three systems were validated within in vivo experiments using transgenic mice at the Centre de Recherche de l’Institut Universitaire en Santé Mentale de Québec (CRIUSMQ).

L’avenir de la recherche sur les maladies du cerveau repose sur le développement de nouvelles technologies qui permettront de comprendre comment cet organe si complexe traite, intègre et transfère l’information. Parmi celles-ci, l’optogénétique est une technologie révolutionnaire qui permet d’utiliser de la lumière afin d’activer sélectivement les neurones du cortex d’animaux transgéniques pour observer leur effet dans un vaste réseau biologique. Ce cadre expérimental repose typiquement sur l’observation de l’activité neuronale de souris transgéniques, car elles peuvent exprimer une grande variété de gènes et de maladies et qu’elles sont peu couteuses. Toutefois, la plupart des appareils de mesure ou de stimulation optogénétique disponible ne sont pas appropriés, car ils sont câblés, trop lourds et/ou trop simplistes. Malheureusement, peu de systèmes sans fil existent, et ces derniers sont grandement limités par la bande passante requise pour transmettre les données neuronales, et ils ne fournissent pas de stimulation optogénétique multicanal afin de stimuler et observer plusieurs régions du cerveau. Dans les dispositifs actuels, l’interprétation des données neuronales est effectuée ex situ, alors que la recherche bénéficierait grandement de systèmes sans fil assez intelligents pour interpréter et stimuler les neurones en boucle fermée, in situ. Le but de ce projet de recherche est de concevoir des circuits analogiques-numériques d’acquisition et de traitement des signaux neuronaux, des algorithmes d’analyse et de traitement de ces signaux et des systèmes electro-optiques miniatures et sans fil pour : i) Mener des expériences combinant l’enregistrement neuronal et l’optogénétique multicanal haute résolution avec des animaux libres de leurs mouvements. ii) Mener des expériences optogénétiques synchronisées avec l’observation, c.-à-d. en boucle fermée, chez des animaux libres de leurs mouvements. iii) Réduire la taille, le poids et la consommation énergétique des systèmes optogénétiques sans fil afin de minimiser l’impact de la recherche chez de petits animaux. Ce projet est en 3 phases, et ses principales contributions ont été rapportées dans dix conférences internationales (ISSCC, ISCAS, EMBC, etc.) et quatre articles de journaux publiés ou soumis, ainsi que dans un brevet et deux divulgations. La conception d’un système optogénétique haute résolution pose plusieurs défis importants. Notamment, puisque les signaux neuronaux ont un contenu fréquentiel élevé (_10 kHz), le nombre de canaux sous observation est limité par la bande passante des transmetteurs sans fil (2-4 canaux en général). Ainsi, la première phase du projet a visé le développement d’algorithmes de compression des signaux neuronaux et leur intégration dans un système optogénétique sans fil miniature et léger (2.8 g) haute résolution possédant 32 canaux d’acquisition et 32 canaux de stimulation optique. Le système détecte, compresse et transmet les formes d’onde des potentiels d’action (PA) produits par les neurones avec un field programmable gate array (FPGA) embarqué à faible consommation énergétique. Ce processeur implémente un algorithme de détection des PAs basé sur un seuillage adaptatif, ce qui permet de compresser les signaux en transmettant seulement les formes détectées. Chaque PA est davantage compressé par une transformée en ondelette discrète (DWT) de type Symmlet-2 suivie d’une technique de discrimination et de requantification dynamique des coefficients. Les résultats obtenus démontrent que cet algorithme est plus robuste que les méthodes existantes tout en permettant de reconstruire les signaux compressés avec une meilleure qualité (SNDR moyen de 25 dB _ 5% pour un taux de compression (CR) de 4.2). Avec la détection, des CR supérieurs à 500 sont rapportés lors de la validation in vivo. L’utilisation de composantes commerciales dans des systèmes optogénétiques sans fil augmente / la taille et la consommation énergétique, en plus de ne pas être optimisée pour cette application. La seconde phase du projet a permis de concevoir un système sur puce (SoC) complementary metal oxide semiconductor (CMOS) pour faire de l’enregistrement neuronal et de optogénétique multicanal, permettant de réduire significativement la taille et la consommation énergétique comparativement aux alternatives commerciales. Ceci est une contribution importante, car c’est la première puce à être doté de ces deux fonctionnalités. Le SoC possède 10 canaux d’enregistrement et 4 canaux de stimulation optogénétique. La conception du bioamplificateur inclut une bande passante programmable (0.5 Hz - 7 kHz) et un faible bruit referré à l’entré (IRN de 3.2 μVrms), ce qui permet de cibler différents types de signaux biologiques (PA, LFP, etc.). Le convertisseur analogique numérique (ADC) de type Delta- Sigma (DS) MASH 1-1-1 est conçu pour fonctionner de faibles taux de sur-échantillonnage (OSR _50) pour réduire sa consommation et possède une résolution programmable (ENOB de 9.75 Bits avec un OSR de 25). Cet ADC exploite une nouvelle technique réduisant la taille du circuit en soustrayant la sortie de chaque branche du DS dans le domaine numérique, comparativement à la méthode analogique classique. La consommation totale d’un canal d’enregistrement est de 11.2 μW. Le SoC implémente un nouveau circuit de stimulation optique basé sur une source de courant de type cascode avec rétroaction, ce qui permet d’accommoder une large gamme de LED et de tensions de batterie comparativement aux circuits existants. Le SoC est intégré dans un système optogénétique sans fil et validé in vivo. À ce jour et en excluant ce projet, aucun système sans-fil ne fait de l’optogénétique en boucle fermée simultanément au suivi temps réel de l’activité neuronale. Une contribution importante de ce travail est d’avoir développé le premier système optogénétique multicanal qui est capable de fonctionner en boucle fermée et le premier à être validé lors d’expériences in vivo impliquant des animaux libres de leurs mouvements. Pour ce faire, la troisième phase du projet a visé la conception d’un SoC CMOS numérique, appelé neural decoder integrated circuit (ND-IC). Le ND-IC et le SoC développé lors de la phase 2 ont été intégrés dans un système optogénétique sans fil. Le ND-IC possède 3 modules : 1) le détecteur de PA adaptatif, 2) le module de compression possédant un nouvel arbre de tri pour discriminer les coefficients, et 3) le module de classement automatique des PA qui réutilise les données générées par le module de détection et de compression pour réduire sa complexité. Un lien entre un canal d’enregistrement et un canal de stimulation est établi selon l’association de chaque PA à un neurone, grâce à la classification, et selon l’activité de ce neurone dans le temps. Le ND-IC consomme 56.9 μW et occupe 0.08 mm2 par canal. Le système pèse 1.05 g, occupe un volume de 1.12 cm3, possède une autonomie de 3h, et est validé in vivo. / The future of brain research lies in the development of new technologies that will help understand how this complex organ processes, integrates and transfers information. Among these, optogenetics is a recent technology that allows the use of light to selectively activate neurons in the cortex of transgenic animals to observe their effect in a large biological network. This experimental setting is typically based on observing the neuronal activity of transgenic mice, as they express a wide variety of genes and diseases, while being inexpensive. However, most available neural recording or optogenetic devices are not suitable, because they are hard-wired, too heavy and/or too simplistic. Unfortunately, few wireless systems exist, and they are greatly limited by the required bandwidth to transmit neural data, while not providing simultaneous multi-channel neural recording and optogenetic, a must for stimulating and observing several areas of the brain. In current devices, the analysis of the neuronal data is performed ex situ, while the research would greatly benefit from wireless systems that are smart enough to interpret and stimulate the neurons in closed-loop, in situ. The goal of this project is to design analog-digital circuits for acquisition and processing of neural signals, algorithms for analysis and processing of these signals and miniature electrooptical wireless systems for: i) Conducting experiments combining high-resolution multi-channel neuronal recording and high-resolution multi-channel optogenetics with freely-moving animals. ii) Conduct optogenetic experiments synchronized with the neural recording, i.e. in closed loop, with freely-moving animals. iii) Increase the resolution while reducing the size, weight and energy consumption of the wireless optogenetic systems to minimize the impact of research with small animals. This project is in 3 phases, and its main contributions have been reported in ten conferences (ISSCC, ISCAS, EMBC, etc.) and four published journal papers, or submitted, as well as in a patent and two disclosures. The design of a high resolution optogenetic system poses several challenges. In particular, since the neuronal signals have a high frequency content (10 kHz), the number of chanv nels under observation is limited by the bandwidth of the wireless transmitters (2-4 channels in general). Thus, the first phase of the project focused on the development of neural signal compression algorithms and their integration into a high-resolution miniature and lightweight wireless optogenetics system (2.8g), having 32 recording channels and 32 optical stimulation channels. This system detects, compresses and transmits the waveforms of the signals produced by the neurons, i.e. action potentials (AP), in real time, via an embedded low-power field programmable gate array (FPGA). This processor implements an AP detector algorithm based on adaptive thresholding, which allows to compress the signals by transmitting only the detected waveforms. Each AP is further compressed by a Symmlet-2 discrete wavelet transform (DWT) followed dynamic discrimination and requantification of the DWT coefficients, making it possible to achieve high compression ratios with a good reconstruction quality. Results demonstrate that this algorithm is more robust than existing approach, while allowing to reconstruct the compressed signals with better quality (average SNDR of 25 dB 5% for a compression ratio (CR) of 4.2). With detection, CRs greater than 500 are reported during the in vivo validation. The use of commercial components in wireless optogenetic systems increases the size and power consumption, while not being optimized for this application. The second phase of the project consisted in designing a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) system-on-chip (SoC) for neural recording and multi-channel optogenetics, which significantly reduces the size and energy consumption compared to commercial alternatives. This is important contribution, since it’s the first chip to integrate both features. This SoC has 10 recording channels and 4 optogenetic stimulation channels. The bioamplifier design includes a programmable bandwidth (0.5 Hz -7 kHz) and a low input-referred noise (IRN of 3.2 μVrms), which allows targeting different biological signals (AP, LFP, etc.). The Delta-Sigma (DS) MASH 1-1-1 low-power analog-to-digital converter (ADC) is designed to work with low OSR (50), as to reduce its power consumption, and has a programmable resolution (ENOB of 9.75 bits with an OSR of 25). This ADC uses a new technique to reduce its circuit size by subtracting the output of each DS branch in the digital domain, rather than in the analog domain, as done conventionally. A recording channel, including the bioamplifier, the DS and the decimation filter, consumes 11.2 μW. Optical stimulation is performed with an on-chip LED driver using a regulated cascode current source with feedback, which accommodates a wide range of LED parameters and battery voltages. The SoC is integrated into a wireless optogenetic platform and validated in vivo. / To date and excluding this project, no wireless system is making closed-loop optogenetics simultaneously to real-time monitoring of neuronal activity. An important contribution of this work is to have developed the first multi-channel optogenetic system that is able to work in closed-loop, and the first to be validated during in vivo experiments involving freely-moving animals. To do so, the third phase of the project aimed to design a digital CMOS chip, called neural decoder integrated circuit (ND-IC). The ND-IC and the SoC developed in Phase 2 are integrated within a wireless optogenetic system. The ND-IC has 3 main cores: 1) the adaptive AP detector core, 2) the compression core with a new sorting tree for discriminating the DWT coefficients, and 3 ) the AP automatic classification core that reuses the data generated by the detection and compression cores to reduce its complexity. A link between a recording channel and a stimulation channel is established according to the association of each AP with a neuron, thanks to the classification, and according to the bursting activity of this neuron. The ND-IC consumes 56.9 μW and occupies 0.08 mm2 per channel. The system weighs 1.05 g, occupies a volume of 1.12 cm3, has an autonomy of 3h, and is validated in vivo.

Gliotransmitters dérivés de l'astrocyte glutamate et l'ATP modulent l'activité neuronale. Cependant, il reste à savoir comment les astrocytes contrôlent la libération et coordonnent les actions de ces gliotransmetteurs. Dans la première partie de ma thèse, en utilisant l'expression transgénique de la canalrhodopsine 2 (ChR2) sensible à la lumière dans les astrocytes, nous avons observé que la photostimulation augmentait de manière fiable le potentiel d'action des neurones pyramidaux de l'hippocampe. Cette excitation repose principalement sur une libération de glutamate dépendant du Ca2+ par les astrocytes qui active les NMDR neuronaux extrasynaptiques. Remarquablement, nos résultats montrent que l'augmentation de Ca2+ induite par ChR2 et la libération ultérieure de glutamate sont amplifiées par l'activation autocrine induite par l'ATP/ADP des récepteurs P2Y1 sur les astrocytes. Ainsi, l'excitation neuronale est favorisée par une action synergique de la signalisation glutamatergique et purinergique autocrine dans les astrocytes. Ce nouveau mécanisme peut être particulièrement pertinent pour les conditions pathologiques dans lesquelles la concentration extracellulaire d'ATP est augmentée et agit comme un signal de danger majeur. Dans la seconde partie de ma thèse, nous rapportons que la photostimulation sélective des astrocytes ChR2 dans le gyrus denté facilite la transmission synaptique excitatrice sur les cellules granulaires via l'activation des NMDR pré-synaptiques contenant GluN2B. De plus, nous avons découvert que l'élévation intracellulaire du Ca2+ induite par l'ATP et dérivée de l'ATP contrôlait étroitement la libération du glutamate par les astrocytes au cours de la photostimulation des astrocytes. Nos résultats fournissent des preuves d'une relation étroite entre l'ATP dérivé d'astrocyte et le glutamate. / Astrocyte-derived gliotransmitters glutamate and ATP modulate neuronal activity. It remains unclear, however, how astrocytes control the release and coordinate the actions of these gliotransmitters. In the first part of my thesis, using transgenic expression of the light-sensitive channelrhodopsin 2 (ChR2) in astrocytes, we observed that photostimulation reliably increases action potential firing of hippocampal pyramidal neurons. This excitation relies primarily on a Ca2+-dependent glutamate release by astrocytes that activates neuronal extra-synaptic NMDRs. Remarkably, our results show that ChR2-induced Ca2+ increase and subsequent glutamate release are amplified by ATP/ADP-mediated autocrine activation of P2Y1 receptors on astrocytes. Thus, neuronal excitation is promoted by a synergistic action of glutamatergic and autocrine purinergic signaling in astrocytes. This new mechanism may be particularly relevant for pathological conditions in which ATP extracellular concentration is increased and acts as a major danger signal. In the second part of my thesis, we report that selective photostimulation ChR2 positive astrocytes in dentate gyrus facilitates excitatory synaptic transmission onto granule cells via the activation of pre-synaptic GluN2B-containing NMDRs. Moreover, we discovered that astrocyte-derived ATP-mediated intracellular Ca2+ elevation tightly controls glutamate release from astrocytes during astrocyte photostimulation. Our results provide evidence for a close relationship between astrocytic-derived ATP and glutamate.

Chez les mammifères, l’alternance des états de vigilance nécessite la mise en jeu de mécanismes spéci ques qui facilitent les transitions entre l’éveil, le sommeil lent (SL) et le sommeil paradoxal (SP). L’objectif de cette thèse s’inscrit dans l’optique de disséquer chez la souris les processus neuronaux contrôlant l’alternance physiologique entre ces trois états de vigilance. Au cours de cette thèse, nous avons tout d’abord démontré par des approches complémentaires ex vivo et in vivo que le glucose peut favoriser l’endormissement par son action excitatrice directe sur les neurones promoteurs du SL localisés dans l’aire préoptique ventrolatérale (VLPO). Nous avons ensuite, par deux approches méthodologiques di érentes et complémentaires, contribué à préciser le rôle physiologique des neurones exprimant l’hormone de mélano-concentration (MCH) dans la régulation du cycle veille-sommeil, démontrant ainsi qu’en plus de faciliter le déclenchement et le maintien du SP lorsqu’ils sont activés, ils contrôlent certains aspects du SL en favorisant, au cours SL, un SL plus profond ainsi que la terminaison des épisodes de SL. Forts de ces nouveaux résultats supportant une contribution des neurones MCH à la régulation du SL, nous avons déterminé une voie potentielle pouvant sous-tendre cette fonction physiologique à travers leurs projections efférentes sur le VLPO. Nos résultats préliminaires indiquent que la stimulation optogénétique des axones des neurones MCH dans le VLPO favorise le déclenchement d’un état de transition entre SL et SP sans pour autant conduire au SP / In mammals, alternating between vigilance states requires some speci c processes that facilitate transitions between wake, Slow-Wave Sleep (SWS), and Paradoxical Sleep (PS). The objective of this thesis was to decipher, in mice, the neuronal mechanisms that control the alternation between these three vigilance states. During thus thesis, we first demonstrated using complementary ex vivo and in vivo approaches that glucose can facilitate sleep induction by directly exciting sleep- promoting neurons located within the ventrolateral preoptic nucleus (VLPO). Then, by developing two different and complementary approaches, we contributed to clarify the physiological role of melanin-concentrating hormone (MCH)-expressing neurons in sleep-wake regulation. Indeed, in addition to their PS-promoting effect when activated, we found that MCH neurons also contribute to the regulation of some aspects of SWS regulation by favouring the appearance of a deeper SWS and facilitating SWS episodes termination. These new results supporting a role of MCH neurons to SWS regulation led us to investigate a putative pathway underlying such an effect through efferent projections from MCH neurons to the VLPO. Preliminary results suggest that the optogenetic stimulation of axons from MCH neurons within the VLPO could facilitate the appearance of a transition state between SWS and PS without triggering PS onset

La maladie de Parkinson (MP) est la seconde maladie neurodégénérative la plus répandue. Les symptômes moteurs répondent initialement bien aux médicaments dopaminergiques. Toutefois, des complications motrices de ces médicaments finissent par survenir. Certains patients se voient alors proposer un traitement neurochirurgical par stimulation cérébrale profonde (SCP) et chronique du Noyau Subthalamique (NST). Plusieurs études suggèrent que la modulation du faisceau cortico-subthalamique moteur explique au moins en partie l’efficacité de la SCP du NST. Approfondir la compréhension du mécanisme d’action de la SCP du NST pour le traitement de la MP devrait permettre d’optimiser le rapport innocuité/efficacité de cette procédure qui s’adresse à des dizaines de milliers de patients dans le monde. L’objectif primaire de cette thèse est de caractériser le faisceau cortico-subthalamique moteur sur les plans anatomique et fonctionnel chez le primate non humain. Les objectifs secondaires sont : Permettre la visualisation directe et en conditions stéréotaxiques du NST chez le primate non humain et le patient parkinsonien - Mettre au point une méthodologie permettant de caractériser sur les plans anatomique et fonctionnel tout faisceau de fibres entre deux régions cérébrales anatomiquement distinctes, chez le primate non humain - Elaborer une loi de commande pour la stimulation du NST par optogénétique et en boucle fermée, afin de détruire sélectivement les oscillations béta et tester l’hypothèse de leur rôle dans l’émergence des symptômes moteurs de la MP... / Parkinson’s Disease (PD) is the second most widespread neurodegenerative disease. Motor symptoms initially respond well to dopaminergic medecines ; however, motor complications will eventually occur. Some patients are then proposed a neurosurgical treatment by chronical electrical deep brain stimulation (DBS) of the subthalamic nucleus (STN). Several studies suggested that the modulation of the motor cortico-subthalamic bundle might explain the efficacy of STN DBS, at least to a certain extent. A better understanding of the mechanism of action of DBS of the STN in order to treat PD should help to optimize the safety/efficacy of this surgical procedure from which tens of thousands of patients could benefit all over the world.The main purpose of the present thesis is to characterize, both anatomically and functionally, the motor cortico-subthalamic bundle in non-human primates. Secundary objectives are : (1) to allow the direct visualization, under stereotactic conditions, of the STN of non-human primates and of patients with PD ; (2) to develop a methodology enabling to characterize, both anatomically and functionally, any fiber bundle between two anatomically distinct cerebral areas, in non-human primates ; (3) to establish a command law for closed-loop stimulation of STN by optogenetics, in order to selectively destroy beta-oscillations and assess the hypothesis of their role in the occurrence of motor symptoms in PD...

Le centre médian/parafasciculaire (CM/Pf) du thalamus a récemment émergé comme un élément d'intérêt dans le contexte de la maladie de Parkinson. Ainsi le fonctionnement normal et pathologique des GB ne peut pas être pleinement élucidé sans qu'il ne soit pris en considération. Dans ce contexte, nous avons analysé le transfert des informations thalamiques dans les GB en enregistrant, in vivo, les réponses évoquées au niveau de la structure de sortie des GB, la substantce noire pars reticulata (SNr) soit par la stimulation électrique ou optogénétique du CM/Pf. Ensuite, nous avons étudié les composantes des GB impliquées dans ces réponses en analysant les réponses évoquées par l'activation optogenetique spécifique des voies thalamo-striée, thalamo-subthalamique ou thalamo-nigrale. À la fois l'activation électrique et optogenetique du CM/Pf évoquent des réponses complexes dans la SNr qui sont composées d'une inhibition qui peut être précédée et/ou suivie d'excitations. L'inhibition et l'excitation tardive dépendent de l'activation des voies trans-striatales, alors que les premières excitations mettent en jeu les voies thalamo-subthalamique et thalamo-nigrale. Nous avons également étudié l'impact des interneurones cholinergiques du striatum ainsi que les afférences dopaminergiques sur le transfert des informations thalamiques dans les GB. Pour ce faire, nous avons enregistré les réponses évoquées au niveau des neurones de projection du striatum suite à la stimulation électrique du CM/Pf avec ou sans l'inhibition optogénétique des CINs. Nous serons alors en mesure de déterminer comment les CINs sont impliqués dans le transfert des informations thalamiques au sein des GB. / The centre median/parafascicular (CM/Pf) of the thalamus has recently emerged as a component of interest in the context of Parkinson’s disease. Thus normal and pathological dynamics of BG cannot be fully understood unless it is taken into account. Here, we analyzed the transfer of CM/Pf information through BG by recording, in vivo, the evoked responses of BG output neurons in the substantia nigra pars reticulata (SNr) to either electrical or optogenetic CM/Pf stimulations. Then, we investigated the BG components involved in these responses by analyzing the responses evoked by specific optogenetic activation of the thalamo-striatal, thalamo-subthalamic or thalamo-nigral pathways. Both electrical and optogenetic activation of CM/Pf evoke complex responses in SNr that are composed of an inhibition that can be preceded and/or followed by excitations. The inhibition and the late excitation rely on the activation of the trans-striatal pathways, whereas the early excitations involve thalamo-subthalamic and thalamo-nigral projections. We are currently analyzing whether and how the striatal cholinergic interneurons (CINs) and the dopaminergic afferent system modulate the transfer of thalamic information within the BG. For the second part of my project, we analyzed the treatment of thalamic information from CM/Pf at the level of the striatum. To do this, we recorded the evoked responses of striatal projection neurons by the electrical stimulation of the CM/Pf with or without the inhibition of the CINs by optogenetics. We will then be able to determine how CINs are involved in the transfer of thalamic information at the level of the striatum.

Les récepteurs NMDA (rNMDAs) sont des récepteurs-canaux membranaires activés par le glutamate, neurotransmetteur excitateur, et impliqués dans diverses formes de plasticité synaptique et pathologies. Ces hétérotétramères obligatoires opèrent en dimère-de-dimères, associant généralement deux sous-unités GluN1 et deux GluN2A-D. Déterminer l'arrangement spatial des sous-unités d'un rNMDA est essentiel à la compréhension des mécanismes régissant son fonctionnement et du rôle joué par les interfaces entre sous-unités et entre domaines, notamment N-terminal (NTD) et de liaison des agonistes (ABD). En combinant modélisation moléculaire, mutagenèse dirigée, biochimie sur cystéines et électrophysiologie, nous montrons que ces sous-unités s'arrangent selon un ordre alterné, avec les sous-unités identiques diamétralement opposées, et révélons l'existence d'une interface inter-dimère entre les ABDs GluN1. Nous avons aussi implémenté dans les ovocytes de Xénope une technique innovante consistant à incorporer un acide-aminé non-naturel photo-réactif (UAA) dans un rNMDA. Cette approche, basée sur l'expansion du code génétique, a permis de créer un rNMDA sensible à la lumière. L'introduction d'UAAs aux interfaces entre sous-unités GluN1 et GluN2, révèle le rôle joué par deux de ces interfaces: (1) entre les lobes supérieurs des NTDs, dans le contrôle "sous-unité spécifique" de l'activité et (2) entre les lobes inférieurs des ABDs, dans l'inhibition allostérique par le zinc. Ces travaux apportent des informations sur l'architecture moléculaire des rNMDAs et révèlent l'importance des réarrangements structuraux aux interfaces entre sous-unités voisines dans les fonctions du récepteur.