No description available.

Le cerveau est un organe complexe composé de neurones et des cellules non-neuronales. La communication entre les neurones a lieu via les synapses, dont le remodelage morphologique est considéré essentiel pour le traitement et le stockage des informations dans le cerveau des mammifères. Récemment, ce point de vue neuro-centré de la fonction synaptique a évolué, en prenant également en compte les processus gliaux à proximité immédiate de la synapse. Cependant, comme leur structure est bien en deçà de la résolution spatiale de la microscopie optique conventionnelle, les progrès dans les enquêtes dans leur environnement physiologique, le cerveau intact, ont été entravés. En effet, on sait peu sur les variations nanométriques de la morphologie des épines dendritiques et l'interaction avec les processus gliaux, et, finalement, comment elles affectent la transmission synaptique in vivo. Dans cette thèse, nous cherchons à visualiser la dynamique de la nano-morphologie des épines dendritiques et les processus gliaux dans le cortex à tonneaux de souris in vivo. Nous avons donc mis en place l’imagerie super-résolution 2P-STED en temps réel, ce qui permet une haute résolution spatiale et la pénétration profonde des tissus, chez la souris anesthésiée in vivo. Nous montrons que la nano-morphologie des épines est diversifiée, variable, mais globalement stable, et que les différences dans la morphologie des épines peut avoir un effet sur leur compartimentation in vivo. En outre, la mise en œuvre de l’imagerie super-résolution en double couleur in vivo et le développement d'une approche de marquage astrocytaire, nous ont permis de fournir la caractérisation à l'échelle nanométrique des interactions neurone-glie. Ces résultats apportent un aperçu sans précédent dans la dynamique de la synapse à l'échelle nanométrique in vivo, et ouvrent la voie à une meilleure compréhension de la façon dont les réarrangements morphologiques des synapses contribuent à la physiologie du cerveau. / The brain is a complex organ consisting of neurons and non-neuronal cells. Communication between neurons takes place via synapses, whose morphological remodeling is thought to be crucial for information processing and storage in the mammalian brain. Recently, this neuro-centric view of synaptic function has evolved, also taking into account the glial processes in close vicinity of the synapse. However, as their structure is well below the spatial resolution of conventional light microscopy, progress in investigating them in a physiological environment, the intact brain, has been impeded. Indeed, little is known on the nanoscale morphological variations of dendritic spines, the interaction with glial processes, and how these affect synaptic transmission in vivo. Here, we aim to visualize the dynamic nano-morphology of dendritic spines in mouse somatosensory cortex in vivo. We implemented super-resolution 2P-STED time-lapse imaging, which allows for high spatial resolution and deep tissue penetration, in anesthetized mice, and show that the nano-morphology of spines is diverse, variable, but on average stable, and that differences in spine morphology can have an effect on spine biochemical compartmentalization in vivo. Moreover, implementation of dual color in vivo super-resolution imaging and a novel astrocytic labeling approach provided the first steps towards nanoscale characterization of neuron-glia interactions in vivo. These findings bring new insights in synapse dynamics at the nanoscale in vivo, and our methodological endeavors help pave the way for a better understanding of how nanoscale aspects of spine morphology and their dynamics might contribute to brain physiology and animal behavior.

Neutrophile sind die häufigsten weißen Blutkörperchen im menschlichen Blut. Sie bilden die erste Verteidigungslinie und töten eindringende Krankheitserreger ab. Neutrophile extrazelluläre Fallen (NETs) sind netzartige Strukturen, die aus dekondensiertem Chromatin bestehen und mit zytotoxischen Proteinen dekoriert sind. NETs können Mikroben in vitro und in vivo einfangen und abtöten, sind aber auch für verschiedene Krankheiten verantwortlich. Frühere Studien haben eine spezifische Gruppe von 20-50 Neutrophilenproteinen identifiziert, die an NETs gebunden sind und von denen einige eine mikrobizide Wirkung haben. Wie diese Proteine an die NETs binden, wie sie interagieren und wie die Bindung ihre antimikrobielle Aktivität beeinflusst, ist noch nicht bekannt. In dieser Dissertation habe ich die Verteilung von acht neutrophilen Proteinen und Nukleosomen auf NETs mit Hilfe der Superauflösungsmikroskopie untersucht. Es wurden drei unabhängige Techniken mit Auflösungen von mehr als 90 nm verwendet. Die Nukleosomen bildeten auf den NETs periodische Cluster mit deutlich größeren Abständen im Vergleich zum kondensierten Chromatin. Drei NET-Proteine waren ebenfalls in periodischen Clustern auf den NETs lokalisiert und zwei von ihnen waren stark mit Nukleosomen kolokalisiert. Alle anderen analysierten Proteine zeigten keine Muster der Bindung an NETs. Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass die Bindung von Proteinen an NETs zumindest teilweise spezifisch ist und teilweise durch Wechselwirkungen mit Nukleosomen vermittelt wird. Die erfolgreiche Einführung der superauflösenden Mikroskopie für schwierige NET-Proben in Kombination mit einem vorgeschlagenen rekonstituierten NET-System eröffnet neue Möglichkeiten für das Verständnis der molekularen Mechanismen der NET-Bildung und der Protein-Protein-Interaktion bei der NET-vermittelten Abtötung. / Neutrophils are the most abundant human white blood cell in circulation. They are the first line of defense and kill invading pathogens. Neutrophil Extracellular Traps (NETs) are weblike structures composed of decondensed chromatin decorated with cytotoxic proteins. NETs can trap and kill microbes in vitro and in vivo, but also mediate several diseases. Previous studies identified a specific set of 20-50 neutrophil proteins bound to NETs, several with microbicidal activity. It remains unknown how these proteins bind to NETs, how they interact and how binding influences their anti-microbial activity. In this dissertation, I studied the distribution of eight neutrophil proteins and nucleosomes on NETs using super-resolution microscopy. Three independent techniques with resolutions larger than 90nm were used. Nucleosomes formed periodic clusters on NETs, with significantly larger spacing compared to condensed chromatin. Three NET proteins also localized in periodic clusters on NETs and two of them strongly co-localized with nucleosomes. All other proteins analyzed showed no patterns binding to NETs. Taken together, these findings demonstrate that, at least some, protein binding to NETs is specific and in part mediated by interactions with nucleosomes. The successful introduction of super-resolution microscopy to the challenging NET samples in combination with a proposed reconstituted NET system opens new possibilities to understand the molecular mechanisms behind NET formation and protein-protein interaction in NET mediated killing.