La plasticité synaptique représente un mécanisme fondamental de l'apprentissage et de la mémoire au cours du développement et durant la vie adulte. Au niveau moléculaire, il est connu que la CaMKII joue un rôle important dans la plasticité et la maturation des synapses. L'objectif était de démontrer par mesure électrophysiologique que la translocalisation de la CaMKII à la synapse est nécessaire à la potentialisation à long terme (LTP) des courants synaptiques. Pour tester cette hypothèse, une étape critique devait d'abord être franchie, celle d'établir une méthode robuste pour induire de la LTP dans des neurones d'hippocampe de rat maintenus en culture, où on peut manipuler l'expression et la dynamique spatiale de la CaMKII. Ce mémoire montre que cette première étape n ' a pu être établie et qu'ainsi l'hypothèse de départ n'a pu être testée. Néanmoins, je présente une méthode candidate prometteuse, faisant appel à une lumière intense, pour augmenter la fréquence des événements synaptiques. De plus, j ' a i développé un outil qui permettra bientôt d'automatiser les mesures d'électrophysiologie et microscopie nécessaires pour tester l'hypothèse de départ. Il devrait entre autre accélérer notre capacité de trouver un protocole optimal pour induire de la LTP en culture en testant un plus grand nombre de conditions expérimentales de manière rapide et reproductible.

Pour mieux comprendre les processus moléculaires à la base de la communication synaptique, il est nécessaire de pouvoir observer et contrôler l’activité synaptique avec une grande précision temporelle (ms) et spatiale (échelle nanométrique). Mon projet propose d’utiliser une technique de stimulation optique localisée basée sur l’excitation plasmonique de nanoparticules d’or (Nanoparticle Assisted Localized Optical Stimulation – NALOS) afin de produire une stimulation synaptique localisée sur une seule synapse. NALOS peut être réalisé en utilisant un microscope confocal équipé d’un laser infrarouge femtoseconde pour stimuler des nanoparticules d’or déposées sur les neurones en culture. Il a été démontré qu’il est possible d’induire avec NALOS une augmentation transitoire de Ca2+ intracellulaire sur une dendrite, mesurée avec l’aide de GCaMP6s, un indicateur de Ca2+ génétiquement encodé1 . Afin de mieux comprendre les effets physiologiques de NALOS sur les neurones, la première partie de mon projet vise à caractériser le mécanisme sous-jacent à la technique. Pour ce faire, nous avons varié la puissance de la stimulation laser sur les nanoparticules d’or pour caractériser les différentes réponses calciques transitoires intracellulaires obtenues ainsi que la possible formation de trous sur la membrane. Nous avons ensuite identifié les principaux récepteurs et canaux ioniques pouvant être stimulés avec NALOS en utilisant différents antagonistes. Nous avons ensuite appliqué NALOS pour générer une stimulation synaptique. Pour y parvenir, nous avons stimulé localement un axone et observé la réponse calcique reliée à une stimulation synaptique par relâchement naturel de glutamate via des vésicules de la zone active présynaptique. Cet outil permettra donc de stimuler et d’observer, une synapse à la fois, des changements structurels et moléculaires reliés à la communication synaptique. / To better understand the molecular processes underlying synaptic communication, it is necessary to be able to observe and control synaptic activity with high temporal (ms) and spatial (nanoscale) precision. My project proposes using a localized optical stimulation technique based on the plasmonic excitation of gold nanoparticles (Nanoparticle Assisted Localized Optical Stimulation – NALOS) to produce synaptic stimulation localized at a single synapse. NALOS can be performed using a confocal microscope equipped with an infrared femtosecond laser to stimulate gold nanoparticles deposited on cultured neurons. It has been shown that NALOS can induce a transient stimulation of intracellular Ca2+ on a dendrite, measured with the help of GCaMP6s, a genetically encoded Ca2+ indicator1 . For a better understanding the physiological effects of NALOS on neurons, the first part of my project aims to characterize the mechanism underlying this technique. To do this, we varied the power of laser stimulation on gold nanoparticles to decipher the different intracellular transient Ca2+ responses obtained as well as to investigate the possible formation of holes on the membrane. We then determined the main receptors and ion channels that can be stimulated with NALOS. We then applied NALOS to generate synaptic stimulation. To do this, we locally stimulated an axon and look at the Ca2+ response related to synaptic stimulation by natural release of glutamate via vesicles of the presynaptic active zone. This tool will thus make it possible to stimulate and observe, one synapse at a time, structural and molecular changes related to synaptic communication

L'accident vasculaire cérébral (AVC), est un problème de santé majeur au niveau mondial. Les traitements de réadaptation visent à réduire le fardeau individuel et sociétal engendrés par l'AVC, via l'amélioration de l'indépendance fonctionnelle et des déficiences sensoriels et moteurs. Par contre, la plupart des survivants conservent des séquelles chroniques et ce, malgré l'accès à des soins de réadaptation intensifs et spécialisés. La recherche se penche donc sur l'utilisation de technologies novatrices et sécuritaires pour notamment tenter de dépasser les gains obtenus en clinique. Parmi les différentes approches actuellement évaluées en recherche, les appareils de neurostimulation périphérique semblent favoriser la récupération des fonctions sensorimotrices, via la production massive d'informations somatosensorielles (cutanées et proprioceptives). Ces afférences forceraient le système nerveux central lésé à s'adapter, offrant une fenêtre temporelle pendant laquelle le cerveau serait dans un meilleur état pour recevoir une thérapie. Malgré ces données intéressantes, le manque de connaissances limite le transfert clinique de ces approches. En particulier, le rôle des afférences proprioceptives vs. cutanées sur les effets de la neurostimulation périphérique demeurent à ce jour mal compris. L'objectif principal de la thèse était de déterminer si la nature des afférences sensorielles recrutées par neurostimulation périphérique a un impact sur la plasticité cérébrale et les déficiences sensorimotrices chez une clientèle AVC au stade chronique. Les cinq études du doctorat visaient plus précisément à : (i) évaluer les propriétés métrologiques (fidélité et changement minimal détectable) d'un outil de mesure neurophysiologique (stimulation magnétique transcrânienne – TMS) utilisé dans la thèse pour tester la plasticité cérébrale (études 1 et 2); (ii) approfondir les connaissances reliées aux paramètres d'application et afférences produites par deux approches de neurostimulation périphérique, soit la rPMS (stimulation magnétique périphérique répétitive) et la NMES (stimulation électrique neuromusculaire) (étude 3); (iii) développer et valider une approche standardisée permettant d'induire des illusions de mouvement par vibration musculo-tendineuse (VIB), puis débuter son processus de validation (étude 4); (iv) déterminer l'influence des afférences sensorielles sur la plasticité cérébrale et la récupération sensorimotrice chez des personnes au stade chronique post-AVC en comparant les effets aigus de trois interventions de neurostimulation périphérique (NMES, rPMS, VIB) avec une séance d'exercices (étude 5). Dans l'ensemble, les résultats des études supportent : (i) que les évidences actuelles ne permettent pas de conclure sur la fidélité des mesures TMS, mais que les erreurs de mesure observées encouragent l'utilisation de ces mesures pour suivre des changements de groupe plutôt qu'individuels; (ii) que notre procédure standardisée utilisant les illusions de mouvement induites par la VIB est valide chez des individus au stade chronique post-AVC et (iii) que le recrutement préférentiel des afférences proprioceptives semble plus efficace pour favoriser la plasticité cérébrale et l'amélioration des déficiences sensorimotrices chez des individus vivant avec les séquelles chroniques d'un AVC. Toutefois, avant de considérer un potentiel transfert clinique des approches étudiées dans la thèse, des études supplémentaires devront évidemment reproduire nos résultats et approfondir les diverses réflexions soulevées.

Les mesures de plasticité synaptique ont historiquement impliqué l'utilisation de méthodes d'électrophysiologie qui, en intégrant les nombreux influx synaptiques, offrent une très grande sensibilité de détection de changements de forces synaptiques. Cette grande sensibilité se fait cependant aux dépens d'une information spatiale quant à la localisation des synapses subissant une plasticité. Sachant que la plasticité synaptique est un phénomène qui peut être indépendant d'une synapse à l'autre, il devient important d'avoir la possibilité de mesurer, à l'échelle synaptique, les changements moléculaires associés à cette plasticité. De nouveaux outils fluorescents développés dans les dernières décennies permettent maintenant de visualiser directement l'activité synaptique, la signalisation et le remodelage à l'échelle synaptique. Durant ma maîtrise en biophotonique, j'ai mesuré optiquement l'activité calcique résultant d'une libération spontanée de neurotransmetteurs à l'aide d'un nouveau senseur de calcium (Ca2+) génétiquement encodé, GCaMP6f. Pour ce faire, j'ai imagé par vidéo-microscopie des neurones d'hippocampes de rats en culture perfusés avec une solution sans Mg2+ contenant de la Tetrodotoxine (0Mg/TTX). J'ai observé, dans des compartiments dendritiques et dans des épines, des oscillations transitoires et localisées du Ca2+ intracellulaire, nommées influx synaptiques miniatures de Ca2+ (MSCTs). Afin de tester la possibilité de potentialiser les MSCTs, je les ai enregistrés avant et après un protocole de stimulation de 5 minutes reconnu pour induire une plasticité synaptique dans les neurones en culture (0Mg2+/Glycine/Bicuculline, cLTP). J'ai observé qu'une augmentation de la fréquence et de l'amplitude des MSCTs, pouvant persister parfois jusqu'à une heure, est induite par le protocole de stimulation. J'ai donc tenté d'identifier les mécanismes moléculaires de cette plasticité. Les MSCTs sont principalement générés par l'ouverture des récepteurs NMDA, car ils sont presque totalement bloqués par l'addition d'AP5, un antagoniste sélectif au récepteur. De plus, l'ajout d'AP5 durant le protocole de stimulation bloque la plasticité. Il semble donc que les MSCTs et leur plasticité sont dépendants des récepteurs NMDA. Fait intéressant, ni les MSCTs ni leur plasticité ne sont bloqués par le NBQX, un antagoniste des récepteurs AMPA, ce qui laisse supposer que la plasticité résulte possiblement de changements dans la quantité et la composition des récepteurs NMDA, en plus des modifications dans la signalisation du Ca2+ et dans la régulation de la libération de neurotransmetteurs. Également, alors que nous avons observé que l'activité enzymatique de la CaMKII n'est pas essentielle pour l'induction et l'expression de la plasticité, certains résultats préliminaires démontrent un possible rôle de la PKA. Afin de tester mes diverses hypothèses, j'ai également combiné l'imagerie de Ca2+ avec l'imagerie d'autres composants pré et postsynaptiques, afin d'identifier les mécanismes moléculaires responsables de la plasticité des MSCTs. Dans l'ensemble, cette nouvelle mesure de la plasticité synaptique présente le potentiel de fournir de nouvelles connaissances sur la diversité des processus moléculaires qui régissent la potentialisation synaptique. / Classical measurements of synaptic plasticity have involved electrophysiological methods which provide high sensitivity for detecting small changes in synaptic strength. However, this approach does not provide much information about the location of the synapses that undergo plastic changes. Because synaptic plasticity can be synapse-specific, having the ability to monitor changes in synaptic strength at individual synapses is important in order to enable simultaneously monitoring of local molecular mechanisms associated with the plasticity. New fluorescent tools developed in the last decades allow to directly visualize synaptic activity, signaling, and remodeling at individual synapses. During my Master studies, I used optical imaging of a genetically-encoded calcium (Ca2+) sensor, GCaMP6f, to record miniature synaptic Ca2+ transients (MSCTs) in cultured rat hippocampal neurons. For these experiments, I performed video-microscopy on neurons perfused with external solution lacking Mg2+ and containing Tetrodotoxin (0Mg2+/TTX). I have observed highly localized and transient increases of intracellular Ca2+ in dendritic compartments and spines. To test whether these MSCTs can be potentiated, I have measured them before and after a 5 min stimulation known to induce plasticity in cultured neurons (0Mg2+/Glycine/Bicuculline, cLTP). A lasting increase in the frequency and amplitude of MSCTs, for at least an hour, arose from this stimulation protocol. I have thus investigated the molecular mechanisms of this plasticity. The MSCTs are mostly mediated by NMDA receptors, since they are almost totally blocked by the selective antagonist to the receptor, AP5. Moreover, addition of AP5 only during the cLTP stimulation blocks the MSCT plasticity. It thus appears that both the MSCTs and their plasticity are NMDA receptor-dependent. Interestingly, the MSCTs and their plasticity are not blocked by the AMPA receptor antagonists NBQX, pointing to possible changes in NMDA receptor content, postsynaptic Ca2+ signaling, or presynaptic neurotransmitter release. Also, while we found that CaMKII signaling is non-essential for the induction of the plasticity, preliminary data are showing a plausible PKA-dependency of the plasticity. To test these hypotheses, I have also tried to combine Ca2+ imaging with imaging of other pre and postsynaptic components, to identify the molecular mechanisms responsible for the MSCT plasticity. Overall, this new approach presented in this thesis might provide new knowledge on the diversity of molecular processes that support synaptic potentiation.

Les ganglions de la base (GB) sont formés de structures sous-corticales essentielles à un comportement psychomoteur normal. Le dérèglement d’une seule de ces composantes provoque un comportement moteur inadapté qui peut être très handicapant. La maladie de Parkinson est la pathologie neurodégénérative la plus fréquente affectant les GB. Elle est principalement caractérisée par la dégénérescence progressive des neurones dopaminergiques (DA) de la substance noire pars compacta provoquant l’apparition de symptômes moteurs tels que la bradykinésie, la rigidité musculaire et le tremblement au repos. Cependant, le bouleversement majeur de l’innervation DA des GB conduit également à plusieurs autres changements neuroadaptatifs et compensatoires. Les travaux de recherche décrits dans cette thèse traitent de plusieurs de ces changements qui affectent la microcircuiterie des ganglions de la base et qui se produisent en marge de la perte massive des neurones DA. Tout d’abord, une étude portant sur l’innervation à sérotonine (5-HT) des ganglions de la base en condition normale et effectuée à partir de cerveaux post-mortem humains sera présentée. Cette étude immunohistochimique a permis de décrire la trajectoire qu’empruntent les faisceaux d’axones 5-HT en provenance des noyaux du raphé du tronc cérébral afin d’innerver les différentes composantes des GB. Ensuite, une description plus précise de l’arborisation axonale unitaire des neurones 5-HT provenant du noyau raphé dorsal chez le rat sera apportée. L’injection par microiontophorèse d’un traceur antérograde a permis de marquer et de reconstruire en trois dimensions l’arborisation axonale complète de plusieurs neurones, mettant ainsi en lumière l’hétérogénéité des projections 5-HT ascendantes. Les études seront ensuite présentées ont été effectuées à partir de modèles animaux de la maladie de Parkinson et mettent en valeur d’importants changements compensatoires. Ces travaux ont permis d’identifier de nouveaux phénomènes neuroadaptatifs concernant l’innervation DA et 5-HT du striatum et du globus pallidus (GP) suite à une lésion DA chez le singe cynomolgus (Macaca fascicularis). L’immunohistochimie combinée à une méthode quantitative stéréologique a conduit à mettre en évidence un bourgeonnement important des axones 5-HT dans le striatum ainsi que dans le GP. Une description précise en microscopie électronique de la structure morphologique fine suggère que les nouvelles varicosités axonales 5-HT retrouvées dans le striatum sont fonctionnelles et présentent davantage de contacts synaptiques, en lien avec un phénomène de bourgeonnement axonal. Contrairement à la dénervation DA massive du striatum, nos résultats indiquent une augmentation de près de dix fois le nombre d’axones DA dans le segment interne du GP. Finalement, des reconstructions du domaine somatodendritiques de neurones du striatum effectuées suite à l’injection intracellulaire de fluorophores ont mis en lumière un nouveau sous-type de neurones de projection du striatum. Ces injections effectuées chez un modèle murin de la maladie de Parkinson nous permettent de conclure que ce sous-type de neurones est affecté différemment par une dénervation DA. Dans l’ensemble, les travaux présentés dans cette thèse soulèvent l’importance de l’innervation DA et 5-HT dans le fonctionnement normal des GB, ainsi que les changements neuroadaptatifs qui surviennent dans la maladie de Parkinson. La description précise de ces changements morphologiques doit être prise en compte afin de mieux comprendre l’expression des symptômes moteurs et non-moteurs de la maladie de Parkinson et expliquer l’apparition des dyskinésies qui surviennent chez une vaste majorité des patients parkinsoniens suite à l’administration quotidienne de L-Dopa, principal traitement pharmacologique de la maladie. / The basal ganglia are a set of subcortical structures involved in psychomotor behaviour. Parkinson’s disease is the most common neurodegenerative disorder affecting the basal ganglia. The slow and progressive degeneration of dopamine (DA) neurons located in the substantia nigra pars compacta leads to disabling motor symptoms such as bradykinesia, resting tremor and rigidity. This work aims at describing the compensatory mechanisms affecting other neuronal systems and designed to compensate for the massive loss of the DA innervation of the basal ganglia. The thesis begins with a post-mortem human study of the main serotonin (5-HT) pathways arising from the raphe nuclei and innervating the different basal ganglia components in normal condition. The next chapter contains a morphological study providing the first detailed description of single axons arising from the dorsal raphe nucleus (DRN) in rats. In order to achieve our goal, under electrophysiological guidance, microiontophoretic tracer injections of an anterograde tracer were placed in the DRN to provide three-dimensional axonal reconstructions of single 5-HT neurons. Other studies presented were performed in animal models of Parkinson’s disease and brought to light new compensatory mechanisms involving the 5-HT and DA innervation of the basal ganglia. Two articles contain data on major neuroadaptative changes of DA and 5-HT innervation of the striatum and the globus pallidus (GP), following a DA lesion in cynomolgus monkeys (Macaca fascicularis). Immunohistochemistry combined to unbiased quantitative approaches indicate an important sprouting of 5-HT axons in the monkey striatum and GP. Interestingly, in contrast to the massive striatal DA denervation, we report a ten-time increase of the number of DA axons in the GP internal segment of parkinsonian monkeys. Electron microscopy study suggests that the newly-formed 5-HT axon varicosities observed in the striatum establish more synapses after DA lesion, in line with the sprouting of 5-HT axons. The last chapter contains a meticulous morphological study of a peculiar population of medium spiny neurons endowed with a dendritic arborization that is less affected by DA lesion in mice. In summary, studies presented in this doctoral thesis shed a new light on some of the compensatory mechanisms observed in different basal ganglia components and designed to cope for the massive loss of DA neurons that characterize Parkinson’s disease. The compensatory mechanisms outlined in this work should be taken into account to better understand the expression of motor and non-motor symptoms as well as the expression of dyskinesia induced by long-term pharmacological treatment with L-Dopa.

NOTICE EN COURS DE TRAITEMENT / L'imagerie cérébrale englobe un éventail de techniques qui permettent la collecte de données neurobiologiques abondantes présentant de l'hétérogénéité dans leur composition chimique. Pour analyser et décrire leur complexité, de nombreuses mesures morphométriques sont extraites afin de caractériser les événements observés. Cependant, sur la base de ces caractéristiques morphométriques, les données semblent souvent homogènes lors de l'analyse. Pour saisir et comprendre la diversité de ces phénomènes biologiques, nous avons choisi d'utiliser des méthodes computationnelles, notamment la réduction de dimension des données et le regroupement. Dans cette thèse, nous présenterons deux exemples d'application. La première partie est consacrée à l'étude de l'hétérogénéité des cellules en migration dans le cerveau en fonction de leur dynamique migratoire. La migration cellulaire est un phénomène important dans le développement du cerveau, notamment dans le cadre des troubles neurodéveloppementaux. Les précurseurs neuronaux, appelés neuroblastes, changent de formes lors de leur migration. Il existe deux phases pour ce processus, une phase stationnaire et une phase migratoire. L'objectif de cette étude est de déterminer si ces populations de neuroblastes peuvent être séparées sur la base de leurs propriétés migratoires mais également d'utiliser des méthodes d'analyses statistiques pour trouver les différentes sous-populations afin de déterminer lesquelles sont communes. Enfin, nous avons étudié les propriétés migratoires de ces différentes populations des neuroblastes en venant perturber la migration à l'aide de modifications génétique ou environnementale. La seconde partie porte sur l'étude de la plasticité structurelle, qui fait référence à la capacité qu'ont deux neurones à former une connexion, appelée synapse, qui peut se renforcer ou s'affaiblir. Ces changements synaptiques sont essentiels pour les processus d'apprentissage et de mémoire. En examinant des images de dendrites du bulbe olfactif prises avec un microscope confocal, on observe des protrusions sur la surface de la dendrite qui servent à recevoir les entrées synaptiques. Pour analyser ces images, nous avons développé un pipeline computationnel destiné à prétraiter les images et extraire les épines dendritiques. À la suite de la reconstruction 3D de la dendrite, nous avons extrait les épines et calculé plusieurs métriques, telles que la longueur et la surface de l'épine, des indicateurs couramment utilisés dans l'analyse des épines dendritiques. En procédant à une réduction de la dimensionnalité du jeu de données et à son partitionnement, nous avons relié la morphologie de chacune de ces sous-populations à leurs propriétés structurelles. Enfin, nous avons comparé le groupe contrôle et le groupe expérimental dans le cas de trois expériences olfactives, deux tâches de renforcement, et une de déprivation, qui ont conduit à des changements de plasticité. Les résultats montrent que la morphologie des épines ou leurs densités sont affectées par ces différentes conditions. En résumé, nous avons développé des outils computationnels permettant de révéler l'hétérogénéité des neurones en développement en fonction de leur dynamique migratoire et de leurs propriétés structurelles. / Brain imaging encompasses a range of techniques that enable the collection of abundant neurobiological data that presents heterogeneity in their chemical composition. To analyse and describe their complexity, numerous morphometric metrics are extracted to characterise the observed events. However, based on these morphometric features, the data often appear homogeneous during analysis. To grasp and understand the diversity of these biological phenomena, we have chosen to use computational methods including dimension reduction of data and clustering. In this thesis, we will present two application examples. The first part is devoted to the study of the heterogeneity of migrating neuronal cells based on their migratory dynamics. Cell migration is an important phenomenon in brain development, particularly in the context of neurodevelopmental disorders. Neuronal precursors, called neuroblasts, change shape during their migration. There are two phases for this process, so-called stationary phase and a migratory phase. The aim of this study is to determine whether neuroblasts can be separated to different sub-populations based on their migratory properties and to use statistical analysis methods to find the different subpopulations and determine which ones are common. Finally, we have studied the migratory properties of these different neuroblast populations by disrupting migration using genetic or environmental modifications. The second part focuses on the study of synaptic plasticity, which refers to the capacity of two neurons to form a connection, called a synapse, which can strengthen or weaken. These changes are central to the synaptic remodelling that occurs during the learning and memory phase. From images of dendrites, taken with a confocal microscope in the olfactory bulb, we have set up a computational pipeline to perform image pre-processing and then extract dendritic spines, which are protrusions on the surface of the dendrite that serve to receive synaptic inputs. After 3D reconstruction of the dendrite, these spines are extracted, and several metrics are calculated, including the length and surface area of the spine, which are standard metrics in spine analysis. After dimension reduction of the dataset and clustering, we have linked the morphology of each of these subpopulations to their structural properties. Finally, we have compared the control group and the experimental group in the case of three experiments that led to plasticity changes. The results show that the morphology of spines or their densities are affected by these different conditions. In summary, we have developed computational tools that reveal the heterogeneity of developing neurons based on their migratory dynamics and structural properties.

Les folates (vitamine B9) et la vitamine B12 interviennent comme cofacteurs dans le métabolisme des monocarbones qui régule les réactions de transméthylation impliquées dans les mécanismes épigénétiques. Un déficit en folates et/ou B12 réduit la production de méthionine à partir de l'homocystéine, un acide aminé toxique dont l'accumulation a été associée à la survenue de pathologies du système nerveux central aux différents stades de la vie (spina bifida, maladie d'Alzheimer…). Afin d'explorer les mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans la réponse à la carence en ces micronutriments, nous avons développé deux nouveaux modèles cellulaires. Ainsi, nous avons étudié les effets d'une déficience en folate sur la prolifération, la différenciation et la plasticité neuronale de progéniteurs neuronaux issus de l'hippocampe d'embryons de rat, la lignée H19-7. Le second modèle correspond à un projet innovant visant à obtenir une déplétion cellulaire en B12 par séquestration membranaire. Il a été obtenu par transfection stable de la lignée de neuroblastome murin NIE-115 dans le but d'induire l'expression d'une protéine chimère contenant le transporteur plasmatique de la vitamine B12, la transcobalamine II, et une protéine d'ancrage membranaire. L'ensemble de ces travaux montre que les altérations du métabolisme des monocarbones associées aux carences répriment la neurogenèse et induisent des troubles de la différentiation neuronale. Ceci suggère l'existence de mécanismes précis par lesquels le déficit en folates, en vitamine B12 et/ou l'homocystéine peuvent affecter le fonctionnement du cerveau et sa plasticité. / Folate (vitamin B9) and vitamin B12 act as cofactors in the one-carbon metabolism that regulates transmethylation reactions involved in epigenetic mechanisms. A deficiency in folate and/or B12 decreases the generation of methionine from homocysteine, a toxic amino acid that has been associated with pathologies of the central nervous system at all ages (spina bifida, Alzheimer's disease…). In order to depict the cellular and molecular mechanisms implicated in the response to the deficiency in these micronutrients, two new cell models have been developed. Thus, we have analyzed the effects of folate deficiency on proliferation, differentiation and neuroplasticity of neuronal progenitors obtained from the hippocampus of rat embryos, i.e. the H19-7 cell line. Regarding the second model, we designed an original approach by stable transfection of NIE-115 murine neuroblastoma cells to impose the anchorage of a chimeric B12 binding protein, transcobalaminoleosin (TO) to intracellular membrane in order to produce intracellular sequestration of B12. Taken together, our results have shown that deficiency-associated alterations of the one-carbon metabolism lead to reduced neurogenesis and to dramatic impairment of neuron differentiation. This suggests the existence of specific mechanisms through which vitamin B9/B12 deficiency and/or homocysteine may affect brain functioning and plasticity.

L’hypodynamie-hypokinésie est une situation correspondant à une diminution de l’activité motrice (hypokinésie) couplée à une diminution des charges corporelles (hypodynamie). Chez l’homme, cette situation est retrouvée lors d’une immobilisation, d’un alitement prolongé, d'un séjour en microgravité, ou lors du vieillissement (syndrome d’immobilité). L’hypodynamie-hypokinésie entraine une sévère altération de la performance motrice, notamment de l’équilibre, de la posture et de la locomotion. Cette altération est due à une dégradation du système musculaire (atrophie, changements phénotypiques), mais également à une modification des propriétés fonctionnelles du cortex sensorimoteur (réorganisation corticale, changements d’excitabilité corticale, modifications morphologiques). Si l’altération du système musculaire est bien décrite dans la littérature, les mécanismes impliqués dans la plasticité corticale restent mal connus. Une meilleure compréhension des systèmes mis en jeu dans l’hypodynamie-hypokinésie permettrait de développer des stratégies de prévention et/ou de récupération chez les patients soumis à cette situation. Dans cette optique, un modèle animal est communément utilisé au laboratoire. Il s'agit du modèle d'élévation du train postérieur pendant 14 jours chez le rat. Ainsi, les charges corporelles, s’exerçant habituellement sur les membres postérieurs, sont prévenues et l’activité musculaire limitée. Ce modèle animal reproduit la plupart des effets de l'hypodynamie-hypokinésie décrits chez l'homme.L’objectif de cette étude a été d’explorer les mécanismes de la réorganisation corticale induite par l’hypodynamie-hypokinésie. Notre intérêt s’est plus particulièrement porté sur l’insulin-like growth factor 1 (IGF-1), une protéine ubiquitaire possédant de nombreux rôles au niveau cérébral. En effet, en se fixant à son récepteur, l’IGF-1, parmi une multitude de phénomènes, stimule l’angiogenèse, la neurogenèse, et participe à la plasticité synaptique. De plus, il est reconnu comme étant un acteur central des effets bénéfiques de l’exercice physique au niveau cérébral.Aussi, dans un premier temps, nous avons déterminé les effets de cette hypoactivité sur l’IGF-1 et les voies de signalisation associées dans plusieurs structures impliquées dans la régulation de la performance motrice (cortex sensorimoteur, striatum, cervelet). Nos résultats montrent une sévère diminution des taux d’IGF-1 et de l’activation de la voie PI3K-AKT, et ce spécifiquement dans le cortex sensorimoteur.Dans un second temps, nous avons voulu déterminer si en maintenant le taux d’IGF-1 pendant toute la durée de l’hypodynamie-hypokinésie, il était possible de prévenir la réorganisation corticale et ses conséquences délétères sur le comportement moteur. Pour cela, dans une première partie, notre étude a porté sur le cortex somesthésique et la sensibilité tactile. Nos résultats montrent que l’IGF-1 prévient partiellement la réorganisation corticale et l’altération de la sensibilité tactile induites par l’hypoactivité. Dans une seconde partie, nous nous sommes intéressés à l’analyse du cortex moteur et de la performance motrice. Il apparait qu’un maintien des taux d’IGF-1 prévient une partie de l’altération du système moteur retrouvée en situation d’hypodynamie hypokinésie. Ainsi, l’ensemble de ces données suggère que la diminution des taux d’IGF-1 observée en condition d’hypoactivité joue un rôle clé dans la réorganisation corticale. De plus, notre étude montre qu’une prévention, même partielle, de cette réorganisation corticale peut induire une amélioration fonctionnelle de la performance motrice. / Hypodynamia-hypokinesia is a condition in which the motor activity (hypodynamia) as well as the weight exerted on the lower limbs (hypokinesia) are reduced. In humans, this condition is induced in immobilization, bed-rest, spaceflight or ageing (immobility syndrome) and is characterized by a chronic reduction in neuromuscular activity. This hypoactivity results in a profound alteration of motor task performances, in particular posture, gait and locomotion. These impairments are due to alterations in the muscular system (atrophy, phenotypic changes), but also to plastic changes in neural functions (cortical reorganization, alterations in cortical excitability, morphologic modifications). While degradation of the muscular system is described in the literature, the mechanisms involved in cortical plasticity are still unclear. A better understanding of the systems involved in hypodynamia-hypokinesia would allow the development of preventive and / or recovery strategies for patients affected by this hypoactivity. In this regard, hindlimb unloading is a disuse rodent model in which the elevation of the hindlimbs, during 14 days, prevents the weight to be normally exerted on the hindlimbs and reduces the normal muscular activity, finally causing hypoactivity. Studies performed on this model have shown that hindlimb unloading and human hypoactivity have similar effects. Today, our interest is turned towards insulin-like growth factor 1 (IGF-1), a ubiquitous protein involved in many cerebral functions. Indeed, IGF-1 is known to improve, inter alia, angiogenesis, neurogenesis and to be involved in synaptic plasticity in the whole brain. Moreover, several publications suggest that IGF-1 might mediate the beneficial effects of exercise on the brain.The aim of this study is to characterize the role of IGF-1 in cortical reorganization induced by hindlimb unloading as well as its functional consequences on motor performance. In the first part of the study, we have determined the effects of hindlimb unloading on IGF-1 level and the impact of its downstream main molecular pathways in motor control (sensorimotor cortex, striatum, cerebellum). Our results indicate that hindlimb unloading induces a decrease in IGF-1 level specifically in the sensorimotor cortex. This alteration is associated to a decrease in activation of the PI3K-AKT pathway. The second part of this study is dedicated to the effects of a restoration of IGF-1 levels, during the whole unloading period, on cortical reorganization and behavioral alterations focusing on sensory cortex and tactile sensory discrimination as well as motor cortex and motor performances. Our results show that treatment with IGF-1 partially prevents cortical reorganization and degradation of tactile sensory discrimination. Additionally, it appears that restoration IGF-1 levels prevent some of the effects of hindlimb unloading on the motor system.Taken together, ours results suggest that the decrease in the level of IGF-1 in the sensorimotor cortex during hindlimb unloading plays a key role in the cortical reorganization induced by hypoactivity. Moreover, our study shows that the prevention of this cortical reorganization, even when partial, can induce functional improvement in motor performance.

A l’heure actuelle, il reste largement à étudier comment le codage sensoriel des signaux vocaux de communication contribue à leur détection et à leur reconnaissance. Peu d’études se sont, en effet, penchées sur le codage des vocalisations au niveau des régions auditives en fonction de l’individu qui les produit et du degré de familiarité avec cet individu. Dans ce cadre, les oiseaux chanteurs sont un bon modèle parce qu’ils utilisent des vocalisations pour interagir et reconnaître leurs congénères et qu’ils possèdent, de plus, un ensemble de régions auditives. Parmi ces régions, le nidopallium caudomedian (NCM), une aire auditive analogue du cortex auditif secondaire chez les mammifères, est actuellement considérée comme une région spécialisée dans le traitement des vocalisations (chants et cris) de l’espèce : les neurones du NCM répondent plus fortement aux vocalisations de l’espèce qu’à celles d’une autre espèce. À partir de là, parce que chez le diamant mandarin, le cri de distance permet aux individus, mâles ou femelles, de reconnaître leur partenaire sexuel, nous avons cherché à savoir si, chez les femelles comme chez les mâles, les neurones du NCM montraient une discrimination dans leurs réponses auditives entre le cri d’individus connus (parmi lesquels figurait le partenaire sexuel) et ceux d’individus inconnus et si ces réponses reflétaient le degré de familiarité de ces vocalisations. Les enregistrements de l’activité des neurones du NCM, chez des diamants mandarins vigiles (grâce à un système de télémétrie) ou anesthésiés, lors de la présentation de cris de distance, ont révélé, chez les femelles vivant en couple et ayant été familiarisées avec un autre couple de diamants mandarins, une plus forte augmentation de l’activité lors de la diffusion des cris d’individus connus, mâles ou femelles, qu’aux cris d’individus inconnus. Une telle augmentation n’a pas été, en outre, observée chez des femelles contrôles qui n’avaient jamais entendu ces mêmes cris auparavant. De plus, ils ont indiqué que le nombre de neurones montrant un fort degré de sélectivité ainsi que la quantité d’information portée par les trains de potentiels d’action étaient plus importants chez les femelles vivant en couple que chez les femelles contrôles. En revanche, chez les mâles, bien que la plupart des neurones montrait des réponses lors de la diffusion des cris, aucune différence n’a été mise en évidence entre les cris d’individus connus et ceux d’inconnus. Nous avons alors cherché à savoir comment, d’un point de vue acoustique, les cris de distance étaient représentés au sein du NCM. En se basant sur une étude comportementale ayant déterminé quelles étaient les caractéristiques acoustiques qui contribuaient à la reconnaissance de ces cris, nous avons cherché à savoir si les neurones du NCM étaient sensibles à ces mêmes caractéristiques acoustiques. Les résultats ont montré que, chez les femelles, la suppression de la fréquence fondamentale et la modification du timbre du cri du partenaire sexuel ou du propre cri de l’oiseau provoquaient une forte diminution des réponses au sein du NCM alors que, chez les mâles, les réponses variaient selon le paramètre modifié et le type de cri présenté. Nos résultats suggèrent donc que, chez le diamant mandarin, le NCM est impliqué dans le codage du cri de distance. Cependant, ils mettent en évidence des différences dans ce codage entre les mâles et les femelles. Chez les femelles, ce codage permet de discriminer entre les cris d’individus connus et ceux d’individus inconnus alors que chez les mâles, son rôle reste à être déterminé. Chez les femelles, l’expérience sociale au travers de la mémorisation des signaux de communication des individus peut donc façonner les propriétés fonctionnelles des neurones d’une aire auditive secondaire. Ces propriétés pourraient donc continuellement subir des changements pour s'adapter à l’environnement social de l’individu. / How sensory signals are encoded in the brain and whether their behavioural relevance affects their encoding are central questions in sensory neuroscience. Studies have consistently shown that behavioural relevance can change the neural representation of sounds in the auditory system, but what occurs in the context of natural acoustic communication where significance could be acquired through social interaction remains to be explored. The zebra finch, a highly social songbird species that forms lifelong pair bonds and uses a vocalization, the distance call, to identify its mate offers an opportunity to address this issue. One auditory area in the songbird telencephalon, the caudo-medial nidopallium (NCM) that is considered as being analogous to the secondary mammalian auditory cortex, has recently emerged as part of the neural substrate for sensory representation of species-specific vocalizations: the activation of NCM neurons is greatest when birds are exposed to conspecific song, as compared to heterospecific song or artificial stimuli. This led us to investigate whether, in the zebra finch, NCM neurons could contribute to the discrimination among vocalizations that differ in their degree of familiarity: calls produced by the mate, by familiar individuals (males or females), or by unfamiliar individuals (males or females). In females, behaviourally relevant calls, i.e. the mate’s call and familiar calls, evoked responses of greater magnitude than unfamiliar calls. This distinction between responses was seen both in multiunit recordings from awake freely moving mated females (using a telemetric system) and in single unit recordings from anesthetized mated females. In contrast, control females that had not heard them previously displayed response of similar magnitude to call stimuli. In addition, more cells showed highly selective responses in mated than in control females suggesting that experience-dependent plasticity in call-evoked responses resulted in enhanced discrimination of auditory stimuli. In males, as in females, call playback evoked robust auditory responses. However, neurons in males did not appear capable of categorizing the calls of individuals (males or females) as ‘‘familiar’’ or ‘‘unfamiliar’’. Then, we investigated how calls are represented in the NCM of zebra finches by assessing whether certain call-specific acoustic cues drove NCM neurons to a greater degree than others. Behavioural studies had previously identified call-specific acoustic cues that are necessary to elicit a vocal response from male and female zebra finches. Single-unit recordings indicated that NCM neurons in females were particularly sensitive to call modifications in the spectral domain: suppressing the fundamental frequency of call stimuli or modifying the relative energy levels of harmonics in call caused a marked decrease in response magnitude of NCM neurons. In males, NCM neurons also appear to be sensitive to call modifications in the spectral domain, however changes in magnitude of responses (increase or decrease) depended on the acoustic cue that had been modified.Our results provide evidence that the NCM is a telencephalic auditory region that contributes to the processing of the distance call, in females as well in males. However, how the distance call is processed and represented in the NCM appears to differ between males and females. In females, the NCM could be involved in dicrimination between call stimuli whereas, in males, its functional role in call-processing remains to be determined. Our results also suggest that, in females, social experience with the call of individuals, by affecting the degree to which neurons discriminated between these calls, may shape the functional properties of neurons in a telencephalic auditory area. The functional properties of auditory neurons may therefore change continuously to adapt to the social environment.

A l'heure actuelle, il reste largement à étudier comment le codage sensoriel des signaux vocaux de communication contribue à leur détection et à leur reconnaissance. Peu d'études se sont, en effet, penchées sur le codage des vocalisations au niveau des régions auditives en fonction de l'individu qui les produit et du degré de familiarité avec cet individu. Dans ce cadre, les oiseaux chanteurs sont un bon modèle parce qu'ils utilisent des vocalisations pour interagir et reconnaître leurs congénères et qu'ils possèdent, de plus, un ensemble de régions auditives. Parmi ces régions, le nidopallium caudomedian (NCM), une aire auditive analogue du cortex auditif secondaire chez les mammifères, est actuellement considérée comme une région spécialisée dans le traitement des vocalisations (chants et cris) de l'espèce : les neurones du NCM répondent plus fortement aux vocalisations de l'espèce qu'à celles d'une autre espèce. À partir de là, parce que chez le diamant mandarin, le cri de distance permet aux individus, mâles ou femelles, de reconnaître leur partenaire sexuel, nous avons cherché à savoir si, chez les femelles comme chez les mâles, les neurones du NCM montraient une discrimination dans leurs réponses auditives entre le cri d'individus connus (parmi lesquels figurait le partenaire sexuel) et ceux d'individus inconnus et si ces réponses reflétaient le degré de familiarité de ces vocalisations. Les enregistrements de l'activité des neurones du NCM, chez des diamants mandarins vigiles (grâce à un système de télémétrie) ou anesthésiés, lors de la présentation de cris de distance, ont révélé, chez les femelles vivant en couple et ayant été familiarisées avec un autre couple de diamants mandarins, une plus forte augmentation de l'activité lors de la diffusion des cris d'individus connus, mâles ou femelles, qu'aux cris d'individus inconnus. Une telle augmentation n'a pas été, en outre, observée chez des femelles contrôles qui n'avaient jamais entendu ces mêmes cris auparavant. De plus, ils ont indiqué que le nombre de neurones montrant un fort degré de sélectivité ainsi que la quantité d'information portée par les trains de potentiels d'action étaient plus importants chez les femelles vivant en couple que chez les femelles contrôles. En revanche, chez les mâles, bien que la plupart des neurones montrait des réponses lors de la diffusion des cris, aucune différence n'a été mise en évidence entre les cris d'individus connus et ceux d'inconnus. Nous avons alors cherché à savoir comment, d'un point de vue acoustique, les cris de distance étaient représentés au sein du NCM. En se basant sur une étude comportementale ayant déterminé quelles étaient les caractéristiques acoustiques qui contribuaient à la reconnaissance de ces cris, nous avons cherché à savoir si les neurones du NCM étaient sensibles à ces mêmes caractéristiques acoustiques. Les résultats ont montré que, chez les femelles, la suppression de la fréquence fondamentale et la modification du timbre du cri du partenaire sexuel ou du propre cri de l'oiseau provoquaient une forte diminution des réponses au sein du NCM alors que, chez les mâles, les réponses variaient selon le paramètre modifié et le type de cri présenté. Nos résultats suggèrent donc que, chez le diamant mandarin, le NCM est impliqué dans le codage du cri de distance. Cependant, ils mettent en évidence des différences dans ce codage entre les mâles et les femelles. Chez les femelles, ce codage permet de discriminer entre les cris d'individus connus et ceux d'individus inconnus alors que chez les mâles, son rôle reste à être déterminé. Chez les femelles, l'expérience sociale au travers de la mémorisation des signaux de communication des individus peut donc façonner les propriétés fonctionnelles des neurones d'une aire auditive secondaire. Ces propriétés pourraient donc continuellement subir des changements pour s'adapter à l'environnement social de l'individu.