La rétine contient une horloge endogène régulant différentes fonctions rythmiques et participe à la synchronisation de l'horloge centrale du SCN au temps géophysique. Cette synchronisation met en jeu les bâtonnets, les cônes et les cellules à melanopsine. Contrairement au SCN, le rôle des photorécepteurs dans la réponse à la lumière de l'horloge rétinienne est controversé. Nos travaux et ceux d'autres équipes soutiennent un rôle de la melanopsine alors que 2 études récentes suggèrent que seule la neuropsine est impliquée. Mon projet vise à disséquer le rôle des différents photorécepteurs par des approches in vitro/ex vivo chez des souris sauvages, Per2Luc et/ou déficientes en photorécepteurs. Des lumières monochromatiques ciblant différents photorécepteurs ont été appliquées à des explants rétiniens en culture de souris Per2Luc ou déficientes en melanopsine, cônes MW ou bâtonnets. Nos résultats montrent un rôle des bâtonnets dans le décalage de phase de l'horloge rétinienne par la lumière dans le spectre visible et une contribution additionnelle des cônes SW et/ou de la neuropsine dans l'UV. L'horloge rétinienne étant composée de plusieurs horloges et afin de déterminer leur réponse à la lumière, l'induction photique des gènes Per1-Per2 et C-Fos a été analysée dans les couches rétiniennes isolées chez des souris sauvages et déficientes en photorécepteurs. Chez les souris sans melanopsine ou cônes MW, l'induction de Per1-Per2 est abolie dans toutes les couches, suggérant un rôle de ces photorécepteurs. En résumé, nos résultats indiquent un rôle différentiel des photorécepteurs en fonction de la réponse mesurée (décalage de phase de PER2::Luc et induction des gènes de l'horloge par la lumière) / The mammalian retina contains an endogenous pacemaker regulating retinal physiology and participate to the sybchronization of the temporal phase of the central clock of the SCN to environmental time. This entrainment process involves rods, cones and melanopsin-containing retinal ganglion cells. In contrast with the SCN, the role of these photoreceptors in the light response of the retinal clock is still controversial. While recent studies suggest that none of them is involved in light response of the retinal clock, others support a role for melanopsin. My project aims to dissect the role of these different photoreceptors in wild-type, Per2Luc and/or photoreceptor-deficient mice using in vitro/ex vivo approaches. Monochromatic lights targeting different photoreceptors were applied to retinal explants of Per2Luc or melanopsin-, MW cones- or rods-deficient mice. Our results demonstrate that rods are required for the light-induced phase shift of the retinal clock in the visible spectrum and suggest an additional contribution of SW cones and/or neuropsin in the UV. As the retinal clock is composed of several clocks and in order to determine their response to light, the photic induction of Per1-Per2 and C-Fos genes was analyzed in isolated retinal layers from wild-type and photoreceptor-deficient mice. In mice without melanopsin or MW cones, Per1-Per2 induction by light is abolished in all layers, suggesting a role for these photoreceptors. In summary, our results propose a differential contribution of the retinal photoreceptors as a function of the response recorded (phase shift of PER2::Luc or induction of clock genes by light)

Chez l'homme, la lumière influence 1) les rythmes circadiens, 2) le cycle veille-sommeil, et 3) active les fonctions non-visuelles. La rétine qui reçoit et traite l’information lumineuse possède des caractéristiques uniques de sensibilité à la lumière qui dépendent de la longueur d'onde. Elle se compose de photorécepteurs visuels (cônes S-, M-, ou L-) présentant une sensibilité au bleu, vert, et rouge et des photorécepteurs non-visuels (les cellules ganglionnaires à mélanopsine, ipRGCs) sensible à 480nm. Peu d'études ont étudié l'impact de lumières colorées sur les fonctions non-visuelles. De telles études ont utilisées des lumières monochromatiques de longue durée, administrées après les horaires normaux de coucher, avec une pupille dilatée. Cela contraste avec l'exposition à la lumière ambiante. Comment celle-ci influence la dynamique des réponses non-visuelles et est-ce que leur intensité ou leur composition de couleur influe sur les rythmes circadiens n'est toujours pas élucidée.Nous avons étudié les effets d’une lumière polychromatique sur les dynamiques de l'activité corticale (EEG), le réflexe pupillaire, la suppression de la mélatonine, la fréquence cardiaque, la température et les performances neurocomportementales. 28 sujets hommes ont été exposés à 4 stimuli lumineux de 50 min, entre 19-2300 h. Les stimuli avaient une contribution mélanopique différente, mais une densité de photons identique de 10e14 photons/cm²/s. Cela nous a permis de disséquer les contributions relatives des photorécepteurs non-visuels/visuels dans les fonctions non-visuelles. Dans une seconde étude, les photorécepteurs et niveaux de lumière nécessaires pour 1) initier et saturer la suppression de la mélatonine et 2) les plages actives ont été calculés. Ces résultats ont des implications dans notre compréhension des effets d’une exposition à la lumière artificielle sur la veille et le sommeil et les troubles du rythme circadien tels que le syndrome du retard de phase / In humans, light influences 1) circadian rhythms, 2) sleep-wake cycle, and 3)activate non-visual functions. While white bright light studies provide insight on the effect of light per se, the retina consists of visual photoreceptors (S-M-L cones) exhibiting sensitivity in blue, green, red colour range and non-visual photoreceptors (intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGCs) most sensitive at 480nm. Few studies investigated the impact of coloured light corresponding to the different photoreceptors on light-dependent physiology. Such studies employed long duration monochromatic light, administered past normal bedtimes, after pupil dilator application. This contrasts with real-life light exposure. Furthermore, the link between light, non-visual responses and sleep-wake cycle has not been dynamically assessed. How ambient light influences the kinetics of non-visual responses and whether their intensity or colour impacts circadian rhythms is still unclear.We investigated polychromatic light exposure on the kinetics of cortical activity (EEG), pupillary light reflex, melatonin suppression, heart rate, temperature and neurobehavioral performances in humans. In a first study, 28 males were exposed to 4 light pulses of 50 min each from 19-2300 h. Light pulses had different melanopic contribution but identical photon density of 1014 photons/cm²/s. This allowed us to dissect relative contributions of non-visual/visual photoreceptors on light-dependent physiology and wakefulness markers. In a second study, we determined the sensitivity and thresholds of nocturnal melatonin suppression by light and the photoreceptors involved. Light levels needed to 1) initiate suppression, 2) saturation and 3) the active ranges were calculated. These findings have implications in our understanding of artificial light exposure on the sleep-wake cycle and circadian rhythm disorders such as delayed sleep phase disorder

En plus des photorécepteurs canoniques traditionnels (bâtonnets etcônes), des cellules ganglionnaires contenant le photopigment mélanopsineont récemment été découverts. Une étude récente de notrelaboratoire a suggéré que, dans la rétine humaine, ce nouveau photopigmentexprime des propriétés bistables similaires à celles notéeschez les invertébrés tant in vitro qu’in vivo. Dans les systèmes dephotopigments bistables, la lumière déclenche une réponse photosensoriellemais permet aussi la régénération du chromophore pourrétablir la réactivité lumineuse du photopigment. Cette dernière étudea montré qu’une exposition lumineuse antérieure peut moduler l’amplitudedes réponses lumineuses de la mélanopsine.L’objectif de ma thèse est d’étudier (1) la bistabilité présumée de lamélanopsine chez l’Homme en utilisant comme outil le réflexe photomoteurpupillaire. Ma thèse comporte aussi 2) le développementd’une technique d’évaluation quantitative des effets du brunissementdu cristallin oculaire sur la photoréception impliquant la mélanopsine;3) le développement d’un modèle mathématique portant sur lefonctionnement des photopigments bistables et du système photiquenon visuel.L’exploitation des propriétés bistables de la mélanopsine et l’utilisationappropriée des effets photorégénérateurs des longueurs d’ondeslumineuses longues pourraient servir dans l’optimisation de la compositionspectrale des applications photothérapeutiques (expérimentales,industrielles, domestiques et cliniques). / In addition to the canonical photoreceptors, rods and cones, a novelmelanopsin-expressing retinal ganglion cell (mRGC) was recently discovered.The novel photopigment melanopsin in the human retinahas been shown to express invertebrate-like bistable properties bothin vitro and in vivo. In bistable photopigment systems, light elicitsphotosensory responses and drives photoregeneration of the chromophoreto restore photic responsiveness. These studies have shownthat prior light exposure can modulate the amplitude of subsequentphotic responses of melanopsin.In this thesis, the putative bistability of melanopin in humans isexamined. The bistability was studied using 1) pupillary light reflex(PLR) as a tool, 2) developing a method for quantifying the effectsof lens density for melanopsin-mediated photoreception, and 3) providinga quantitative mathematical framework for modeling bistablepigment systems and non-image forming (NIF) visual system.Exploiting the bistable properties of melanopsin could allow foroptimization of spectral light distribution in experimental, industrial,domestic and clinical phototherapy applications by appropriate useof the photoregenerative effects of long wavelength light. / Perinteisten fotoreseptorien, sauvasolujen ja tappisolujen, lisäksi verkkokalvoltaon löydetty melanopsiinia sisältäviä gangliosoluja. Fotopigmenttimelanopsiinin on huomattu käyttäytyvän ihmisen verkkokalvollaselkärangattomien eläimien bistabiilin näköjärjestelmän tavoinsekä in vivo- ja in vitro- olosuhteissa. Bistabiileissa fotopigmenttijärjestelmissävalo aiheuttaa sensoristen vasteiden lisäksi kromoforin fogeneraationvastevalmiisen tilaan. Nämä aiemmat tutki-mukset ovatosoittaneet, että aiempi valoaltistus voi moduloida siitä seuraaviamelanopsiinivasteita.Tässä väitöskirjassa melanopsiinin oletettua bistabiiliutta tutkittiinkäyttäen 1) Pupillireaktiota työkaluna, 2) kehittämällä kvantitaviinenmenetelmä mykiöntiheyden vaikutuksiin melanopsiini-fotoreseptiossa,ja 3) kehittäen kvantitatiivisen matemaattisen kehyksen bistabiilien pigmenttijärjestelmien ja ei-visuaalisen näköjärjestelmän mallintamiseen.Melanopsiinin bistabiileita ominaisuuksia on mahdollista optimoidavalon spektrikoostumusta niin tieteellisissä, teollisissa, kotitalouksellisissaja kliinisissä valoterapia sovelluksissa hyväksikäyttämälläpunaisen aallonpituusalueen fotoregeneroivia vaikutuksia.

Comme presque tous les êtres vivants, les insectes et autres arthropodes terrestres évoluent dans des environnements dynamiques et hétérogènes relativement à de multiples facteurs abiotiques incluant le rayonnement ultraviolet (UV). L’absorption de ces photons peut affecter le fitness des individus à travers différents types d’effets physiologiques et comportementaux. Certaines stratégies de lutte intégrée manipulent l’exposition au rayonnement UV en contexte agricole de façon à prendre avantage de son aspect attractif pour de nombreux ravageurs et de leur susceptibilité aux photodommages qu’il induit. Considérant le manque de connaissances sur les conséquences potentielles de telles approches sur les ennemis naturels, j’ai étudié dans cette thèse l’influence du rayonnement UV au fil du cycle de vie de deux espèces de guêpes parasitoïdes d’œufs, Telenomus podisi Ashmead, 1893 et Trissolcus utahensis Ashmead, 1893 (Hymenoptera : Scelionidae), et d’une de leurs punaises hôtes, Podisus maculiventris (Say, 1832) (Hemiptera : Pentatomidae), une espèce prédatrice qui pond des œufs de différents niveaux de pigmentation photoprotectrice. De façon à examiner divers paramètres d’histoire de vie de ces associations hôtes-parasitoïdes ainsi que certains des comportements liés à la recherche et à l’exploitation d’hôtes chez les parasitoïdes, j’ai réalisé une série d’expériences sous exposition naturelle et artificielle au rayonnement UV à l’aide de matériaux transmettant ou absorbant ces photons. Je démontre qu’une exposition réaliste au rayonnement UV peut entraîner des conséquences négatives sur le fitness des punaises et de leurs parasitoïdes d’œufs, et ce qu’ils y soient exposés durant leur développement ou comme adultes. L’exposition soutenue à un rayonnement UV-A de faible intensité a réduit la survie et la longévité des parasitoïdes adultes, tandis que chez les punaises, elle a induit des effets reportés négatifs sur la survie des nymphes jusqu’au stade adulte. Les conséquences immédiates et ultérieures de l’exposition des œufs de P. maculiventris au rayonnement UV ont été atténuées avec l’augmentation de leur niveau de pigmentation, et ce tant pour l’hôte que son parasitoïde. Au niveau comportemental, j’ai décrit comment les microhabitats exposés au rayonnement UV attirent les femelles parasitoïdes tout en réduisant leur activité locomotrice. Néanmoins, un taux de parasitisme élevé a été observé à diverses intensités d’exposition au rayonnement UV sur des plants de soya en cages de terrain, révélant que l’atténuation de ces signaux ne réduit pas nécessairement la performance de mes parasitoïdes. Dans l’ensemble, ces différentes études expérimentales ont révélé des effets similaires du rayonnement UV chez les trois espèces testées. Elles fournissent d’importantes réponses quant aux interactions complexes entre des insectes bénéfiques et un facteur abiotique associé aux changements climatiques et qui agit simultanément comme source de stress et d’information relativement à l’environnement. / Like most living things, insects and other terrestrial arthropods navigate environments that are dynamic and heterogenous with regards to various abiotic factors including ultraviolet (UV) radiation. Absorbing those photons can affect arthropod fitness via different types of physiological and behavioural effects. Some integrated pest management strategies manipulate UV exposure in agricultural settings to take advantage of its attractiveness to pests and of their susceptibility to UV damage. Considering the lack of knowledge on how such techniques could affect natural enemies, I studied the influence of UV radiation throughout the lifecycles of two egg parasitoid species, Telenomus podisi Ashmead, 1893 and Trissolcus utahensis Ashmead, 1893 (Hymenoptera: Scelionidae), and one of their potential stink bug hosts, Podisus maculiventris (Say, 1832) (Hemiptera: Pentatomidae), a predatory species that lays eggs of different photoprotective qualities. To examine various life history parameters in these host-parasitoid associations as well as some of the parasitoids’ host location and exploitation behaviours, I conducted a series of experiments under natural and artificial UV exposure, using UV-transmitting and UV-absorbing materials. I showed that realistic doses of UV radiation can have negative consequences for the fitness of stink bugs and their egg parasitoids, whether they were exposed during their development or their adult stage. Long-term exposure to mild UV-A intensities reduced parasitoid emergence and longevity, while inducing negative carryover effects on stink bug nymph survival to adulthood. Immediate or delayed consequences of exposing P. maculiventris eggs to UV radiation lessened with increasing egg pigmentation levels, both for the hosts and their parasitoids. As for behavioural responses to UV radiation, UV-exposed microhabitats were attractive to foraging female parasitoids but also reduced their walking activity. Nonetheless, high parasitism rates were observed under different intensities of UV exposure on soybean plants in field cages, revealing that UV attenuation does not necessarily impede these parasitoids’ performance. Together, these different experimental studies revealed similar effects of UV radiation on the three species tested. They provide important insight on the complex interactions between beneficial insects and an abiotic factor that is involved in climate change and that can act both as an environmental hazard and a visual cue.