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.

La formation des métastases est un processus multi étapes à travers lequel les cellules cancéreuses se détachent de la tumeur primaire pour envahir à distance dans un site secondaire. L’acquisition de capacités migratoires et invasives des cellules tumorales est cruciale dans la cascade métastatique. L'activation mutationnelle des protéines Ras favorise l'oncogenèse en perturbant une multitude de molécules et de voies qui sont impliquées dans la régulation de plusieurs processus, y compris l'invasion cellulaire et la motilité. Les petites Rho GTPases (Rac1, Cdc42 et RhoA)jouent un rôle central en contrôlant la migration cellulaire via l'assemblage des fibres d'actine, la contractilité de l'actomyosine et des microtubules.Rac1 stimule la motilité de type mésenchymateuse en favorisant la formation de lamellipodes via la formation du complexe régulateur Wave(WRC), un promoteur clé de la polymérisation de l'actine. Les protéines Ral,une autre famille de petites GTPases agissant en aval de Ras, a récemment été impliquée dans la régulation de la migration cellulaire. En particulier,RalB joue un rôle essentiel dans la motilité cellulaire en mobilisant le complexe Exocyst, son principal effecteur. Durant mon projet de thèse,nous avons investigué les mécanismes moléculaires qui contrôlent la motilité cellulaire et l'invasion en aval de la voie oncogénique Ras via le complexe RalB / Exocyst.Dans la première partie de ce manuscrit, nous avons identifié et caractérisé que le complexe WRC est à la fois un nouveau partenaire et mais aussi acteur du complexe Exocyst. En outre, nous démontrons que le complexe Exocyst dirige le complexe WRC à l’extrémité des cellules4mobiles. Cette hypothèse a été caractérisée dans la deuxième partie du manuscrit. En effet, en utilisant la technique d’optogénétique nous avonsmis en évidence le mécanisme moléculaire impliqué dans l'invasion.L’activation de RalB par Ras via les facteurs d'échange Rgl1 et Rgl2,mobilise le complexe Exocyst qui recrute ainsi le complexe WRC à l’extrémité des cellules. Cette cascade d’activation favorise la formation de protrusions, la migration et l'invasion. De manière surprenante, nous montrons que la GTPase Rac1, considérée comme la GTPase clée dans la formation de protrusions cellulaires, n'est pas impliquée dans ce processus.Enfin, nous avons analysé le niveau des protéines Ral dans une cohorte de patientes atteintes de cancer du sein. Nos résultats montrent pour la première fois une accumulation de la protéine RalB dans les compartemets invasif et métastatique suggérant un rôle potentiel de RalB dans l'invasion et la propagation métastatique des cancers du sein humain. Pour conclure,notre travail met en évidence un rôle crucial de la voie Ral, souvent sousestimée,dans le contexte de l'invasion cancéreuse. / Metastasis is a multistep process by which cancer cells migrate awayfrom the primary neoplastic mass to give rise to secondary tumors at distantsites. Thus, the acquisition of motility and invasive traits by tumor cells is acrucial step for metastasis to occur. Mutational activation of Ras proteinspromotes oncogenesis by disturbing a multitude of molecules andpathways that participate to the regulation of several processes includingalso cell invasion and motility. Among them a central role is played by Rhosmall GTPases (Rac1, Cdc42 and RhoA) which control cell migrationthrough their actions on actin assembly, actomyosin contractility andmicrotubules. Rac1 drives mesenchymal-type motility by promotinglamellipodia formation via the Wave Regulator Complex (WRC), a keypromoter of actin polymerization. Another family of small GTPases that actdownstream Ras, the Ral proteins, has been recently involved in theregulation of cell migration. RalB, through the mobilization of its maineffector the Exocyst complex, was shown to play an essential role in cellmotility. In this work of thesis, we investigated the molecular mechanismsthrough which RalB/Exocyst pathway controls cell motility and invasiondownstream oncogenic Ras.In the first part of this manuscript we describe the identification andcharacterization of the WRC complex as a novel interactor of the Exocyst.Furthermore, we provide evidences for Exocyst to be involved in drivingthe WRC to the leading edge of motile cells. This hypothesis, was finallydemonstrated in the second part of the manuscript. We were able to definethe mechanisms underlying the function of RalB in invasion by exploitingan optogenetic approach. We found that RalB, activated by Ras via the2Rgl1 and Rgl2 exchange factors, mobilizes the Exocyst complex whichrecruits the Wave Regulatory Complex (WRC) at cell edge, promotingprotrusions, migration and invasion. Even more, we show that the Rac1GTPase, usually considered the master of cell protrusions, is not involvedin this process. Finally, we analyzed Ral proteins expression in a cohort ofbreast cancer samples, pointing out for the first time an accumulation ofRalB in the invasive and metastasis compartments, suggesting a role ofRalB in invasiveness and metastatic spread of human breast cancers. Takentogether our work contribute to light up the role of the underestimated Ralpathway in the context of cancer invasion.

Die Wahrnehmung von Geschmacksempfindungen beruht auf dem Zusammenspiel verschiedener Sinneseindrücke wie Schmecken, Riechen und Tasten. Diese Komplexität der gustatorischen Wahrnehmung erschwert die Beantwortung der Frage wie Geschmacksinformationen vom Mund ins Gehirn weitergeleitet, prozessiert und kodiert werden. Die Analysen zur neuronalen Prozessierung von Geschmacksinformationen erfolgten zumeist mit Bitterstimuli am Mausmodell. Zwar ist bekannt, dass das Genom der Maus für 35 funktionelle Bitterrezeptoren kodiert, jedoch war nur für zwei unter ihnen ein Ligand ermittelt worden. Um eine bessere Grundlage für tierexperimentelle Arbeiten zu schaffen, wurden 16 der 35 Bitterrezeptoren der Maus heterolog in HEK293T-Zellen exprimiert und in Calcium-Imaging-Experimenten funktionell charakterisiert. Die Daten belegen, dass das Funktionsspektrum der Bitterrezeptoren der Maus im Vergleich zum Menschen enger ist und widerlegen damit die Aussage, dass humane und murine orthologe Rezeptoren durch das gleiche Ligandenspektrum angesprochen werden. Die Interpretation von tierexperimentellen Daten und die Übertragbarkeit auf den Menschen werden folglich nicht nur durch die Komplexität des Geschmacks, sondern auch durch Speziesunterschiede verkompliziert. Die Komplexität des Geschmacks beruht u. a. auf der Tatsache, dass Geschmacksstoffe selten isoliert auftreten und daher eine Vielzahl an Informationen kodiert werden muss. Um solche geschmacksstoffassoziierten Stimuli in der Analyse der gustatorischen Kommunikationsbahnen auszuschließen, sollten Opsine, die durch Licht spezifischer Wellenlänge angeregt werden können, für die selektive Ersetzung von Geschmacksrezeptoren genutzt werden. Um die Funktionalität dieser angestrebten Knockout-Knockin-Modelle zu evaluieren, die eine Kopplung von Opsinen mit dem geschmacksspezifischen G-Protein Gustducin voraussetzte, wurden Oozyten vom Krallenfrosch Xenopus laevis mit dem Zwei-Elektroden-Spannungsklemm-Verfahren hinsichtlich dieser Interaktion analysiert. Der positiven Bewertung dieser Kopplung folgte die Erzeugung von drei Mauslinien, die in der kodierenden Region eines spezifischen Geschmacksrezeptors (Tas1r1, Tas1r2, Tas2r114) Photorezeptoren exprimierten. Durch RT-PCR-, In-situ-Hybridisierungs- und immunhistochemische Experimente konnte der erfolgreiche Knockout der Rezeptorgene und der Knockin der Opsine belegt werden. Der Nachweis der Funktionalität der Opsine im gustatorischen System wird Gegenstand zukünftiger Analysen sein. Bei erfolgreichem Beleg der Lichtempfindlichkeit von Geschmacksrezeptorzellen dieser Mausmodelle wäre ein System geschaffen, dass es ermöglichen würde, gustatorische neuronale Netzwerke und Hirnareale zu identifizieren, die auf einen reinen geschmacks- und qualitätsspezifischen Stimulus zurückzuführen wären. / Taste impression is based on the interaction of taste, smell and touch. To evaluate the nutritious content of food mammals possess five distinct taste qualities: sweet, bitter, umami (taste of amino acids), sour and salty. For bitter, sweet, and umami compounds taste signaling is initiated by binding of tastants to G protein-coupled receptors. The interactions of taste stimuli, usually watersoluble chemicals, with their cognate receptors lead to the activation of the G protein gustducin, which, in turn, initiates a signal resulting in the activation of gustatory afferents. However, details of gustatory signal transmission and processing as well as neural coding are only incompletely understood. This is partly due to the property of some tastants to elicit several sensations simultaneously, unspecific effects caused by the temperature, viscosity, osmolarity, and pH of the solvents, as well as by mechanical stimulation of the tongue during stimulus application. The analysis of gustatory processing of taste information are mainly based on mouse models after stimulation with bitter taste stimuli. Even though it is known that the mouse genome codes for 35 bitter taste receptor genes only few of them had been analysed so far. For better understanding and interpretation of animal experiments 16 mouse bitter receptors had been analysed by Calcium Imaging experiments with HEK293T cells. The data reveal that mouse bitter taste receptors are more narrow tuned than human bitter taste receptors, proving that the ligand spectra of murine and human orthologous receptors are not complient. In order to avoid the disturbing effects of solvents and stimulus application on the analysis of gustatory information transfer and processing, I employ an optogenetical approach to address this problem. For this purpose I generated three strains of gene-targeted mice in which the coding regions of the genes for the umami receptor subunit Tas1r1, the sweet receptor subunit Tas1r2 or the bitter taste receptor Tas2r114 have been replaced by the coding sequences of different opsins (photoreceptors of visual transduction) that are sensitive to light of various wavelengths. In these animals I should be able to activate sweet, bitter, or umami signalling by light avoiding any solvent effects. In initial experiments of this project I demonstrated that the various visual opsins indeed functionally couple to taste signal transduction pathway in oocyte expression system, generating basic knowledge and foundation for the generation of the gene-targeted animals. The knockout-knockin strategies have been successfully realized in the case of all three mouse models, revealed by RT-PCR, in situ hybridization and immunohistochemical analysis of taste papillae. All data confirm that the particular taste receptors have been replaced by the different opsins in taste cells. Further analysis concerning the functional consequences of opsin knockin and taste receptor knockout are part of prospective work.

T cells are a cornerstone of the mammalian adaptive immune system. A range of T-cell subsets exist that can orchestrate the overall immune response to pathogens or cancers, either by directly killing infected cells or licensing other cells to do so. Dysregulation of this important process can result in immunodeficiency or autoimmunity. Although T cells have been studied extensively over many decades, the detailed mechanisms underlying T-cell activation remain to be fully resolved. This thesis describes the development of new optogenetic approaches for the modulation of T-cell signalling dynamics and the interrogation of key events in T-cell activation to help investigate this question. Optogenetics is a rapidly emerging technique whereby light can be used to control the spatial and temporal activation, or inactivation of signalling pathways at unprecedented resolution. The methods described in this work utilise the blue light-responsive LOV2 photo-domain from the common oat A. Sativa, which is the foundation of the both the ‘LOVTRAP’ and ‘TULIPs’ optogenetic toolkits. T-cell antigen receptor (TCR) microclusters arise early during the interaction between T cells and antigen presenting cells (APCs). These TCR signalling platforms contain the proteins necessary for sustained T-cell activation, yet the processes underlying their formation and dissociation are still not fully characterised as they have been difficult to investigate with current chemical and genetic manipulations of T cells. Using two optogenetics systems combining either LOVTRAP or TULIPs and the microcluster- scaffolding protein LAT (Linker for the Activation of T cells), it was possible to modulate early T-cell signalling events and measure functional outputs in real-time. Unfortunately, the biological limitations of these LAT-based systems meant that they could not be used to quantitatively investigate microcluster formation. However, in an alternative approach, a drug-inducible, light-controllable chimeric antigen receptor was successfully developed that yielded important new insights into the rapid rate of signal decay within the TCR signalling pathway and the temporal dynamics of T-cell activation over several timescales. T cell-dependent bispecific antibodies (TDBs) are a new class of immuno-therapeutics that can specifically direct a T-cell response towards tumours, by crosslinking the TCR complex to a surface- expressed target on the cancerous cells. However, their mechanism of action has not been studied in detail. The close apposition of the T cell and target cells driven by the TDB interaction can result in the steric exclusion of phosphatases, such as CD45, away from the TCR at the TDB-generated cell-cell interface due to their large, rigid extracellular domains. Using the myeloma-expressed antigen, FcRH5, it was found that membrane-proximal epitopes of FcRH5 drive more robust TCR clustering and increased CD45 exclusion than membrane distal epitopes, which strongly correlated with effective killing of the target cell. These findings have important implications for therapeutic design and implementation of TDBs.

Les réseaux neuronaux sont hautement sensibles aux stimuli sensoriels pendant une fenêtre temporelle dite période critique (PC). Un des acteurs clé de la consolidation de ces réseaux est le Perineuronal Net (PNN), une matrice extracellulaire qui s’accumule au cours de la PC majoritairement autour des interneurones parvalbumin-positifs (PV). La dégradation des PNNs chez l’adulte restaure une plasticité structurale, typique de la PC. Ce projet de recherche vise à déterminer i) les propriétés neurophysiologiques des neurones PV et glutamatergiques dans la couche 4 du cortex visuel primaire de souris au cours du développement ii) de quelle façon ces propriétés sont altérées par l’accumulation des PNN. Nous avons montré, au cours du développement, une augmentation de l’excitabilité des deux types de neurones. La dégradation in vivo des PNN augmente la transmission glutamatergique et GABAergique spécifiquement sur les PV, récapitulant un état juvénile. Dégrader les PNN chez l’adulte n’affecte pas les connections unitaires inhibitrices en couche 4. Afin de comprendre les mécanismes impliqués au niveau du circuit, nous avons exprimé l’opsine sensible à la lumière ChR2 dans les neurones glutamatergiques du thalamus visuel projetant sur la couche 4 du cortex. Ainsi, une absence de PNN augmente le recrutement spécifique des PV par le thalamus, entrainant une augmentation de l’inhibition feedforward. Ces résultats sont en accord avec des expériences réalisées in vivo, au cours desquelles nous avons mesuré les potentiels évoqués en réponse à des stimuli visuels suite à une dégradation des PNN et qui indiquent une augmentation du recrutement de l’inhibition. / The maturation of sensory processing undergoes a critical period (CP), during which cortical neural circuits are sculpted and changed by experience. The closure of CP is paralleled by the accumulation of extracellular perineuronal nets (PNN) around parvalbumin (PV)-positive interneurons. The degradation of PNNs in adult animals was shown to re-open the structural plasticity typical of the CP. We aimed at defining i) the neurophysiological properties of PV cells and principal neurons in layer 4 of primary visual cortex (V1) during the establishment of the CP ii) how these properties are altered by PNN accumulation. We found a robust age-dependent increase of input-output firing relationships in both cell types. Importantly, in vivo PNN removal in adult V1 increased both excitatory and inhibitory transmission selectively onto PV, leaving their excitability intact, and recapitulating younger states. In addition, triggering plasticity in vivo by monocular deprivation did not boost the increased activity onto PV cells. Interestingly, paired recordings in layer 4 showed no changes of inhibitory unitary connections, with or without PNNs. In order to understand the circuit mechanisms underlined, we expressed the light-sensitive opsin ChR2 in the visual thalamus. We found that PNN removal increases the recruitment of PV cells by thalamocortical fibers leading to an increase of feedforward inhibition. These results are in agreement with V1 recordings in vivo of visually evoked potentials in response of increasing contrast. Indeed, PNN disruption caused a reduction of the slope of the contrast sensitivity curve, indicating a higher recruitment of inhibition.

En dépit de l'abondance de données scientifiques, les mécanismes cellulaires régulant la sécrétion du pic pré-ovulatoire de LH lors du proestrus, restent encore mal compris.Afin de pouvoir étudier les mécanismes sous-jacents à cette sécrétion, j’ai tout d’abord adapté des techniques innovantes d’imagerie fonctionnelle en microscopie de fluorescence in vivo, d’injections de vecteurs viraux dans l’hypophyse, d’optogénétique sur animal éveillé et d’immunohistofluorescence sur organe entier.J’ai ensuite montré la plasticité structurelle des cellules gonadotropes et des péricytes (cellules « murales » péri-vasculaires) lors du proestrus sur des hypophyses transparisées. Ce remodelage a permis de proposer l’existence d’une unité Gonadotrope-Vasculaire (GVU) composée des cellules gonadotropes, des capillaires fenêtrés et des péricytes dans laquelle ces derniers moduleraient le pic pré-ovulatoire de LH.La contraction des péricytes via l’activation de la Channelrhodopsine-2 a permis de mettre en évidence leur rôle dans la potentialisation de la sécrétion de LH chez des animaux libres de leurs mouvements et implantés d’une fibre optique.Des expériences de microscopie à l’aide d’une lentille GRIN implantée au-dessus de l’hypophyse ont permis, chez l’animal éveillé en configuration « tête-fixée », d’étudier le flux sanguin et l’activité calcique de cellules de la GVU exprimant GCaMP6. Cette étude a également été menée sur la face ventrale de l’hypophyse sur souris anesthésiée. Les résultats montrent une activité calcique in vivo augmentée dans les cellules endocrines hypophysaires et diminuée dans les péricytes lors d’une sécrétion de la LH induite par la GnRH. / In spite of abundance of scientific data, cellular mechanisms regulating the secretion of the pre-ovulatory LH surge during proestrus are still poorly understood.In order to study the mechanisms underlying this secretion, I adapted innovative tech-niques for in vivo fluorescence functional imaging, injection of viral vectors in the pitui-tary gland, optogenetics in awake animals and immunohistofluorescence in the whole organ.I then showed structural plasticity of gonadotroph cells and pericytes (perivascular "mural" cells) during proestrus in cleared hypophyses. This suggested the existence of a Gonadotroph-Vascular Unit (GVU) composed of gonadotroph cells, fenestrated capil-laries and pericytes, in which the latter would modulate the pre-ovulatory LH surge.Pericytes contraction via Channelrhodopsine-2 activation permitted to demonstrate their role in the sensitization of LH secretion in freely moving animals implanted with an optical fiber.Finally, blood flow and calcium activity in GVU cells expressing GCaMP6 were performed in awake « head-fixed » animals in which visualization of the pituitary gland was achievable through an implanted GRIN lens. These experiments were also conduct-ed at the ventral side of the pituitary gland in anesthetized mice. Analysis showed that in vivo calcium activity increases in endocrine cells and decreases in pericytes during GnRH-induced LH secretion.

A l’heure actuelle, une des principales questions des neurosciences comportementales est de comprendre les bases neurales des apprentissages et de comprendre comment des modifications au sein de circuits neuronaux spécifiques contrôlent les changements comportementaux liés à une expérience particulière. De nombreuses études ont récemment mis en évidence le rôle important des circuits neuronaux dans les phénomènes d’apprentissages associatifs, et notamment dans la régulation des comportements de peur. Cependant, leurs caractéristiques anatomiques et fonctionnelles restent encore largement inconnues. L’une des principales fonctions des circuits neuronaux est leur capacité à adapter le comportement en fonction de la nature des informations internes ou environnementales disponibles. Malgré de nombreux progrès réalisés sur la compréhension des substrats et mécanismes neuronaux sous tendant le conditionnement de peur au sein de structures telles que l'amygdale (AMG), le cortex préfrontal dorso-médian (dmPFC) et la substance grise periaqueducale (PAG), les mécanismes neuronaux gouvernant les interactions inter-structure ainsi que le contrôle local de ces différents circuits neuronaux restent encore largement inconnus. Dans ce contexte, ce travail de thèse a eupour objectifs principaux, d’évaluer la contribution des voies de projections dmPFC-BLA et dmPFC-vlPAG dans la régulation des comportements de peur, et, d’identifier les mécanismes neuronaux sous-jacent contrôlant l'expression de la peur. Afin de répondre à ces questions, nous avons utilisé conjointement des enregistrements électrophysiologiques unitaires et de potentiels de champs couplés à des approches optogénétiques au cours de l’expression de la peur conditionnée. Nous avons pu mettre en évidence un nouveau mécanisme neuronal basé sur une oscillation cérébrale à 4 Hz entre le dmPFC et le BLA impliqué dans la synchronisation neuronale des neurones de ces deux structures nécessaire à l’expression de la peur. Nous avons aussi démontré que le dmPFC via ses projections sur le vlPAG contrôle directement l’expression de la peur. Ensemble, nos données contribuent à une meilleure compréhension des circuits neuronaux ainsi que des mécanismes du comportement de peur qui dans le futur pourront aider à une amélioration thérapeutique des troubles anxieux. / A central endeavour of modern neuroscience is to understand the neural basis of learningand how the selection of dedicated circuits modulates experience-dependent changes inbehaviour. Decades of research allowed a global understanding of the computations occurring inhard-wired networks during associative learning, in particular fear behaviour. However, brainfunctions are not only derived from hard-wired circuits, but also depend on modulation of circuitfunction. It is therefore realistic to consider that brain areas contain multiple potential circuitswhich selection is based on environmental context and internal state. Whereas the role of entirebrain areas such as the amygdala (AMG), the dorsal medial prefrontal cortex (dmPFC) or theperiaqueductal grey matter (PAG) in fear behaviour is reasonably well understood at themolecular and synaptic levels, there is a big gap in our knowledge of how fear behaviour iscontrolled at the level of defined circuits within these brain areas. More particularly, whereas thedmPFC densely project to both the basolateral amygdala (BLA) and PAG, the contributions ofthese two projections pathway during fear behaviour are largely unknown. Beside theinvolvement of these neuronal pathways in the transmission of fear related-information, theneuronal mechanisms involved in the encoding of fear behaviour within these pathways are alsovirtually unknown. In this context, the present thesis work had two main objectives. First,evaluate the contribution of the dmPFC-BLA and dmPFC-vlPAG pathways in the regulation offear behaviour, and second, identify the neuronal mechanisms controlling fear expression in thesecircuits. To achieve these goals, we used a combination of single unit and local field potentialrecordings coupled to optogenetic approaches in behaving animals submitted to a discriminativefear conditioning paradigm. Our results first, identified a novel neuronal mechanism of fear expression based on the development of 4 H oscillations within dmPFC-BLA circuits thatdetermine the dynamics of freezing behaviour and allows the long-range synchronization offiring activities to drive fear behaviour. Secondly, our results identified the precise circuitry at thelevel of the dmPFC and vlPAG that causally regulate fear behaviour. Together these data provideimportant insights into the neuronal circuits and mechanisms of fear behaviour. Ultimately thesefindings will eventually lead to a refinement of actual therapeutic strategies for pathological conditions such as anxiety disorders.

Le réseau des ganglions de la base (GB) est un ensemble de structures sous corticales, dont la principale fonction est le contrôle du mouvement volontaire. Le Globus Pallidus (GP), équivalent du GPe chez le primate, est un noyau constitué exclusivement de neurones GABAergiques, qui joue un rôle clé dans le fonctionnement des GB de par ses projections inhibitrices diffuses sur l’ensemble des structures de ce macrocircuit. Bien qu’une diversité neuronale au sein du GP ait été suggérée sur les bases de l’origine embryonnaire, de l’expression de protéines spécifiques ou encore de l’activité électrique des neurones, ces différents paramètres n’ont pas été corrélés de manière claire. Notre premier objectif a donc été de corréler les propriétés membranaires de neurones du GP enregistrés en patch-clamp sur des tranches de cerveau de rat avec l’expression spécifique de deux marqueurs neuronaux : une protéine liant le calcium, la parvalbumine (PV) ou un facteur de transcription, Forkhead Box 2 (FoxP2). Nous avons observé des différences électrophysiologiques significatives entre les neurones PV-positifs et FoxP2-positifs. Ce résultat nous a amené à formuler l’hypothèse qu’ayant des propriétés distinctes, les neurones PV-positifs et FoxP2-positifs pouvaient être connectés de manière différente au sein du réseau des ganglions de la base. Nous avons donc réalisé des expériences de traçage neuronal in vivo afin d’identifier les structures cibles de chaque sous-population. Nous montrons que les neurones PV-positifs projettent sur les structures de sortie des ganglions de la base tandis que les neurones FoxP2-positifs projettent uniquement sur le striatum. Enfin, le GP étant majoritairement composé de neurones PV-positifs, nous avons décidé de manipuler spécifiquement l’activité électrique de cette population in vitro et in vivo grâce à l’optogénétique. Nous présentons des résultats montrant que la modulation de l’activité électrique des neurones PV-positifs modifie le comportement moteur chez l’animal vigile. Nos résultats d’immunohistochimie et d’électrophysiologie in vitro démontrent pour la première fois l’existence d’une diversité neuronale au sein du GP. Nos expériences constituent la première étude du rôle des neurones PV-positifs dans le contrôle du mouvement volontaire. / Globus Pallidus (GP in Rodents; GPe in Primates) which belongs to the indirect pathway of basal ganglia is often, if not always, considered as an homogeneous entity which simply relays striatal information through the subthalamic nucleus, downstream to the output of basal ganglia, the substantia nigra pars reticulata. Prototypical GP neurons are often described as fast-spiking GABAergic cells which express parvalbumin (PV) as a neurochemical marker. However, cellular heterogeneity in GP has been suggested by anatomical, neurochemical, fate mapping analysis and electrophysiological activity in vivo but a clear demonstration of the existence of distinct cell types in GP, which requires by definition correlation of electrophysiological activity with neurochemistry and structure, is still missing. The objective of my PhD was i) to determine if the expression of specific neuronal markers in GP neurons is correlated with specific electrophysiological properties, ii) to understand the function of identified cell types in motor control, in order to prove that neuronal diversity exists and matters in GP. We show that electrical activity and repertoire of ionic channels differ in PV-positive and FoxP2-positive neurons. We demonstrate that PV-positive neurons do project on downstream structures whereas FoxP2-positive neurons exclusively target striatum. We report that manipulating PV-positive neurons using optogenetics induce changes in motor behavior. Thus, our results contribute to highlight the function of GP in motor control.

Le maintien de la PCO2 et du pH du sang artériel est vital. Le principal mécanisme de cette régulation, chez les mammifères, est le chémoréflexe respiratoire central au CO2, une hyperventilation en réponse à l’hypercapnie, dont les bases neurales sont l’enjeu d’un débat persistant. Notre travail s’intéresse aux rôles supposés d’un groupe d’interneurones du niveau facial du tronc cérébral, le « noyau rétrotrapézoïde », dans le chémoréflexe au CO2 et l’accélération du rythme respiratoire autour de la naissance. Notre approche est inspirée par la symptomatologie respiratoire du syndrome d’Ondine ou CCHS (apnées et abrogation du chémoréflexe) et son gène causal, codant le facteur de transcription Phox2b, exprimé par les neurones du RTN. Nous avons disséqué le rôle du RTN dans le chémoréflexe central en étudiant les propriétés anatomiques et fonctionnelles in vitro chez l’embryon, et in vivo chez l’animal postnatal, de modèles murins - perte et gain de fonction –ciblant le RTN de la manière la plus sélective possible par génétique intersectionnelle. Ces modèles sont basés (i) sur l’historique d’expression des facteurs de transcription Phox2b, Lbx1, Atoh1 spécifiant les neurones du RTN au cours du développement et (ii) sur la transposition, chez la souris, de mutations humaines, Phox2b27Ala/+ et Lbx1fs/fs affectant ces facteurs, et qui sont respectivement, diagnostique, et proposé comme telle, du CCHS. L’ensemble des mutants étudiés récapitulent chez la souris, des traits phénotypiques exclusifs chez l’embryon et à la naissance: l’abrogation anatomique du RTN, le ralentissement du rythme respiratoire et la perte complète du chémoréflexe. Nos travaux montrent donc que le RTN est un composant obligatoire du circuit chémoréflexe. Nous montrons de plus, que le chémoréflexe n’est pas requis pour la survie des souriceaux à la naissance, cette dernière pourrait être liée au déficit conjoint d’une autre structure de même identité que le RTN, son homologue segmentaire au niveau trigéminal du tronc cérébral: le groupe péri-trigéminal. / The maintenance of PCO2 and pH in arterial blood is vital. The principal mechanism through which this is achieved in mammals is the respiratory chemoreflex, a hyperventilation response to hypercapnia, whose circuitry is still elusive and the matter of a persistent debate. Our work deals with the putative roles of a group of interneurons at facial level of the brainstem, the “retrotrapezoïd nucleus”, in the CO2 chemoreflex and in the acceleration of breathing around birth. Our approach is inspired by the respiratory symptoms of Ondine’s curse or CCHS (apneas and abrogation of the chemoreflex) and its causal gene, encoding the transcription facteur Phox2b, expressed in RTN neurons. We have dissected the role of the RTN by studying the anatomical and functional properties in vitro in embryos and in vivo at birth and postnatally, of gain and loss of function mutant mouse models, as selective as possible towards the RTN through intersectional strategies. Our models are based (i) on the history of expression of the transcription factors Phox2b, Lbx1, Atoh1 that specify RTN neurons during development and (ii) on the transfer into the mouse of the human mutations Phox2b27Ala/+ and Lbx1fs/fs that target these factors and are respectively diagnostic and candidate diagnostic for CCHS. Compoundly, the mutants recapitulate exclusive phenotypic traits in the embryo and at birth: anatomical abrogation of the RTN, a slowed down respiratory rhythm and the complete loss of chemoreflex. Our work demonstrates that the RTN is an obligatory component of the chemoreflex circuit. Furthermore, we show that the chemoreflex is not required for survival at birth and that the latter may be put at risk by the joint deficiency of another structure sharing the same molecular identity with the RTN, in fact its segmental homologue at trigeminal level of the brainstem: the peri-trigeminal group.

Les dystrophies rétiniennes héréditaires (DRH) sont un ensemble de pathologies rétiniennes incurable provoquant la cécité. Les DRH sont caractérisées par le dysfonctionnement/dégénérescence des photorécepteurs et le remodelage de la structure de la rétine. Une des approches thérapeutiques envisagées pour traiter les DRH est la thérapie génique spécifique, c’est à dire le remplacement du gène défectueux par un gène sain. Cependant, bien qu’efficace, la thérapie génique spécifique n’est pas toujours applicable, en particulier quand la dégénérescence est trop avancée ou quand le gène muté n’est pas connu. Afin de traiter tous les cas de DRH quelle que soit leur origine génétique et leur stade de progression, une approche de thérapie génique d’addition est envisagée : Le transfert d’optogène. Cela consiste à convertir les cellules encore présentes dans la rétine malgré la dégénérescence, en cellule photosensible suite à l’expression d’un optogène (protéine photosensible). Mon projet de thèse a consisté dans un premier temps à évaluer le transfert de gène avec un vecteur AAV2/2 dans les cellules ganglionnaires rétiniennes de chien et de primate non-humain. Cette première partie a permis d’initier un second projet qui a eu pour objectif d’évaluer l’efficacité du transfert d’optogène (Channelrhodopsin-2) pour la restauration de la fonction visuelle dans un modèle canin de dystrophie rétinienne (le chien Rpe65- /-). / Inherited retinal dystrophies (IRD), a group of incurable retinal pathologies, are associated with visual impairments due to a malfunction and/or degeneration of photoreceptors and/or retinal pigment epithelium (RPE). Significant progress in the field of gene therapy has allowed the development and the characterization of an innovative tool to treat IRD patients: recombinant adeno-associated viral vectors (AAV) that carry and deliver therapeutic nucleic acids. However, due to the heterogenic nature of IRD, gene supplementation will not allow to treat all forms of IRD because: (i) the numbers of mutated genes are unknown according to the state of art; (ii) the dominant forms of IRD in which mutations lead to negative effects are not eligible; (iii) the limit of AAV packaging excludes large-sized mutated genes and (iv) this approach is only applicable when photoreceptors are still alive. To treat all IRD patients, a novel therapeutic approach, independently of the mutated gene and the disease kinetic is suitable: the optogene transfer (light-sensitive protein) to restore photosensitivity in neurodegenerative retina by converting surviving retinal cells into photosensors. The primary goal of my research was to promote and characterize adeno-associated virus type 2-(AAV2) transduction in retinal ganglion cells of dog and non-human primate. A second aim was to investigate the feasibility of AAV2-mediated optogenes transfer in retinal ganglion cells as a therapeutic approach to restore visual function in RPE65 deficient dog, a canine model of IRDs.