Les groupes protecteurs photolabile (GPP) ont été largement utilisés en synthèse organique et pour des applications biologiques. Parmi la grande diversité de ces groupes, les groupement o-nitrobenzyl sont les plus utilisés. En particulier, ils ont été abondamment employés dans la préparation de nombreux précurseurs photolabiles d’effecteurs biologiques. Ce qui permet d’utiliser une réaction photochimique afin de transformer un composé biologiquement inerte en composé actif avec formation d’un sous-produit de photolyse. Afin de pouvoir quantifier le saut de concentration de l’effecteur biologique en particulier sur des cellules, nous avons développé des nouveaux GPP dérivés d’o-nitrobenzyle, qui libère un sous-produit de photolyse présentant des propriétés de fluorescence. Ainsi en nous basant sur le mécanisme de photolyse de dérivés o-nitrobenzyl sensible à l’excitation bi-photonique, nous avons pu concevoir un GPP non-fluorescent qui libère un fluorophore après photoclivage. Les propriétés de fluorescence du sous-produit de photolyse ont également été optimisées. Enfin à l’aide de ces PPG pro-fluorescent nous avons pu valider que la réaction photolytique peut être suivie par microscopie de fluorescence sur des cellules en culture. / Photoremovable Protecting Groups (PPG) have been widely used in organic synthesis and in various biological applications. Among the wide diversity of these groups, o-nitrobenzyl groups are the mostly used chromophores. In particular, they have been extensively used for the design of caged compounds. Those latter type of compounds are able to release a biological effector together with an uncaging side-product leading to the spatiotemporal control of various biological processes. In order to acutely monitor the uncaging event for example in cells, we developed new PPGs, based on o-nitrobenzylderivatives, able to release a fluorescent side product. Based on the photolytical mechanism of two-photon sensitive o-nitrobenzyl PPGs, we were able to design new non-fluorescent PPGs able to release fluorophores as side products. We were also able to tune the fluorescent properties of the photo-released by product using molecular engineering. Finally, those pro-fluorescent PPGs have been used in order to follow the uncaging events by fluorescent microscopy on cell cultures.

Dans le premier chapitre de cette thèse, nous introduisons le concept de nanodot organique (OND) comme une alternative aux quantum dots (QDs). Ces nano émetteurs «tout organique» sont préparés par synthèse bottom-up et contrôle,à l’échelle du nanoobjet, de la réponse optique par confinement du chromophore au sein d’une structure dendritique. Ceci conduit à des nanoobjets présentant une brillance exceptionnelle à un ou deux photons en faisant des composés d’intérêt majeur pour l’imagerie in vivo. Le deuxième chapitre décrit la synthèse et la caractérisation de la première famille d’OND hydrophiles. Deux types d’absorbeurs à deux photons ont été sélectionnés car présentant des propriétés optiques et des structures différentes. Ensuite, l’hydro solubilité a été assurée par l’accrochage de groupes H2N(CH2)2NEt2 à la périphérie. Dans les chapitres 3 et 4, nous proposons une alternative aux OND cationiques par greffage de chaîne polyéthylèneglycol à la périphérie. Ceci améliore la solubilité et la biocompatibilité. Un OND hydrosoluble bimodal pouvant être utilisé en IRM du19Fet imagerie de fluorescence est également préparé. Dans ce chapitre l’étude par RMN et par imagerie confocale de trois dendrimères à cœur cyclophosphazène est également décrite. Finalement, le chapitre 5 décrit la préparation de systèmes synergique agissant en tandem pour la photo libération d’un substrat «en cage». Nous avons démontré qu’en combinant une antenne collectrice avec des unités encagées,il est possible d’obtenir une libération efficace de molécules actives. Par ingénierie moléculaire nous avons préparé trois systèmes synergiques différents: (i) Une triade symétrique basée sur un chromophore portant des chaîne hydrophile TEG et connecté à unités PPG encageant une unité glutamate (ii) Une dyade comportant un chromophore et une unité PPG au sein d’une architecture phosphorée, finalement (iii) une unité dendritique portant une unité encageante et 5 absorbeurs à deux photons / In the first chapter of this dissertation, we introduce the concept of organic nanodot (OND) as an alternative to quantum dots (QDs).These purely organic nanoemitters are obtained from a rational and bottom-up route based on the control, at the single nano-object level, of the optical responses via the covalent confinement of optimized chromophores within dendrimericarchitectures. This led to tuneable nano-objects which show record one-and two-photon brightness and have been shown to be a major interest for in vivoimaging.The second chapter describes the synthesis and structural characterization of the first family of ONDwith hydrophilic properties. Two different 2P absorber modules were selected for this aim, displaying different structural and optical properties. Then, the water solubility will be ensured by linking H2N(CH2)2NEt2.at the periphery. In Chapter 3and 4we propose an alternative to the cationic ONDs by replacing the external layer, with polyethylene glycol (neutral). This synthetic approach favorsthe hydrosolubility, and the compatibility in biological environment. Awater-soluble organic nanodot-based probethat could be used for both 19F MRI and optical fluorescence imagingis alsoprepared. In the same chapter, confocal imaging and NMR studies of three types of dendrimers with a cyclotriphosphazene core are described.Finally, the aim of chapter 5is the synthesis of synergic systems acting in tandem for the photorelease of a caged substrate. We demonstrate that combining a light harvesting antenna group with uncaging subunits leads to the efficient release of active molecules. Molecular engineering allowed us to prepare three different synergic systems, (i) a symmetrical tandem triad structure, based on one chromophore bearing hydrophilic TEG chains, which is directly connected to two PPG units caging one molecule of glutamate respectively, (ii) a dyad system bearing one chromophore and one PPG in phosphorus scaffold, finally (iii) a dendritic scaffold bearing 6 available position that was coated both with one equivalent ofuncaging moietyand the remaining positions with 2P absorbing modules.

The relatively few serotonin (5-HT) neurons located in the Dorsal Raphe Nucleus (DRN) give rise to an extensive axonal network modulating a wide-range of brain functions and behaviors. In turn, the DRN receives inputs from several brain regions and therefore exhibits the characteristics of a hub network. While recent technological advancements have provided an unprecedented look at the neurobiology of the DRN, important knowledge gaps remain in understanding how the constellation of synaptic inputs to this region confers 5-HT neurons their unique coding features. As a first step towards characterizing the DRN's input processing strategy, we set out to explore the landscape of dendritic operation operating in DRN 5-HT neurons. Using multi-photon microscopy and in vitro electrophysical recordings, we conducted a morphological and electrophysiological survey of 5-HT neurons where we identified two structurally and morphologically distinct types of glutamatergic synapses both expressing small NMDAR-mediated conductance. Our initial findings provide valuable insights on local rules that govern how synaptic inputs to the DRN are being processed to ultimately confer 5-HT neurons their unique coding features.

La photolibération d'agents biologiques cagés par des groupements protecteurs photolabiles (PPGs) a récemment attiré un intérêt croissant en thérapie et physiologie. La combinaison de cet outil avec les avantages de l'absorption à deux photons (2PA) dans le proche IR est cependant un défi. Dans ces travaux, nous présentons deux voies différentes vers de nouveaux décageurs efficaces en 2PA.Nous élaborons d’abord une série de systèmes tandem basés sur le FRET, combinant des antennes quadrupolaires 2PA avec des modules PPGs appropriés. La modification des blocs constitutifs de ces composés nous a permis de moduler les paramètres clés tels que les propriétés photophysiques, l'efficacité de FRET et la cinétique de photolibération. Les systèmes synergiques à base de coumarines, dans lesquels la paire donneur-accepteur est la plus adaptée, ont finalement conduit à des valeurs de δu record pour la libération d’acides carboxyliques.La problématique critique de solubilité en milieu biologique a ensuite été étudiée en incorporant des motifs hydrosolubilisants dans nos systèmes coopératifs. De nouveaux outils hydrophiles et amphiphiles, adaptés respectivement à la délivrance de neurotransmetteurs et la thérapie anticancéreuse, ont ainsi été développés à partir de nos systèmes tandem.Enfin, pour mieux comprendre les relations structure-propriétés dans les PPGs de la famille des coumarines, nous avons synthétisé une série de cages DEAC π-étendues portant différents groupements électroattracteurs, et évalué leur efficacité pour la libération de glycine. Cette étude nous a permis de faire un pas vers la rationalisation du rendement quantique de photolibération chez les PPGs de ce type. / Photolabile protecting groups (PPGs) have attracted growing interests in many fields of chemistry and biology. Light-induced release of biological agents, commonly known as “uncaging”, has thus emerged as an interesting process for drug delivery or investigation of biological phenomena. Combining this tool with the intrinsic advantages of two-photon (2P) excitation (2PE) in the NIR is however a challenge. In this work, we use different engineering routes towards new efficient 2P uncagers.First we demonstrate that combining quadrupolar 2P light harvesting antennas with suitable uncaging subunits leads to efficient release of active molecules upon 2PE. In these FRET-based systems, gradual adjustments of the constitutive building blocks allowed us to tune key parameters such as photophysical properties, FRET efficiency, and kinetics of photorelease. In particular, coumarin-based tandem systems, in which absorption and emission of the donor-acceptor pair best match, eventually led to record δu values for uncaging of carboxylic acids.We then assessed the critical water-solubility issue by introducing hydrophilic units onto our cooperative PPGs. New hydrophilic and amphiphilic systems, suited for controlled release of neurotransmitters or anti-cancer agents, were designed from our multi-chromophoric systems.Finally, in our effort towards better understanding of the structure-properties relationships in coumarin PPGs, we synthesized a small library of π-extended DEAC cages bearing strong electron-withdrawing moieties, and assessed their efficacy for 2P uncaging of glycine. With this study, a step was made towards rationalization of the uncaging quantum yield in coumarin cages.

The majority of fast excitatory neurotransmission in the brain occurs at glutamatergic synapses. The extensive dendritic arborisations of pyramidal neurons in the neocortex and hippocampus harbor thousands of synaptic connections, each formed on tiny protrusions called dendritic spines. Spine synapses are rapidly established during early postnatal development – a key period in neural circuit assembly – and are subject to dynamic activity-dependent plasticity mechanisms that are believed to underlie neural information storage and processing for learning and memory. Recent decades have seen remarkable progress in identifying diverse plasticity mechanisms responsible for regulating synapse structure and function, and in understanding the processes underlying computation of synaptic inputs in the dendrites of individual neurons. These advances have strengthened our understanding of the biological mechanisms underlying brain function but, not surprisingly, they have also raised many new questions. Using a combination of whole-cell electrophysiology, 2-photon imaging and glutamate uncaging in rodent brain slice preparations, I have helped to document the subtype-specific regulation of glutamate receptors during a homeostatic form of synaptic plasticity at CA1 pyramidal neurons of the hippocampus, and have discovered novel synaptic calcium dynamics during a critical period of neural circuit formation. First, we found that during a homeostatic response to prolonged inactivity, both AMPA and NMDA subtypes of glutamate receptors undergo a switch in subunit composition at synapses, but exhibit a divergence in their subcellular localization at extrasynaptic regions of the plasma membrane (this work was published in the Journal of Neuroscience in 2013). In separate series of experiments using 2-photon calcium imaging, I discovered a functional coupling between NMDA receptor activation and intracellular calcium release at dendritic spines and dendrites that is selectively expressed during a critical period of synapse formation. This synaptic calcium signaling mechanism enabled the transformation of distinct spatiotemporal patterns of synaptic input into salient biochemical signals, and is thus apt to locally regulate synapse development along individual dendritic branches. Consistent with this hypothesis, I found evidence for non-random clustering of synapse development between neighboring dendritic spines. Together, these experimental results expand the current understanding of the dynamics of synapse function during homeostatic plasticity and early postnatal development. --- Les synapses glutamatergiques soutiennent la majorité de la neurotransmission excitatrice rapide du cerveau. Des milliers de ces synapses, localisées sur de minuscules saillies appelées épines dendritiques, décorent les vastes arborisations dendritiques des neurones pyramidaux du néocortex et de l'hippocampe. Ces synapses sont formées tôt lors du développement postnatal et sont soumises à des mécanismes dynamiques de plasticité qui sous-tendent, croit-on, les capacités d'apprentissage et de mémoire du cerveau. Les dernières décennies ont vu des progrès remarquables dans l'identification de divers mécanismes de régulation de la structure et de la fonction des synapses sur différentes échelles de temps, et dans la compréhension des processus qui régissent l’intégration des inputs synaptiques au niveau des dendrites individuelles. Ces progrès ont renforcé notre compréhension des éléments fondamentaux régissant la fonction cérébrale et ont ouvert de nouvelles voies d’investigations neurophysiologiques. En utilisant une combinaison d’électrophysiologie cellulaire, d'imagerie à deux-photons et de photolibération de glutamate sur des neurones pyramidaux de la région CA1 de l'hippocampe de rats, j’ai contribué à la découverte et à la caractérisation de nouvelles régulations des récepteurs du glutamate durant la plasticité synaptique homéostatique. J’ai également découvert un nouveau type de dynamique de calcium synaptique relié à une organisation spatiale du développement des synapses pendant une période critique de l’ontogénie des circuits neuronaux. Dans la première étude, nous avons constaté que lors d'une plasticité de type homéostatique induite par une inactivité prolongée, les récepteurs de glutamate de types AMPA et NMDA sont soumis à un changement important dans la composition de leurs sous-unités. De plus, nous avons observé un ciblage différentiel de ces récepteurs vers des compartiments subcellulaires spécifiques des neurones. Dans une série d'expériences séparée utilisant l’imagerie calcique à deux-photons, j’ai découvert un couplage fonctionnel durant le développent entre l'activation des récepteurs NMDA et une libération de calcium intracellulaire qui envahit tant les épines dendritiques que les dendrites. J’ai également trouvé que ce mécanisme de signalisation de calcium synaptique transforme des motifs spatiotemporels d’activités synaptiques spécifiques en signaux biochimiques post-synaptiques de manière à potentiellement réguler l’organisation spatiale des synapses durant le développement. Conformément à cette hypothèse, j’ai observé des manifestations fonctionnelles claires de regroupement dans l’espace de synapses de forces similaires le long de branches dendritiques individuelles. Ensemble, ces résultats expérimentaux élargissent notre compréhension actuelle de de la fonction des synapses durant la plasticité homéostatique ainsi que durant le développement postnatal du cerveau. En étudiant les mécanismes neurophysiologiques de base, il sera possible d'avoir un aperçu plus profond du fonctionnement du cerveau et de ses pathologies.

Le cervelet est indispensable à la coordination motrice ainsi qu’au maintien de la posture. Le traitement de l’information dans le cortex cérébelleux repose sur une organisation modulaire : chaque module est impliqué dans le contrôle de muscles spécifiques. Des lésions focales du cervelet entrainent des troubles moteurs dans une région précise du corps, conduisant à des pathologies telles que l’ataxie. Ce travail vise à comprendre comment les modules cérébelleux traitent l’information sensorimotrice, communiquent entre eux et leur implication dans la coordination motrice chez la souris. Des approches optiques et électrophysiologiques ont permis d’établir les cartes de connexions synaptiques entre différents modules. L’étude du développement de ces cartes a démontré que la mise en place des synapses entre des modules distants coïncide avec l’émergence de la locomotion. L’emploi de modèles de perturbation de la locomotion a démontré que les cartes synaptiques sont réorganisées suite à l’adaptation de la coordination motrice. Ce projet apporte de nouvelles hypothèses quant au contrôle de la coordination motrice en conditions normales et pathologiques. / The cerebellum is essential for motor coordination and to learn new motor skills. In the cerebellar cortex, information processing is based on a modular organization: each module is involved in the control of specific motor units. Localized lesions of the cerebellum impair coordinated movements in only one part of the body and lead to movement disorders like ataxia. This project aims to understand how cerebellar modules communicate, process incoming information and how they relate to coordinated movements in mice. We combine optical and electrophysiological approaches in vitro in order to determine the functional synaptic maps between different modules. The development of these maps revealed that the establishment of connections between distant modules coincide with the appearance of motor coordination in mice. Using models of motor alteration, we showed that synaptic maps are reorganized following motor adaptation. The results bring new hypotheses about the control of motor coordination in normal and pathological conditions. Future directions will be to assess how a specific activation of identified modules may compensate for motor impairments.

Caged compounds are a class of photosensitive reagents used to stimulate cells with spatial control down to a sub-cellular level, and millisecond temporal control. They comprise of biologically important molecule which is modified with a photolabile protecting group. In the absence of light, caged compounds are physiologically silent but irradiation with light induces the release of biologically active species. Illumination under two-photon conditions is particularly advantageous as it enables restriction of the photolysis volume to ~1 fL and it provides deeper penetration into scattering samples. This thesis reports the development of new protecting groups for two-photon uncaging in neuroscience. Mechanistically, the deprotection in these novel groups is designed to operate via an intramolecular photoinduced electron transfer (PeT) between the absorbing unit (electron-donor) and the release module (electron-acceptor). The modular design of these cages ensures separation of absorption and release steps, and allows each process to be tuned and optimized independently. Chapter 1 provides an introduction to the two-photon absorption phenomenon and a historic overview of the uncaging technique. It also discusses recent advances in the development of two-photon sensitive probes used in neuroscience. Chapter 2 describes the exploration of molecular designs for novel protecting groups. A two-photon absorbing dye (electron-donor; fluorene dye) and three different release units (electron-acceptors; nitrobenzyl, pyridinium and phenacyl) were identified as suitable building blocks for the current project. Efficiency of the intramolecular electron transfer between chosen units was evaluated using model dyads which constitute covalently linked electron-donor and acceptor species. Chapter 3 is devoted to the synthesis and photophysical evaluation of nitrobenzyl-based protecting group. Chapter 4 describes the preparation of pyridinium-derived protecting group and demonstrates PeT-mediated release of tryptophan and GABA under one- and two-photon excitation. Hydrolytic instability of pyridinium esters is highlighted. Chapter 5 reports the synthesis, hydrolytic stability and one-photon uncaging efficiency of phenacyl-based derivatives. Chapter 6 discusses properties of developed caged compounds and compares them with other compounds reported in literature. It contains overall conclusions and outlook for the current project. Chapter 7 details the experimental procedures and the characterization of compounds synthesized during this work.