Afin de valoriser les matériaux présents sur les sites de projets d'infrastructures, le traitement à la chaux est une technique souvent utilisée, puisqu'elle permet d'améliorer les performances mécaniques et la maniabilité des sols. Toutefois, cette technique trouve ses limites avec les sols argileux où les améliorations escomptées ne sont pas obtenues. Afin d'optimiser cette technique et de valoriser les sols argileux, une étude physico-chimique des interactions entre la chaux et les minéraux argileux et un lien avec l'aspect mécanique est donc essentiel pour comprendre comment la chaux interagit avec les minéraux du sol et modifie le comportement macroscopique. Les effets de l'addition de chaux sur le comportement macroscopique de deux argiles (kaolinite et bentonite calcique) ont donc été étudiés. Les résultats montrent que l'ajout de chaux améliore les performances mécaniques des argiles, quelles que soient les conditions hydriques. Ces améliorations sont plus rapides dans le cas de la bentonite. Le couplage entre l'aspect macroscopique et physicochimique montre que les améliorations sont en lien avec la formation de composés secondaires de type silicates, aluminates et carboaluminates de calcium hydratés qui augmentent la cohésion au sein des matériaux. Les améliorations des comportements mécaniques sont d'autant plus importantes qu'il y a de composés secondaires formés. Les caractérisations physico-chimiques montrent également que tous les minéraux rencontrés dans cette étude (kaolinite, muscovite, montmorillonite, feldspaths, quartz,cristobalite) sont modifiés lors du traitement à la chaux.

Lors de l'activation de l'apoptose, une multitude de protéines sont clivées. Parmi celles-ci, on retrouve le récepteur à l'inositol 1,4,5-trisphosphate (IP[indice inférieur 3] R) qui est clivé par la caspase-3 au niveau du domaine de régulation, tout juste avant le domaine du pore calcique. L'IP[indice inférieur 3] R est un récepteur-canal situé à la membrane du réticulum endoplasmique et joue un rôle crucial dans la régulation du Ca[indice supérieur 2+] intracellulaire. Le fragment issu du clivage par la caspase-3 aurait la particularité de créer des canaux calciques constitutivement actifs. La présence de ces canaux provoquerait un débalancement dans l'homéostasie calcique, essentielle à la survie et au maintien de la cellule. En dirigeant l'expression de ce fragment dans des cellules ciblées, tel que les cellules cancéreuses, la perturbation de l'homéostasie calcique pourrait être suffisamment importante pour activer les voies apoptotiques. Nous avons voulu caractériser le débalancement calcique provoqué par le fragment du récepteur à l'IP[indice inférieur 3] (CTR). Pour ce faire, nous avons créé les fragments CTR1 et CTR2, correspondant aux formes de l'IP[indice inférieur 3] R-1 et de l'IP[indice inférieur 3] R-2, respectivement, tronqués au début du domaine canal. Nous avons montré l'expression du CTR1 et du CTR2 au niveau du réticulum endoplasmique ainsi que leur capacité à former des homo- et hétérodimères avec d'autres CTRs et avec les IP [indice inférieur 3] Rs endogènes de la cellule. L'évaluation du contenu calcique du réticulum endoplasmique a révélé que les CTR1 et CTR2 forment des canaux calciques constitutivement actifs, mais que leur impact sur l'homéostasie calcique ne semble pas affecter la cellule. Ces résultats montrent donc que les CTR1 et CTR2 ne sont pas des bons candidats pour moduler les niveaux calciques du réticulum endoplasmique.

L'endothélium est la monocouche de cellules qui tapissent la paroi interne des vaisseaux sanguins. Ce tissu a besoin de la polyvalence de la signalisation calcique puisque plusieurs de ses fonctions dépendent de la mobilisation de Ca2+. La mobilisation du Ca2+ intracellulaire dans les cellules non-excitables est majoritairement sous le contrôle du récepteur à l'inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3 R). Les Stromal Interaction Molecules (STIM1 et STIM2) sont des protéines membranaires exprimées sur le réticulum endoplasmique (RE) qui ont la capacité de détecter le niveau de Ca2+ dans le RE. Elles activent le canal plasmique Orai suite à la diminution du niveau de Ca2+ dans le RE. Puisque STIM1 et STIM2 sont des senseurs de Ca2+ du RE, notre hypothèse est qu'elles peuvent aussi réguler la relâche calcique quantale de l'IP3 R, puisque les niveaux de Ca2+ du RE sont importants dans la régulation de la relâche calcique quantale de l'IP3 R. Nous avons montré que les IP3 Rs et les STIMs sont présents dans les cellules endothéliales d'aorte bovine (BAEC) et avec une approche de co-immunoprécipitation, nous avons observé que STIM1 et STIM2 interagissent avec les IP3 Rs. A l'aide d'une approche de vidéomicroscopie par fluorescence, il a été possible de déterminer l'impact de STIM sur la relâche de Ca2+ par l'IP3 R. Dans les BAEC, l'ATP et la bradykinine (BK), via leurs récepteurs respectifs P2 Y et B2, activent la production d'IP3 et ainsi la relâche de Ca2+ par l'IP3 R. Lors de stimulations avec différentes concentrations d'ATP et de BK, la relâche de Ca2+ a été significativement réduite dans les cellules où l'expression de STIM1 a été atténuée. Par contre chez les cellules où l'expression de STIM2 a été atténuée, il n'y a pas eu de changement notable dans la relâche de Ca 2+. Les courbes concentration-réponse ont montré qu'il n'y a pas de changement significatif dans les valeurs d'EC50 obtenues dans les conditions où l'expression de STIM1 ou STIM2 est atténuée. Ces résultats montrent que STIM n'est pas le senseur calcique impliqué dans la relâche calcique quantale de l'IP 3 R. Nos résultats suggèrent plutôt que STIM1, et non STIM2, est un potentiateur de l'activité canal de l'IP3 R. [symboles non conformes]

Le Ca[indice supérieur 2+] joue un rôle primordial dans plusieurs processus physiologiques comme la contraction, la sécrétion, la croissance et la prolifération cellulaire et même l’apoptose. Ainsi, une régulation adéquate des niveaux de Ca[indice supérieur 2+] dans la cellule est essentielle à son bon fonctionnement. Plusieurs protéines-clés sont impliquées dans cette homéostasie calcique. Cette étude a permis d’identifier deux mécanismes distincts responsables de friner la signalisation calcique dans un modèle de cellules non-excitables et dans un modèle de cellules excitables, en mettant l’emphase sur la régulation des canaux calciques par leur interaction avec des protéines clés. Le premier mécanisme implique la régulation du récepteur à l’inositol 1,4,5-trisphosphate (IP[indice inférieur 3]R) par la protéine chaperonne Hsp90 dans les cellules HEK293T. J’ai montré que Hsp90 interagit avec l'IP[indice inférieur 3]R dans le but de diminuer son activité. De plus, cette interaction dépend de la voie de signalisation de l’insuline, plus particulièrement des protéines kinases mTOR et Src, qui sont impliquées dans cette interaction. Ainsi, l’interaction entre Hsp90 et l'IP[indice inférieur 3]R fait partie d’un mécanisme de rétroaction négative de la voie de signalisation de l’insuline. Le second mécanisme implique la régulation des canaux calciques dépendants du voltage de type T (T-VDCC) par la protéine STIM1 dans les cardiomyocytes HL-1. J'ai montré que STIM1, qui est le principal senseur de Ca[indice supérieur 2+] du réticulum sarco/endoplasmique, interagit avec les T-VDCC afin de diminuer leur expression à la membrane cellulaire et ainsi atténuer leur activité. Cette interaction permet de prévenir une entrée excessive de Ca[indice supérieur 2+] dans la cellule menant à une surcharge de Ca[indice supérieur 2+] dans le réticulum sarcoplasmique et, par le fait même, à des événements arythmiques associés à la surcharge. Bien que ces deux études aient été effectuées dans des environnements différents, soit un modèle de cellules non-excitables et un modèle de cellules excitables, elles mettent en évidence deux mécanismes pouvant friner la signalisation calcique dans le but d’assurer une fonction normale à la cellule.

Le muscle cardiaque est un organe qui s'adapte à différents stress hémodynamiques en activant la synthèse protéique et en augmentant la taille des cardiomyocytes, résultant sur le développement d'une hypertrophie cardiaque. L'objectif de cette thèse est d'étudier le rôle potentiel du canal TRPM4 dans différents types d'hypertrophie cardiaque. Une altération du Ca2+ diastolique est à l'origine du signal initial activant les voies de signalisation d'une hypertrophie cardiaque délétère de type pathologique telle que la voie de la calcineurine-NFAT et la ré-expression de gènes fœtaux. Cette hypertrophie est alors compensatrice et vise à préserver la fonction de pompe du myocarde. Cette altération peut être conduite par divers stimulis tels qu'une augmentation de l'angiotensine II ou par des pathologies cardiovasculaires telles que l'infarctus du myocarde et l'hypertension. Cependant, une hypertrophie cardiaque bénéfique est également décrite dans la littérature, notamment lors des stades de développement du myocarde lors de l'embryogénèse ou en encore en réponse à une activité physique modérée régulière. Elle se caractérise par l'activation d'une toute autre voie de signalisation qu'est la voie de l'IGF-1-PI3K-Akt engendrée par une augmentation du taux de facteur de croissance qu'est l'insulin growth factor-1. Ces voies de signalisation ont été largement décrites dans la littérature et s'entrecroisent. Le canal TRPM4 est un canal cationique non sélectif perméable de manière égale aux ions Na+ et au K+, imperméables au Ca2+, mais activé par le Ca2+ intracellulaire. Dans le système immunitaire, il régule négativement l'entrée de Ca2+ et ce canal apparaît donc impliqué dans de nombreuses fonctions cellulaires dépendantes du Ca2+ dans différents types cellulaires. Par l'utilisation de deux modèles d'hypertrophie cardiaque, un physiologique généré par quatre semaines d'entraînement en endurance et un pathologique suite à un infarctus du myocarde induit par la ligature de l'artère coronaire gauche sur des souris wild-type et knock-out (KO) pour le canal TRPM4, nous avons mis en évidence une augmentation d'expression fonctionnelle du canal TRPM4 au sein du ventricule gauche associée à une régulation négative d'entrée de Ca2+. Le canal TRPM4 étant un régulateur de l'homéostasie calcique des cardiomyocytes, son expression fonctionelle après l'infarctus du myocarde ainsi que l'entraînement favorise l'activation de la voie de l'IGF-1-PI3K-Akt et prévient partiellement l'activation de la voie de la Calcineurine-NFAT et le développement d'une hypertrophie cardiaque pathologique, notamment dans le modèle d'infarctus du myocarde. En effet, en absence d'expression du canal, l'entrée de Ca2+ n'étant plus régulée, la voie de la Calcineurin-NFAT est favorisée. Mots clés : TRPM4, hypertrophie cardiaque, entraînement, IGF-1-PI3K-Akt, Calcineurine / Abstract: Cardiac muscle is an organ that adapts to different hemodynamic stress by activating protein synthesis and increasing cardiomyocytes size, resulting in cardiac hypertrophy. The objective of this PhD is to study the potential role of TRPM4 channel in different types of cardiac hypertrophy. Impaired diastolic Ca2+ is responsible for the initial signal activating signaling pathways in a deleterious cardiac hypertrophy pathological type such as Calcineurin-NFAT pathway and the re-expression of fetal genes. This hypertrophy is first compensatory and preserves the myocardial pump function. This alteration can be carried out by various stimuli such as increased angiotensin II or by cardiovascular diseases such as myocardial infarction and hypertension.However, a beneficial cardiac hypertrophy is also described in the literature, especially during development stages during embryogenesis or even in response to regular moderate physical activity. It is characterized by the activation one different signaling pathway, the IGF-1 - PI3K –Akt, generated by an increase in growth factor levels that is the insulin growth factor -1. These signaling pathways have been widely described in the literature and cross-talking. TRPM4 channel is a nonselective cation channel permeable equally to Na+ and K+, impermeable to Ca2+ but activated by the intracellular Ca2+. In the immune system, it downregulates Ca2+ entry and therefore appears to be involve in many Ca2+-dependent cellular functions in different cell types. By the use of two models of cardiac hypertrophy, a physiological generated by four weeks of training in endurance and pathological after myocardial infarction induced by ligation of the left coronary artery on wild-type and knockout mice -out (KO) for TRPM4 channel, we have demonstrated a functional expression increased TRPM4 channel within the left ventricle associated with down-regulation of Ca2 + entry. TRPM4 the channel being a regulator of calcium homeostasis in cardiomyocytes functional expression after myocardial infarction as well as the drive promotes the activation of the pathway of IGF-1-PI3K-Akt and partially prevents the pathway activation of the NFAT-calcineurin and the development of pathological cardiac hypertrophy, in particular myocardial infarction model. Indeed, in the absence of expression of the channel, the Ca2 + is not regulated, the path of Calcineurin-NFAT is favored. Keywords: TRPM4, cardiac hypertrophy, training, IGF-1-PI3K-Akt, calcineurin

La sénescence cellulaire, arrêt stable de la prolifération cellulaire, est accompagnée de la sécrétion de nombreux facteurs pro-inflammatoires (programme sécrétoire associé à la sénescence appelé SASP). La sénescence est induite par divers stimuli, et joue un rôle clé dans de multiples contextes physiopathologiques. Cependant, la régulation de la sénescence est encore mal comprise. Notre laboratoire a récemment identifié le récepteur inositol 1,4,5-trisphosphate de type 2 (ITPR2, canal calcique du ER) comme nouveau régulateur de la sénescence. L'expression du gène ITPR2 est réprimée dans la plupart des cancers, mais sa régulation transcriptionnelle est peu connue. Dans ce contexte, le premier objectif de ma thèse était de caractériser de nouveaux régulateurs de l’expression d’ITPR2. Par un criblage (siRNA) et une analyse Nanostring, nous avons identifié le récepteur nucléaire RXRA comme répresseur transcriptionnel d’ITPR2. Nous avons montré que dans les fibroblastes primaires humains, le knockdown de RXRA induit l’expression d’ITPR2 et de ce fait la signalisation calcique, la production d’espèces réactives de l’oxygène (ROS), le dommage de l’ADN et finalement la sénescence via l’activation de la voie p53-p21. Inversement, la surexpression constitutive de RXRA retarde la sénescence réplicative. Les molécules du SASP, induisant ou renforçant la sénescence, peuvent réguler la signalisation calcique. Le deuxième objectif de ma thèse était d’étudier le rôle du SASP et la participation de la signalisation calcique dans celui-ci. Nous avons observé que le SASP induit la sénescence cellulaire accompagnée d’une différenciation neuroendocrine (NED) dans des cellules de cancer du sein. Le SASP induit une accumulation de calcium dans le cytoplasme qui paraît être impliquée dans la régulation de la NED. Une analyse de données d’échantillons de tumeurs du sein humaines et observé que les échantillons positifs pour la NED présentent des marques de sénescence / Cellular senescence is a stable proliferation arrest accompanied with senescence-associated secretory phenotype (SASP). Senescence is induced by diverse stimuli such as telomere shortening and oncogene activation and plays key roles in many physiopathological contexts like embryonic development, cancer and aging. However the molecular mechanisms regulating senescence remain partially understood. Our laboratory recently identified a new senescence regulator: the inositol 1,4,5-trisphosphate receptor type 2 (ITPR2), an ER calcium release channel. ITPR2 is repressed in many cancers, but its transcriptional regulation is barely known. Therefore, the first aim of my thesis was to characterize new ITPR2 regulators. Through siRNA screen and Nanostring analysis, we identified the nuclear receptor RXRA as a transcriptional repressor of ITPR2. We found that in primary human fibroblasts, RXRA knockdown induces ITPR2 expression and thereby calcium signaling, reactive oxygen species (ROS) production, DNA damage and ultimately senescence through p53-p21 axis. Conversely, RXRA overexpression delays replicative senescence. SASP has been described to induce/reinforce senescence, and most of the SASP factors are able to regulate calcium signaling through their receptors. The second aim of my thesis was to investigate the role of the SASP and the participation of calcium signaling in it. We observed that the SASP induces senescence accompanied with a neuroendocrine differentiation (NED) in some breast cancer cells. Interestingly, SASP triggers calcium accumulation in the cytoplasm which seems to be involved in the regulation of NED. We then analyzed human breast tumor datasets and observed that NED-positive samples display some senescence marks: functional p53, low proliferation level and Sprouty 2 expression. Altogether, my work identified RXRA as a new senescence regulator and showed calcium signaling is involved in SASP-induced NED in breast cancer cells

Le cerveau de la drosophile est le siège de processus neuronaux complexes, et la drosophile se révèle être un organisme de choix pour leur étude grâce en particulier aux puissants outils de génétique moléculaire. Une drosophile peut former une mémoire olfactive associative aversive ou appétitive, selon qu’une odeur est associée à une punition ou à une récompense. En aversif, si le conditionnement est répété au moins cinq fois avec intervalles de repos, la mémoire se consolide en impliquant une synthèse protéique de novo et peut alors durer plus d’une semaine : on parle de mémoire à Long Terme (MLT). Dans le cadre du paradigme appétitif, il existe également une MLT dépendant de la synthèse protéique de novo, mais sa formation est engagée dès le premier cycle d’apprentissage. Les Corps Pédonculés sont le centre cérébral où est encodée la mémoire olfactive et comprennent 4000 neurones, les Cellules de Kenyon (KC). Ils sont contactés par environ 150 neurones de projection cholinergiques leur apportant l’information olfactive, mais également par environ 130 neurones dopaminergiques afférents et seulement 34 neurones efférents. Beaucoup des neurones impliqués dans la formation et le stockage des mémoires olfactives ont été identifiés au cours des 15 dernières années. Le premier objectif de mes travaux de thèse a été d’identifier précisément quels neurones encodent la MLT au sein des Corps Pédonculés et quels neurones convoient l’information mnésique hors des Corps Pédonculés. Pour ce faire, nous avons mis à profit des outils thermogénétiques permettant de bloquer la transmission synaptique de neurones choisis, et ce à un moment donné des processus mnésiques. Après avoir induit la formation de MLT aversive ou appétitive, il nous est possible d’inhiber les KC ou les neurones efférents aux Corps Pédonculés lors de la remobilisation, 24 heures après le conditionnement, des informations enregistrées. Ensuite, pour comprendre la physiologie des neurones identifiés, c’est à dire comment leur activité leur permet d’assurer leur fonction dans la mémoire, nous révélons leur activité grâce à une sonde calcique fluorescente exprimée génétiquement et nous enregistrons cette activité in vivo par microscopie confocale. Pour mimer les conditions de rappel de la MLT, nous représentons l'odeur ayant servi au conditionnement à des drosophiles ayant formé une MLT... / Drosophila brain is subject to complex neuronal processes, and their study is very convenient in drosophila due to powerful genetic tools. Drosophila can form aversive or appetitive olfactory associative memory, if an odor is associated to a punishment or a reward. When an aversive conditioning is repeated more than five times with rest intervals, the memory is strengthened, implying de novo protein synthesis and lasting over one week, in what we call Long Term Memory (LTM). With appetitive paradigm, a protein synthesis dependent LTM can also be formed, but from only one conditioning cycle.Mushroom Bodies (MB) are the brain memory center where olfactory memory is encoded, and they comprise 4000 neurons, the Kenyon Cells (KC). They are targeted by around 150 cholinergic projection neurons, bringing olfactory information, but also by 130 afferent dopaminergic neurons and only 34 efferent neurons. Over the past 15 years, one have identified many neurons involved in olfactory memory formation and storage. The first goal of my PhD work was to precisely identify which neurons encode LTM within MB and which neurons carry mnesic information out of MB. To this purpose, we used thermogenetic tools to block synaptic transmission, in precise neuronal populations and at precise time windows. After the induction of aversive or appetitive LTM formation, we can inhibit KC or MB output neurons during the retrieval of recorded informations, 24H later. Then, aiming at understanding the physiology of the unravelled neurons, i.e. how their activity support their role in memory, we record their calcic activity with a genetically encoded fluorescent probe, in vivo, with a confocal microscopy device. To mimick LTM retrieval conditions, we present the conditioned odor to LTM trained flies...

La larve de poisson-zèbre est un animal modèle pour l'étude du système nerveux des vertébrés, dont certains mutants expriment des rapporteurs calciques (GCaMP) à l'intérieur de leurs neurones. Ces mutants sont utilisés pour des expériences d'imagerie fonctionnelle dans lesquelles l'activité de la quasi-totalité de leur système nerveux est enregistrée simultanément. La première partie de cette thèse est consacrée à la conception d'une expérience comportementale permettant de suivre et d'analyser les mouvements de nage de larves de poisson-zèbre plongées dans un écoulement d'aspiration. Les contributions de la ligne latérale, organe spécifique aux poissons et amphibiens responsable de la perception des stimulations hydrodynamiques, et des yeux ont été découplées afin de pouvoir décrire les interactions entre ces deux modalités sensorielles et leurs effets respectifs sur les réactions des larves à une aspiration, analysés par le biais de leur mouvements de nage. Cette expérience devait être préliminaire à une étude des réponses neuronales à une aspiration grâce au montage expérimental de microscopie par nappe laser développé au laboratoire depuis quatre ans, afin de réaliser des expériences de cross-modal en imagerie fonctionnelle, c'est-à-dire l'observation dynamique des réseaux neuronaux consacrés au deux modalités sensorielles lorsque celles-ci sont stimulées soit simultanément, soit séparément. Devant les difficultés rencontrées pour observer les réponses de la ligne latérale des larves en imagerie calcique, ce qui n'a à ce jour jamais été réalisé, nos expériences d'imagerie fonctionnelle se sont reportées sur l'audition de la larve de poisson-zèbre, qui a remplacé la perception des écoulements. La deuxième partie de cette thèse décrit donc les protocoles, les méthodes d'analyse et les résultats issus de cette série d'expériences dont les résultats, encore exploratoires, donnent une idée des réseaux de neurones impliqués dans la perception des vibrations par la larve de poisson-zèbre. Ces premières analyses encourageantes, en plus de présenter pour la première fois des enregistrements d'une grande partie du système neuronal sous stimulation auditive, ouvrent la porte à de nouvelles méthodes d'analyse de données pour des populations de neurones à la fois nombreuses et spatialement étendues. / The Zebrafish larva is a model for the study of vertebrate central nervous system. Mutants have been developped which express calcium reporter (GCaMP) in their neurons. These mutants are used in functional imaging experiments in which the activity of almost all the neurons is simultaneously recorded. The first chapter of this thesis is devoted to the conception of a behavioral experiment designed to record and analyse the swim movements of zebrafish larvae submitted to a succion flow. The contributions of lateral line (specific fish organ responsible for the perception of hydrodynamic stimulations) and visual system have been separated in order to describe the interactions between those two modalities and their respective effects on larvae reactions to aspiration, analysed through their swim patterns. This experiment was thought to prepare a study of neuronal responses to aspiration, thanks to the laser sheet microscopy setup developped in the laboratory since four years. The aim was to use calcium imaging to work on cross-modal experiment, by the dynamic observation of neural networks dedicated to the two sensory modalities when stimulated simultaneously or separatly. Facing difficulties to record lateral line response using calcium imaging, which are not been recorded yet, functional imaging experiments have adressed zebrafish larvae auditory system instead of hydrodynamic perception. The second part of this thesis describes protocols, analysis and results from these experiments. The results are still at an exploratoty stage but draw a scheme of neural networks involved in vibrations perception in zebrafish larvae : they present recordings of a huge part of central nervous system and the activity evoked by auditory stimulations.

Le comportement animal est souvent conçu comme résultant d'une association entre un stimulus et une réponse. Selon cette vision, comprendre le cerveau revient à dénouer les liens entre les entrées sensorielles et les sorties motrices. Toutefois, dans des conditions naturelles, l'influence entre l'action motrice et la perception sensorielle est réciproque. Les animaux utilisent constamment les rétroactions sensorielles causées par leurs actions pour ajuster les commandes motrices. Par ailleurs, le comportement n'est pas seulement une réponse à l'environnement sensoriel mais peut être généré par l'activité endogène du cerveau. Afin de comprendre le dialogue sensorimoteur en observant de larges régions cérébrales à une résolution cellulaire, j'ai étudié les comportements induits et spontanés chez la larve du poisson-zèbre. Les atouts de la larve du poisson zèbre sont sa petit taille et sa transparence. On peut utiliser des méthodes d'imagerie fonctionnelle optique, comme la microscopie par nappe laser, afin d'enregistrer l'activité dans une large portion des neurones. Afin d'étudier le comportement de navigation chez la larve dans des conditions compatibles avec l'observation du cerveau, j'ai développé un système de réalité virtuelle visuelle pour la larve du poisson zèbre. L'environnement visuel est mis à jour en fonction des mouvements du poisson. Cette rétroaction peut être choisie comme étant similaire à la rétroaction visuelle que le poisson expérimente en nage libre. En modifiant la rétroaction visuelle naturelle, on peut étudier la manière dont la larve s'adapte aux perturbations. Dans cette optique, j'ai d'abord généré une librairie de mouvements de nage libre. A partir de celle-ci, j'ai extrait la relation entre la trajectoire de la larve et la cinématique de ses mouvements de queue. Cette relation permet de décoder les intentions de déplacements chez une larve dont la tête est restreinte dans un gel et de mettre à jour un environnement visuel selon ses mouvements de queue. Dans un environnement virtuel, la larve parvient à contrôler son orientation et sa vitesse afin de suivre un mouvement d'ensemble ou bien à générer une séquence de mouvements nécessaires à atteindre une cible mobile. Lorsque la rétroaction visuelle n'est pas mise à jour continuellement mais à la fin de chaque mouvement, on observe que les mouvements sont alors plus longs. Cette faible perturbation réduit significativement le succès des déplacements du poisson vers des cibles virtuelles. Le comportement peut aussi résulter de l'activité endogène du cerveau. En absence de stimulus externe, la larve produit des mouvements stéréotypés similaires à ceux produits lorsqu'elle navigue en réponse à un stimulus. Après avoir établit une nouvelle méthode de classification des mouvements de queue, j'ai analysé la séquence des mouvements générés spontanément. Ces séquences sont composées de successions quasi rythmiques qui alternent avec de longues périodes de repos. Les mouvements consécutifs sont davantage similaires lorsqu'ils s’enchaînent rapidement (~10s). Afin d'étudier les mécanismes neuronaux responsables de la décision d'effectuer un mouvement spontané, j'ai couplé l’imagerie par nappe laser à l'analyse des mouvements. Des résultats préliminaires mettent en évidence des groupes de neurones dont l'activité prédit la direction des mouvements des virages. Deux groupes repartis bilatéralement oscillent en opposition de phase et l'état de cet oscillateur avant un mouvement prédit sa direction. Les neurones responsables de la décision du type de mouvement à effectuer spontanément sont différents des neurones qui contrôlent le timing de leur déclenchement. Ensemble, ces résultats éclairent les processus de rétroaction et de dynamique interne qui façonnent le comportement et ouvre la voie à l'étude de processus sensorimoteurs complexes dans des systèmes simples. / Behavior is often conceived as resulting from a stimulus-response association. Under this paradigm, understanding the nervous system is reduced to finding the relation between a sensory input and a motor output. Yet, in naturally behaving animals, motor actions influence sensory perceptions just as much as the other way around. Animals are continuously relying on sensory feedback to adjust motor commands. On the other hand, behavior is not only induced by the sensory environment, but can be generated by the brain's rich internal dynamics. My goal is to understand the sensory-motor dialogue by monitoring large brain regions, yet, with a single-neuron resolution. To tackle this question, I have used zebrafish larva to study visually induced and internally driven motor behaviors. Zebrafish larvae have a small and transparent body. These features enable using large-scale optical methods, such as selective plane illumination microscopy (SPIM), to record brain dynamics. In order to study goal-driven navigation in conditions compatible with imaging, I developed a visual virtual reality system for zebrafish larva. The visual feedback can be chosen to be similar to what the animal experiences in natural conditions. Alternatively, alteration of the visual feedback can be used to study how the brain adapts to perturbations. For this purpose, I first generated a library of free-swimming behaviors from which I learned the relationship between the trajectory of the larva and the shape of its tail. I then use this technique to infer the intended displacements of head-fixed larvae. The visual environment was updated accordingly. In the virtual environment, larvae were capable of maintaining the proper speed and orientation in the presence of whole-field motion and produced fine changes in orientation and position required to capture virtual preys. I demonstrate the sensitivity of larvae to visual feedback by updating the visual world only after the discrete swimming episodes. This feedback perturbation induced a decay in the performance of prey capture behavior, suggesting that larva rely on real-time visual feedback during swimming. Behavior can also be induced by the internal dynamics of the brain. In the absence of salient sensory cues, zebrafish larva spontaneously produces stereotypical tail movements, similar to those produced during goal-driven navigation. After having developed a new method to classify tail movements, I analyzed the sequence of spontaneously generated tail movements. The latter switched between period of quasi-rhythmic activity and long episodes of rest. Moreover, consecutive movements were more similar when executed at short time intervals (~10s). In order to study the mechanisms responsible for the spontaneous decisions to move, I coupled SPIM to tail movement analysis. Using dimensionality reduction, I identified clusters of neurons predicting the direction of spontaneous turn movements but not their timings. This Preliminary result suggests that distinct pathways could be responsible for the timing (when) and the selection (what) of spontaneous actions. Together, the results shed light on the role of feedback and internal dynamics in shaping behaviors and open the avenue for investigating complex sensorimotor process in simple systems.

Le suivi des flux calciques dans le cerveau de l’animal en mouvement nécessite de nouvellessondes. Nous utilisons la bioluminescence observée chez la méduse Aequorea victoria etimpliquant la protéine aequorine. Une fusion entre l’aequorine et la protéine fluorescente GFP(GA) permet d’obtenir un senseur calcique bioluminescent dont la stabilité et les propriétésspectrales sont adéquates pour de nombreuses applications. L’émission de bioluminescencepermet de suivre la propagation de l’information nerveuse de cellule en cellule, en temps réeldans des réseaux de neurones.Nous avons tout d’abord montré au moyen de construction de lignées transgéniques murinesque la protéine chimère GA peut être exprimée dans des microdomaines cellulaires pouranalyser l’activité neuronale. Nos résultats montrent pour la première fois qu’il est possibled’enregistrer in vivo et de manière non invasive dans l’animal en mouvement deschangements dans la concentration de calcium mitochondrial. Nous avons ensuite réalisé unciblage post synaptique du senseur par fusion à la protéine PSD95. Ce ciblage permet dedétecter l'entrée de calcium au niveau du récepteur NMDA.Parallèlement, nous avons cherché à améliorer les propriétés du senseur GA pour détécterl’activité calcique dans l’animal in toto. Nous identifié un nouvel analogue de lacoelenterazine conduisant à un décalage du spectre de bioluminescence de l’aequorine vers lerouge. Et par ailleurs, nous avons testé l’activité de l’aequorine en fusion avec diversesprotéines fluorescentes. Nous disposons avec ce travail de nouveaux senseurs bioluminescentspour le suivi de l’activité cérébrales dans des études comportementales. / Monitoring calcium fluxes in the brain of freely moving animals requires the development ofnew probes. We use the bioluminescence of the protein aequorin observed in the jellyfishAequorea victoria. A fusion between aequorin and GFP fluorescent protein (GA) provides abioluminescent calcium sensor whose stability and spectral properties are adequate for manyapplications. The emission of bioluminescence is suitable to track in real-time the propagationof nervous impulses from cell to cell in neural networks.We first showed by transgenic murine lines construction that the chimeric protein GA can beexpressed in cell microdomains to analyze neuronal activity. Our results show for the firsttime it is possible to record in vivo and non-invasively in the moving animal, changes in theconcentration of mitochondrial calcium. We then performed a post synaptic targeting of thesensor by fusion with the protein PSD95. This permits to detect the entry of calcium next tothe NMDA receptor.Meanwhile, we tried to improve the properties of the GA sensor to detect calcium activity inthe animal in toto and mor specifically through the skull. We identified a new analogue ofcoelenterazine leading to a shift in the spectrum of aequorin bioluminescence to red. We thentested the activity of aequorin fused with different fluorescent proteins. This leads to newbioluminescent sensors for monitoring the brain activity in behavioral studies.