Dans cette thèse, je me suis intéressé aux mécanismes qui permettent aux axones des neurones sensoriels de trouver leurs organes cibles à une grande distance. Dans le cas du système de la ligne latérale postérieure (LLP) du poisson-zèbre, des organes sensoriels sont déposés au cours de la migration d'un primordium. Des neurites sensoriels accompagnent le primordium au cours de cette migration et sont ainsi guidés vers leurs organes cibles. J'ai démontré que l'inactivation du signal «Glial cell line-Derived Neurotrophic Factor » (GDNF) rend les axones sensoriels incapables de suivre le primordium. GDNF est également utilisé comme signal de guidage lors de la régénération axonale après section du nerf et donc permet aux axones de retrouver leur cible. Ensuite j'ai démontré que le signal « Brain Derived Neurotrophic Factor » (BDNF) exerce un autre rôle dans le développement de la LLP puisqu'il est essentiel pour l'ancrage et la connexion des axones à leurs organes cibles. Dans une deuxième partie, nous avons montré que le développement de la LLP embryonnaire du Thon Rouge est fortement similaire à celui du Poisson-Zèbre, pourtant relativement basal. Cette similitude comprend le fait que les axones de la LLP suivent le primordium. / In this thesis, I address the question of how peripheral axons of sensory neurons find their distant target organs. In the case of the posterior lateral line (PLL) system of zebrafish, sensory organs are deposited by a migrating primordium and sensory neurites accompany this primordium during its migration. In this way, the neurites are guided to their prospective target organs. I show that the inactivation of «Glial cell line Derived Neurotrophic Factor » (GDNF) signaling leads to the inability of sensory axons to track the migrating primordium. GDNF signaling is also used as a guidance cue during axonal regeneration following nerve cut. I conclude that GDNF is a major determinant of directed neuritic growth and of target finding in this system, and propose that GDNF acts by promoting local neurite outgrowth. Further, I demonstrate that «Brain Derived Neurotrophic Factor » (BDNF) signaling exerts another role in PLL development as it is essent ial to anchor and properly connect axons to their targets organs.In another project, we could demonstrate that the development of the embryonic PLL of the atlantic blue-fin tuna shows striking similarities to that of the relatively basal zebrafish, including that PLL axons follow the migrating primordium.

Les orthoptères possèdent à l‟arrière de leur corps deux organes appelés « cerques », recouverts de poils mécanosensoriels qui leur permettent de percevoir des courants d‟air, en particulier ceux générés par l‟attaque de prédateurs. Le système sensoriel cercal comprenant notamment des poils filiformes (récepteurs de vent) et le système nerveux traitant les informations perçues, à fait l‟objet de nombreuses études depuis près d‟un demi siècle. Toutefois, ces études n‟ont que rarement pris en compte les conditions naturelles dans lesquelles le système fonctionne. Nous nous sommes donc attachés à mieux comprendre comment le système cercal permet aux insectes qui le possèdent, de détecter l‟attaque des prédateurs dans leur milieu naturel. Pour cela, nous avons étudié le grillon des bois Nemobius sylvestris, dont l‟habitat naturel, la litière des bois, est facilement accessible, permettant des études sur le terrain. Dans notre étude, nous avons utilisé des techniques d‟analyse quantitative du comportement, d‟électrophysiologie et d‟optophysiologie. Afin de stimuler de manière appropriée, nous avons utilisé un piston mimant l‟attaque d‟un prédateur naturel (l‟araignée loup). Nous avons tout d‟abord, grâce à des études comportementales, analysé les capacités de détection et de fuite des grillons. Nous avons observé que les cerques jouent un rôle prédominant dans la détection de l‟attaque. Néanmoins, d‟autres organes seraient impliqués. La détection de l‟approche du piston n‟a pas toujours abouti à une fuite efficace (c‟est à dire sans contact avec le piston). Il a également été observé que l‟efficacité de la fuite varie en fonction de la direction d‟approche du piston. Des enregistrements extracellulaires ont été réalisés sur la chaîne nerveuse ventrale de grillons libres en milieu naturel ainsi qu‟en laboratoire. L‟analyse des données nous a permis d‟observer que le système sensoriel cercal perçoit le bruit de fond qui semble générer une modulation de l‟activité nerveuse en réponse à l‟approche du piston. Les interneurones ascendants enregistrés répondaient de manière maximale pour un courant d‟air autour du cerque de 8 mm/s. Nous avons mis en place un système d‟enregistrement optophysiologiquede l‟activité calcique dans les neurones du système nerveux central des grillons et un logiciel a été développé permettant l‟analyse de ces données. Les résultats de notre étude sont discutés dans une perspective écologique d‟interaction avec le milieu et dans le contexte d‟une réelle attaque par un prédateur.

La détection des stimuli sensoriels est assurée par des cellules réceptrices spécialisées souvent grâce à des protrusions membranaires apicales telles que les microvillosités. La forme finale des extensions apicales microvilliées conditionne de nombreuses propriétés de la transduction sensorielle mais leur formation reste méconnue. Quels sont les facteurs moléculaires responsables de l’initiation et de l’élongation des filaments d’actine chez les cellules sensorielles microvilliées (CSMs) ? Peut-on décrire des éléments clés de la morphogenèse en commun ? Quel est le rôle structurel des microvillosités dans la fonction sensorielle ?J’ai étudié deux types sensoriels microvilliés : les neurones contactant le liquide cérébrospinal (NcLCS) et les cellules sensorielles des neuromastes (CSn). Mon projet visait à investiguer les mécanismes moléculaires sous-jacents à la morphogenèse des CSMs par l’étude des NcLCS. J’ai décrit les étapes critiques menant à la formation de l’extension apicale des NcLCS auxquelles j’ai pu associer des candidats potentiels grâce l’analyse transcriptomique des NcLCS. J’ai démontré le rôle critique de l’interaction entre Espin et Myo3b dans l’élongation de l’extension apicale des NcLCS et j’ai établi un lien direct entre structure et fonction en montrant que le raccourcissement de l’extension apicale aboutissait à la réduction de la réponse sensorielle.Mon travail a permis d’apporter des éléments de réponse quant à la formation de l’organe sensoriel des NcLCS. L’analyse transcriptomique des CSn a par ailleurs révélé des facteurs de morphogenèse communs avec les NcLCS, suggérant que toutes les CSMs partagent des propriétés de différenciation conservées. / Sensory systems use specialized receptor cells, many of which detect sensory cues through specialized apical membrane protrusions, such as microvilli. The final shape of the microvilliated apical extension requires specific molecular machinery and determines many of the properties of sensory transduction. The establishment of this structure remains however elusive. What molecular factors orchestrate the initiation and elongation of actin filaments in microvilliated sensory cells (MSCs)? Can we find key elements of morphogenesis common to MSCs? What is the precise role of microvilli structure in sensory function? I investigated two sensory cell types harboring microvilli: spinal cerebrospinal fluid-contacting neurons (CSF-cNs) and neuromast hair cells (nHCs). The primary goal was to unravel the molecular mechanisms underlying morphogenesis of MSCs by focusing on CSF-cNs. I was able to describe critical steps leading to the development of CSF-cN apical extension. My participation to the transcriptome analysis of CSF-cNs revealed candidate molecular factors associated with each of these steps. I demonstrated the importance of the interaction between Espin and Myo3b to ensure the proper lengthening of CSF-cN apical extension. In this system, I established a direct link between morphology and function by showing that shorter apical extensions lead to reduced sensory response. Altogether, my work shed light on the formation of CSF-cN sensory organelle and its functional role. In parallel, the establishment of the nHC transcriptome dataset revealed similar morphogenetic factors with CSF-cNs, supporting the idea that all MSCs share conserved features for their differentiation.

Le regroupement des neurones de propriétés similaires est à l’origine de modules permettant d’optimiser l’analyse de l’information. La conséquence est la présence de cartes fonctionnelles dans le cortex visuel primaire de certains mammifères pour de nombreux paramètres tels que l’orientation, la direction du mouvement ou la position des stimuli (visuotopie). Le premier volet de cette thèse est consacré à caractériser l’organisation modulaire dans le cortex visuel primaire pour un paramètre fondamental, la suppression centre / pourtour et au delà du cortex visuel primaire (dans l’aire 21a), pour l’orientation et la direction. Toutes les études ont été effectuées à l’aide de l’imagerie optique des signaux intrinsèques sur le cortex visuel du chat anesthésié. La quantification de la modulation par la taille des stimuli à permis de révéler la présence de modules de forte et de faible suppression par le pourtour dans le cortex visuel primaire (aires 17 et 18). Ce type d’organisation n’avait été observé jusqu’ici que dans une aire de plus haut niveau hiérarchique chez le primate. Une organisation modulaire pour l’orientation, similaire à celle observée dans le cortex visuel primaire a été révélée dans l’aire 21a. Par contre, contrairement à l’aire 18, l’aire 21a ne semblait pas être organisée en domaine de direction. L’ensemble de ces résultats pourront permettre d’alimenter les connaissances sur l’organisation anatomo-fonctionnelle du cortex visuel du chat mais également de mieux comprendre les facteurs qui déterminent la présence d’une organisation modulaire. Le deuxième volet abordé dans cette thèse s’est intéressé à l’amélioration de l’aspect quantitatif apporté par l’analyse temporelle en imagerie optique des signaux intrinsèques. Cette nouvelle approche, basée sur l’analyse de Fourier a permis d’augmenter considérablement le rapport signal / bruit des enregistrements. Toutefois, cette analyse ne s’est basée jusqu’ici que sur la quantification d’une seule harmonique ce qui a limité son emploi à la cartographie de l’orientation et de rétinotopie uniquement. En exploitant les plus hautes harmoniques, un modèle a été proposé afin d’estimer la taille des champs récepteurs et la sélectivité à la direction. Ce modèle a par la suite été validé par des approches conventionnelles dans le cortex visuel primaire. / The clustering of neurons of similar properties is at the basis of the brain modular architecture and is considered as a strategy to optimized processing. One consequence of this clustering is the presence of functional maps in the primary visual cortex of several mammals based on features such as orientation, direction of motion and stimulus position (retinotopy). The first section of this thesis was aimed at characterizing the modular organization of functions in primary and higher-order areas. First, we investigated the possibility that a fundamental cell property, the receptive field center / surround suppression, could be orderly represented in the primary visual cortex. Second, we determined the level of modular organization in area 21a for two key properties, orientation and direction of motion. All studies were based on the optical imaging of intrinsic signals in anesthetized cats. Results indicate the presence of high and low surround suppression modules in the primary visual cortex (areas 17 and 18). To date, such organization has been discovered only in a higher-order area in primate. A modular organization for orientation, similar to the one observed in areas 17 and 18 was observed in area 21a. On the other hand, in contrast to area 18, no direction modules were discovered in area 21a. Overall, the first part of this thesis increased our knowledge about the anatomo-fonctional organization of cat visual cortex. They will also be instrumental to better understand the factors leading to the presence of a modular organization in the cortex. The second section of this thesis was directed to the development of a novel quantitative tool for the temporal analysis of optical imaging intrinsic signals. This new approach, based on Fourier decomposition, allowed to greatly increase the signal to noise ratio of the recordings. Until now, this analysis was only been based on single harmonic quantification, limiting its application for orientation and rétinotopy mapping only. A model exploiting higher harmonics was then developed to estimate additional parameters such as the receptive field size and direction selectivity. Thereafter, this model was validated with success by conventional approaches on the primary visual cortex.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Le regroupement des neurones de propriétés similaires est à l’origine de modules permettant d’optimiser l’analyse de l’information. La conséquence est la présence de cartes fonctionnelles dans le cortex visuel primaire de certains mammifères pour de nombreux paramètres tels que l’orientation, la direction du mouvement ou la position des stimuli (visuotopie). Le premier volet de cette thèse est consacré à caractériser l’organisation modulaire dans le cortex visuel primaire pour un paramètre fondamental, la suppression centre / pourtour et au delà du cortex visuel primaire (dans l’aire 21a), pour l’orientation et la direction. Toutes les études ont été effectuées à l’aide de l’imagerie optique des signaux intrinsèques sur le cortex visuel du chat anesthésié. La quantification de la modulation par la taille des stimuli à permis de révéler la présence de modules de forte et de faible suppression par le pourtour dans le cortex visuel primaire (aires 17 et 18). Ce type d’organisation n’avait été observé jusqu’ici que dans une aire de plus haut niveau hiérarchique chez le primate. Une organisation modulaire pour l’orientation, similaire à celle observée dans le cortex visuel primaire a été révélée dans l’aire 21a. Par contre, contrairement à l’aire 18, l’aire 21a ne semblait pas être organisée en domaine de direction. L’ensemble de ces résultats pourront permettre d’alimenter les connaissances sur l’organisation anatomo-fonctionnelle du cortex visuel du chat mais également de mieux comprendre les facteurs qui déterminent la présence d’une organisation modulaire. Le deuxième volet abordé dans cette thèse s’est intéressé à l’amélioration de l’aspect quantitatif apporté par l’analyse temporelle en imagerie optique des signaux intrinsèques. Cette nouvelle approche, basée sur l’analyse de Fourier a permis d’augmenter considérablement le rapport signal / bruit des enregistrements. Toutefois, cette analyse ne s’est basée jusqu’ici que sur la quantification d’une seule harmonique ce qui a limité son emploi à la cartographie de l’orientation et de rétinotopie uniquement. En exploitant les plus hautes harmoniques, un modèle a été proposé afin d’estimer la taille des champs récepteurs et la sélectivité à la direction. Ce modèle a par la suite été validé par des approches conventionnelles dans le cortex visuel primaire. / The clustering of neurons of similar properties is at the basis of the brain modular architecture and is considered as a strategy to optimized processing. One consequence of this clustering is the presence of functional maps in the primary visual cortex of several mammals based on features such as orientation, direction of motion and stimulus position (retinotopy). The first section of this thesis was aimed at characterizing the modular organization of functions in primary and higher-order areas. First, we investigated the possibility that a fundamental cell property, the receptive field center / surround suppression, could be orderly represented in the primary visual cortex. Second, we determined the level of modular organization in area 21a for two key properties, orientation and direction of motion. All studies were based on the optical imaging of intrinsic signals in anesthetized cats. Results indicate the presence of high and low surround suppression modules in the primary visual cortex (areas 17 and 18). To date, such organization has been discovered only in a higher-order area in primate. A modular organization for orientation, similar to the one observed in areas 17 and 18 was observed in area 21a. On the other hand, in contrast to area 18, no direction modules were discovered in area 21a. Overall, the first part of this thesis increased our knowledge about the anatomo-fonctional organization of cat visual cortex. They will also be instrumental to better understand the factors leading to the presence of a modular organization in the cortex. The second section of this thesis was directed to the development of a novel quantitative tool for the temporal analysis of optical imaging intrinsic signals. This new approach, based on Fourier decomposition, allowed to greatly increase the signal to noise ratio of the recordings. Until now, this analysis was only been based on single harmonic quantification, limiting its application for orientation and rétinotopy mapping only. A model exploiting higher harmonics was then developed to estimate additional parameters such as the receptive field size and direction selectivity. Thereafter, this model was validated with success by conventional approaches on the primary visual cortex.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal