L'élucidation de la microcircuiterie liant les différentes composantes des ganglions de la base est d'une importance capitale afin d'améliorer notre compréhension de ce système neuronal hautement complexe impliqué notamment dans le contrôle de la motricité. C'est dans cette optique qu'ont été entrepris les travaux de recherche consolidés dans cet ouvrage qui rapporte des données neuroanatomiques nouvelles obtenues chez le singe cynomolgus {Macaca fascicularis) et le singe écureuil (Saimiri sciureus) à l'aide d'une technique de pointe permettant le marquage et la reconstruction tridimensionnelle complète de neurones individuels. L'injection par microiontophorèse d'un traceur antérograde, la biotine dextran aminé, dans le pallidum interne, le complexe centre médian/parafasciculaire du thalamus ainsi que le cortex moteur primaire, a permis de tracer en détail l'arborisation axonale des neurones composant ces structures. L'étude approfondie des neurones de projection du pallidum interne révèle que la majorité des axones pallidofuges sont fortement collatéralisés, un même neurone étant en mesure d'influencer à la fois le thalamus ventral, le complexe centre médian/parafasciculaire du thalamus ainsi que le noyau pédonculopontin du tegmentum mésencéphalique par le biais d'un jeu complexe de collatérales axonales. Il en est de même pour les neurones de projection du complexe thalamique centre médian/parafasciculaire dont le branchement axonal permet d'influencer individuellement et de façon variée, à la fois le cortex cérébral et le striatum. Nos travaux révèlent en plus que, contrairement à ce que l'on croyait, la projection corticostriée en provenance du cortex moteur primaire chez le primate n'est pas dédiée uniquement au striatum. En effet, la découverte de neurones corticaux projetant à la fois au striatum et vers le tronc cérébral via des collatérales axonales prouve que le cortex moteur primaire peut influencer le striatum de façon directe et indirecte. L'ensemble de ces résultats révèle que les ganglions de la base forment un réseau neuronal très vaste dont les éléments constitutifs possèdent un axone fortement collatéralisé. Ces données neuroanatomiques jettent un éclairage nouveau sur l'organisation anatomique et fonctionnelle des ganglions de la base chez le primate et doivent être prises en considération dans l'élaboration de nouvelles approches thérapeutiques visant à contrer les processus neurodégénératifs qui affectent les ganglions de la base, comme ceux associés aux maladies de Parkinson et de Huntington. / A better knowledge of the neural wiring that links the major components of the basai ganglia is essential to understand the complex spatiotemporel séquence of neural events that ensures the correct flow of cortical information through this set of subcortical structures involved in the control of motor behavior. The présent thesis reports novel neuroanatomical findings gathered in both Old World (cynomolgus; Macaca fascicularis) and New Word (squirrel monkey, Saimiri sciureus) primates using a state-of-the-art method allowing a complète labelling and three-dimension reconstruction of single neurons. Microiontophoretic injections of biotin dextran aminé, an anterograde neuronal tracer, in the internai pallidum, the centre médian/parafascicular thalamic complex and the primary motor cortex allowed a detailed description of projection neurons within thèse forebrain structures. Our data show that the majority of pallidal neurons are endowed with a highly collateralized axon that projects to the ventral tiers thalamic nuclei, the centre médian/parafascicular thalamic complex and the brainstem pedunculopontin tegmental nucleus. Our results also reveal that single centre médian or parafascicular neurons are able to influence in a multifarious fashion both the cérébral cortex and the striatum. Furthermore, we hâve shown that the corticostriatal projection arising from primary motor cortex is not dedicated solely to the striatum, in contrast to current belief. We found neurons that project to the striatum indirectly through a thin collatéral emitted by a thick long-range axon heading towards the brainstem, a finding that indicates that the primary motor cortex also has an indirect access to the primate striatum providing this structure with a copy of the neuronal information that is being sent to the brainstem and/or spinal cord. Altogether, thèse data indicate that the main components of basai ganglia in primates harbour différent types of projection neurons, each endowed with a highly collateralized axons. In the light of thèse findings, the basai ganglia can now be viewed as a widely distributed neuronal network, whose éléments are endowed with a highly patterned set of axon collaterals. The understanding of this finely tuned network is a prerequisite for the development of new therapeutic avenues for the treatment of basai ganglia disorders, such as Parkinson's disease and Huntington's chorea.

Les blessures nerveuses périphériques sont fréquentes et la récupération fonctionnelle suite à ce genre de traumatisme est bien souvent sous-optimale, particulièrement dans les cas de transsection nerveuse. Les patients souffrent alors de déficits fonctionnels permanents. L'intervention classique consiste à prélever un nerf sensitif superficiel et l'insérer entre les deux extrémités de la lésion. Cette façon de faire comporte toutefois plusieurs désavantages et les résultats obtenus sont souvent insatisfaisants. Plusieurs chercheurs tentent de développer un conduit pouvant remplacer l'autogreffe. Malheureusement, aucun des modèles développés jusqu'à présent ne surpasse l'autogreffe pour le traitement de lésions de plus de 3 centimètres. Ce mémoire présente un nouveau modèle de tube nerveux reconstruit composé uniquement de cellules vivantes et combinant des cellules de Schwann et un réseau de capillaires préformés. Bien qu'il faille encore optimiser certains paramètres du conduit et effectuer des tests in vivo, ce modèle innovateur semble très prometteur.

Suite à une lésion nerveuse majeure, la régénération du système nerveux périphérique est difficilement obtenue de façon naturelle. La continuité de nerfs importants doit couramment être rétablie de façon chimrgicale et la méthode de choix utilisée implique la greffe d'un nerf sain autologue de moindre importance, engendrant des déficits sensitifs chez le patient traité. Depuis des dizaines d'années, on tente de créer des guides nerveux alternatifs pouvant égaler ou surpasser la qualité de régénérescence nerveuse produite par l'utilisation de nerfs autologues. L'apparition de divers types de guides nerveux remplis de substances telles que des cellules de Schwann, des cellules souches ou encore des facteurs de croissance est une option intéressante pour une thérapie alternative aux greffes nerveuses. Dans cette étude, nous avons évalué la capacité d'un nouveau guide nerveux entièrement biologique à soutenir une croissance dirigée des cellules de Schwann. Un guide nerveux à la fois souple et solide, rapidement disponible et pouvant éliminer tout recours à l'immunosuppression chez le patient à greffer a été créé. Ce guide nerveux est constitué d'un tube externe et de bandes internes de matrice entièrement constituées de fibroblastes et de leur sécrétion matricielle. Il permet une croissance dirigée des différents types cellulaires qui y sont ensemencés et la création d'un réseau intrinsèque de pseudo-capillaires lors de son utilisation sous la forme vivante. Afin de coloniser la matrice interne du guide nerveux à l'aide de cellules de Schwann autologues tout en éliminant tout recours à une biopsie de nerf sain, nous avons différencié des cellules souches retrouvées dans la peau normale humaine en cellules de Schwann. Après cinq jours dans un milieu de différenciation, les cellules transformées ont exprimé certains marqueurs précoces des cellules de Schwann dont la protéine S100β, le récepteur aux neurotrophines p75NTR ainsi qu'un marqueur de cellules souches en différenciation, la nestine.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / La peau est un organe densément innervé et vascularisé. L’établissement du réseau nerveux dépend de la sécrétion de signaux diffusibles dans la peau qui instruisent à distance certains neurones de s’y arboriser. Ces signaux sont les facteurs neurotrophiques. L’établissement du réseau vasculaire dépend aussi de la présence de signaux instructifs. Notre objectif général était de mieux comprendre l’influence des signaux neurotrophiques et aussi nerveux dans le contexte cutané. Les travaux présentés dans cette thèse décrivent de nouvelles interactions paracrines. Alors que certaines de ces interactions depuis la peau vers les neurones sensoriels et certaines depuis les neurones sensoriels vers le réseau vasculaire pour la vasodilatation sont déjà établies, nous décrivons l’influence des facteurs neurotrophiques sur le réseau vasculaire et l’influence des neurones sensoriels sur la réépithélialisation. Nous avons premièrement émis l’hypothèse qu’en plus d’influencer les neurones, les facteurs neurotrophiques influencent le réseau vasculaire. Nous montrons que le NGF, le BDNF, le NT-3 et le GDNF sont tous exprimés dans l'épiderme, que le NGF et le NT-3 sont exprimés par les fibroblastes et que le BDNF est produit par les cellules endothéliales. Les cellules de Schwann, également retrouvées dans la peau, produisent du NGF, BDNF et GDNF. Nous montrons que ces peptides sont de très puissants facteurs angiogéniques en utilisant un modèle de derme endothélialisé humain reconstruit par génie tissulaire. Une augmentation de 40 à 80 % du nombre de pseudocapillaires fut observée après l'addition de 10 ng/ml de NGF, 0,1 ng/ml de BDNF, 15 ng/ml de NT-3, et 50 ng/ml de GDNF. Cet effet angiogénique dépend de la liaison aux récepteurs de facteurs neurotrophiques TrkA, TrkB, GFRa-1 et c-ret, qui sont tous exprimés par les cellules endothéliales humaines. Cet effet a été bloqué pour les récepteurs Trk par l’addition de l'inhibiteur compétitif K252a. Ensuite, nous avons dans un deuxième temps émis l’hypothèse que les neurones sensoriels influencent directement la réépithélialisation. Pour vérifier cela, nous avons développé un nouveau modèle de réépithélialisation par génie tissulaire. Il est constitué d’un équivalent épidermique troué exprimant une protéine fluorescente verte qui a été empilé sur un équivalent dermique servant de substrat pour l’épiderme qui referme alors naturellement la plaie. L’équivalent est endothélialisé et innervé ou non par les neurones sensoriels de souris. Nous avons observé que la réépithélialisation est plus rapide en présence de neurones sensoriels. Nous avons démontré que les neurones sensoriels sécrètent une petite protéine dans notre modèle, soit de la substance P, et que les kératinocytes expriment le récepteur cellulaire NK1 de la substance P. Enfin, nous montrons que la substance P contribue à augmenter la vitesse de fermeture des plaies induites par les neurones à l'aide d’un agoniste et d’un antagoniste du récepteur NK1. L'ensemble des résultats procure une meilleure compréhension de l’importance des contextes neurotrophiques et nerveux dans la peau. Nos résultats pourraient laisser présager que d’améliorer la régénération nerveuse cutanée lorsqu’elle est déficiente améliorerait aussi l’homéostasie du tissu cutané. / The skin is an organ densely innervated and vascularized. The establishment of the cutaneous nervous system depends on the secretion of neurotrophic factors by the skin. Meanwhile, the establishment of the vascular network also depends on soluble instructive cues. The work presented in this thesis describes new paracrine interactions. While interactions from skin to sensory neurons for the development of innervation and interactions from sensory neurons to blood vessel for vasodilation of the vasculature are described elsewhere, we demonstrate here the influence of neurotrophic factors on the vascular network and the influence of sensory neurons on the reepithelialization of wounds. Our overall goal was to clarify the influence of the neurotrophic and nervous contexts on the homeostasis of the skin. First, we hypothesized that in addition to their neuronal contribution, neurotrophic factors also influence the vascular network. We show that NGF, BDNF, NT-3 and GDNF are expressed in the epidermis, while NGF and NT-3 are expressed by fibroblasts and BDNF by endothelial cells. Finally, Schwann cells produce NGF, BDNF and GDNF. We show that these peptides are very potent angiogenic factors using a model of human endothelialized reconstructed dermis by tissue engineering. An increase of 40 to 80% of the number of capillary-like tubes was observed after the addition of 10 ng/ml NGF, 0.1 ng/ml of BDNF, 15 ng/ml of NT-3, and 50 ng/ml of GDNF. This angiogenic effect depends on the neurotrophic factor receptor TrkA, TrkB, GFRa-1 and c-ret that are all expressed by human endothelial cells. This effect was blocked by adding the Trk inhibitor K252a for NGF, BDNF and NT-3. Second, we hypothesized that sensory neurons directly influence reepithelialization by secreting the neuropeptide substance P. To verify this, we developed a new model of reepithelialization. It consists of a perforated epidermal equivalent expressing a green fluorescent protein stacked on a dermal equivalent that is used as a bed for reepithelialization. The reconstructed skin is endothelialized and innervated or not with sensory neurons of mouse. Sensory neurons produce substance P in the model and keratinocytes express the NK1 cell receptor for substance P. Keratinocyte migration was quantified by fluorescence. Reepithelialization was faster in presence of sensory neurons and we show that substance P contributes to this effect with agonist and antagonist of the NK1 cell receptor. The overall results provide a better understanding of the importance of the neurotrophic and sensory contexts in the skin. Thus, cutaneous innervation does not only contribute to the sensory detection. Our findings may suggest that improving nerve regeneration would improve skin long term tissue homeostasis.

Le génie tissulaire permet de reconstruire des tissus hautement physiologiques qui constituent des modèles tridimensionnels utiles à de nombreuses applications, notamment pour étudier des interactions cellules-cellules ou cellules-matrice. Notre objectif était de modéliser par génie tissulaire le système nerveux périphérique (SNP) sensoriel et moteur, afin de permettre l'étude in vivo et in vitro de la régénération nerveuse et des différents facteurs qui la favorisent, aussi bien que l'étude de la myélinisation et des diverses maladies du SNP, dans le but d'approfondir les connaissances sur ces phénomènes. Nous voulions aussi développer des méthodes permettant d'obtenir des cellules de la moelle épinière murine ainsi que des neurones humains pouvant éventuellement être utilisés dans la reconstruction tissulaire et pour l'étude du SNP. En se basant sur l'expertise déjà acquise au laboratoire, nous avons fabriqué une peau humaine reconstruite en prenant comme base une éponge de collagène et avons étudié son innervation dans un contexte in vivo chez la souris. Nos résultats ont révélé que cette peau pouvait être innervée en 2 à 4 mois par des axones en régénération et que l'invasion de cellules de Schwann précédait cette innervation. Cette peau reconstruite a été par la suite utilisée et adaptée pour développer un modèle unique de régénération nerveuse périphérique sensorielle in vitro. Des neurones sensoriels murins ont été ensemencés sur des éponges de collagène colonisées par des cellules endothéliales et/ou des fibroblastes et, dans certains cas, des kératinocytes. Une forte croissance des prolongements nerveux a été observée et l'addition de cellules endothéliales a provoqué l'association des prolongements nerveux avec les pseudocapillaires reconstruits dans le modèle. Ce modèle constitue un outil puissant pour étudier l'effet de diverses cellules et/ou molécules sur la croissance des prolongements nerveux sensoriels in vitro. Dans le but d'adapter ce modèle à l'étude des neurones moteurs, nous avons d'abord optimisé différentes techniques afin d'obtenir des neurones moteurs de la moelle épinière embryonnaire de souris. Notre méthode a permis l'obtention de populations de neurones moteurs pures à 97%. Par la suite, ces neurones ont été ensemencés sur des éponges de collagène colonisées par des cellules de Schwann et/ou des fibroblastes. Notre modèle a permis la survie, l'élongation et la maturation des prolongements des neurones moteurs. Lorsque des cellules de Schwann étaient présentes, la formation de gaines de myéline autour des prolongements nerveux a été détectée. En plus de son utilité pour des études fondamentales sur la myélinisation et la régénération nerveuse motrice, ce modèle peut être complété par l'addition d'astrocytes, de microglies et de cellules musculaires afin de mieux comprendre les maladies des neurones moteurs. Finalement, nous avons cultivé des précurseurs provenant de la peau humaine adulte et les avons différenciés en neurones matures. Les cellules en différenciation exprimaient de façon séquentielle différents marqueurs du développement normal des neurones pour finalement révéler des marqueurs neuronaux tardifs. Ceci ouvre la voie à de nombreuses applications thérapeutiques potentielles et procure de nouvelles possibilités d'études sur des neurones d'origine humaine. En conclusion, le génie tissulaire nous a permis d'effectuer des études uniques sur le comportement en coculture tridimensionnelle de plusieurs types cellulaires avec des neurones du SNP par l'utilisation des nouveaux modèles que nous avons développés. Ces derniers sont hautement flexibles et s'avéreront très utiles pour plusieurs études fondamentales en neuroscience et pour l'acquisition de nouvelles connaissances sur les diverses maladies du SNP. / Tissue engineering allows the in vitro reconstruction of highly physiological tissues which constitute three-dimensional models useful for numerous applications, particularly to study cell-cell or cell-matrix interactions. Our objective was to modelize the sensory and motor peripheral nervous System (PNS) by tissue engineering, allowing the in vivo and in vitro study of nerve regeneration and the various factors that influence it, as well as myelination and PNS diseases in the aim of looking further into our knowledge on these phenomena. Since the reconstruction of tissues begins with cell isolation, we wanted also to develop methods allowing us to obtain spinal cord cells, including motor neurons, and human neurons to eventually use them in our models. Based on the expertise acquired by our laboratory, we reconstructed a human skin using a collagen sponge and studied its in vivo innervation after graft on mice. Our results revealed that this skin can be innervated in 2 to 4 months by regenerating axons and that this innervation was preceded by Schwann cell invasion. This permissive reconstructed skin was then adapted for the development of a unique in vitro model of sensory nerve regeneration. Murine sensory neurons were seeded onto collagen sponges populated by endothelial cells and/or fibroblasts and, in certain cases, keratinocytes. A robust neurite outgrowth was observed and the addition of endothelial cells allowed the association of neurite with capillary-like tubes formed in the model. This model constitutes a powerful tool for the in vitro study of various cells and/or molecules on sensory neurite outgrowth. In the aim of adapting this system to the study of motor neurons, we optimized different techniques to obtain motor neurons from mouse embryonic spinal cord. Our method allowed the harvesting of a population of 97% pure motor neurons. Afterward, these motor neurons were seeded onto collagen sponges populated with Schwann cells and/or fibroblasts. Our model allowed the survival, neurite outgrowth and maturation of motor neurons. When Schwann cells were added, myelin formation and axon ensheathment was observed. In addition to its utility for fundamental studies on myelination and motor nerve regeneration, this model may be completed by the coculture of astrocytes, microglia and muscle cells to better understand motor neuron diseases. Finally, we cultured precursor cells from adult human skin and differentiated them into mature neurons. Differentiating cells sequentially expressed markers of normal neural development to finally reveal markers of terminally differentiated neurons. This opens the way for numerous potential therapeutic applications and provides new possibilities for the study of human neurons. In conclusion, the tissue-engineered models we developed allowed us to perform unique studies on the three-dimensional coculture comportment of many cells types with PNS neurons with the use of new models that we have developed. Those models are highly flexible and will be very useful for many fundamental neuroscience studies and for acquiring new knowledge on various PNS diseases.