L'un des enjeux majeurs actuellement en neurosciences est l'élaboration de modèles computationnels capables de reproduire les données obtenues expérimentalement par des méthodes d'imagerie et permettant l'étude de la relation structure-fonction dans le cerveau. Les travaux de modélisation dans cette thèse se situent à deux échelles et l'analyse des modèles a nécessité le développement d'outils théoriques et numériques dédiés. À l'échelle locale, nous avons proposé un nouveau modèle d'équations différentielles ordinaires générant des activités neuronales, caractérisé et classifié l'ensemble des comportements générés, comparé les sorties du modèle avec des données expérimentales et identifié les structures dynamiques sous-tendant la génération de comportements pathologiques. Ce modèle a ensuite été couplé bilatéralement à un nouveau compartiment modélisant les dynamiques de neuromédiateurs et leurs rétroactions sur l'activité neuronale. La caractérisation théorique de l'impact de ces rétroactions sur l'excitabilité a été obtenue en formalisant l'étude des variations d'une valeur de bifurcation en un problème d'optimisation sous contrainte. Nous avons enfin proposé un modèle de réseau, pour lequel la dynamique des noeuds est fondée sur le modèle local, incorporant deux couplages: neuronal et astrocytaire. Nous avons observé la propagation d'informations différentiellement selon ces deux couplages et leurs influences cumulées, révélé les différences qualitatives des profils d'activité neuronale et gliale de chaque noeud, et interprété les transitions entre comportements au cours du temps grâce aux structures dynamiques identifiées dans les modèles locaux. / A current issue in neuroscience is to elaborate computational models that are able to reproduce experimental data recorded with various imaging methods, and allowing us to study the relationship between structure and function in the human brain. The modeling objectives of this work are two scales and the model analysis need the development of specific theoretical and numerical tools. At the local scale, we propose a new ordinary differential equations model generating neuronal activities. We characterize and classify the behaviors the model can generate, we compare the model outputs to experimental data and we identify the dynamical structures of the neural compartment underlying the generation of pathological patterns. We then extend this approach to a new neuro-glial mass model: a bilateral coupling between the neural compartment and a new one modeling the impact of astrocytes on neurotransmitter concentrations and the feedback of these concentrations on neural activity is developed. We obtain a theoretical characterization of these feedbacks impact on neuronal excitability by formalizing the variation of a bifurcation value as a problem of optimization under constraint. Finally, we propose a network model, which node dynamics are based on the local neuro-glial mass model, embedding a neuronal coupling and a glial one. We numerically observe the differential propagations of information according to each of these coupling types and their cumulated impact, we highlight qualitatively distinct patterns of neural and glial activities of each node, and link the transitions between behaviors with the dynamical structures identified in the local models.

Le système nerveux est composé de milliards de connexions synaptiques qui forment des réseaux complexes à la base de la communication dans le cerveau. Dès lors, contrôler la localisation, le type et le nombre des synapses est un défi considérable au cours du développement du système nerveux. Étonnamment, la production de connexions synaptiques est démesurée de façon à ce que beaucoup plus de synapses soient formées au cours du développement que ce qui est maintenu chez l’adulte. Ces connexions surnuméraires sont en compétition pour l’innervation d’une même cellule cible ce qui mène au maintien de certaines terminaisons nerveuses et à l’élimination de d’autres. Ces processus de compétition et d’élimination sont grandement façonnés par l’activité du système nerveux et l’expérience sensorielle de manière à ce que les terminaisons qui montrent la meilleure activité sont favorisées alors que les synapses mal adaptées sont éliminées. Jusqu’à récemment, les mécanismes et les types cellulaires responsables de l’élimination synaptique étaient inconnus. Les études de la dernière décennie montrent que les cellules gliales jouent un rôle clé dans l’élimination de synapses. Cependant, il demeure inconnu si les cellules gliales peuvent décoder les niveaux d’activité des terminaisons en compétition, ce qui est un déterminant majeur de l’issue de la compétition synaptique. De plus, il n’est pas connu si les cellules gliales sont capables de réguler l’activité synaptique des terminaisons, ce qui pourrait influencer l’issue de l’élimination synaptique. Ceci est d’un intérêt particulier puisqu’il est connu que les cellules gliales interagissent activement avec les neurones, détectent et modulent leur activité dans plusieurs régions du système nerveux mature. Par conséquent, l'objectif de cette thèse était d'étudier la capacité des cellules gliales à interagir avec les terminaisons nerveuses en compétition pour l'innervation d’une même cellule cible. Nous avons donc analysé la capacité des cellules gliales à décoder l’activité des terminaisons, à réguler leur activité synaptique et à influencer le processus de l’élimination synaptique au cours du développement du système nerveux. Pour cette fin, nous avons profité de la jonction neuromusculaire, un modèle simple et le bien caractérisé, et nous avons combiné l’imagerie Ca2+ des cellules gliales, un rapporteur fiable de leur activité avec des enregistrements synaptiques de jonctions neuromusculaires poly-innervées de souriceaux. Dans la première étude, nous montrons que les cellules gliales détectent et décodent l'efficacité synaptique des terminaisons nerveuses en compétition. L’activité des cellules gliales reflète la force synaptique de chaque terminaison nerveuse et l'état de la compétition synaptique. Ce décodage est médié par des récepteurs purinergiques gliaux fonctionnellement distincts et les propriétés intrinsèques des cellules gliales. Nos résultats indiquent que les cellules gliales décodent la compétition synaptique et, par conséquent, sont favorablement positionnées pour influencer son issue. Dans la seconde étude, nous montrons que les cellules gliales régulent différemment la plasticité synaptique de terminaisons en compétition. De manière dépendante du Ca2+, les cellules gliales induisent une potentialisation persistante de l’activité de la terminaison forte alors qu’elles n’ont que peu d’effets sur la terminaison faible. Bloquer l'activité gliale altère la plasticité des terminaisons in situ et se traduit par un retard de l'élimination des synapses in vivo. Ainsi, nous décrivons un nouveau mécanisme par lequel les cellules gliales, non seulement renforcent activement la terminaison forte, mais influencent aussi la compétition et l'élimination. Dans l'ensemble, ces études sont les premières à démontrer que les cellules gliales sont activement impliquées dans la modulation de l'activité synaptique des terminaisons en compétition ainsi que dans la régulation de l'élimination synaptique et la connectivité neuronale. / The nervous system is composed of billions of synaptic connections forming complex networks that define the basis of neuronal communication in the brain. The control of the localization, type and number of synapses is a considerable challenge during development of the nervous system. Surprisingly, there is an excessive production of synaptic connections so that many more synapses are formed during developmental stages than what is maintained in the adult. A process of competition and elimination then occurs during which connections are in competition for the innervation of the same target cell. These processes of competition and elimination are greatly shaped by activity and sensory experience. Nerve terminals that show the best activity are favoured, while weak and poorly adapted synapses are eliminated. Until recently, the mechanisms and the cell types responsible for the elimination of supernumerary connections were unknown. Studies from the last decade identified glial cells as major players in synapse elimination. However, it remains unknown whether glial cells are able to decode the levels of synaptic activity of competing terminals, which is a major determinant of the outcome of synaptic competition. Moreover, it is unknown whether glial cells are able to regulate synaptic activity, which could influence the outcome of synapse elimination. This is especially relevant because it is known that glial cells actively interact with neurons, detect and modulate their activity in many regions of the nervous system. Therefore, the goal of this thesis was to study the ability of glial cells to interact with terminals competing for the innervation of the same target cell. We tested the ability of glial cells to decode the activity nerve terminals, regulate their synaptic activity and influence the process of synapse elimination during development of the nervous system. For this purpose, we took advantage of the neuromuscular junction, a simple and well-characterized model, and used simultaneous Ca2+-imaging of glial cells, a reliable reporter of their activity and synaptic recordings of dually-innervated neuromuscular junctions from newborn mice. In the first study, we report that single glial cells detect and decode the synaptic efficacy of competing nerve terminals. Activity of single glial cells reflects the synaptic strength of each competing nerve terminal and the state of synaptic competition. This deciphering is mediated by functionally segregated purinergic receptors and intrinsic properties of glial cells. Our results indicate that glial cells decode ongoing synaptic competition and, hence, are poised to influence its outcome. In the second study, we show that glial cells differentially regulate the synaptic plasticity of competing terminals. In a Ca2+-dependent manner, glial cells induce a long lasting synaptic potentiation of strong but not weak terminals. Preventing glial activity alters the plasticity of terminals in situ and delays synapse elimination in vivo. Thus, we describe a novel mechanism by which glial cells, not only actively reinforce the strong input but regulate synapse competition and elimination. As a whole, these studies are the first to demonstrate that glial cells are actively involved in the modulation of synaptic activity of competing terminals as well as in the regulation of synapse elimination and neuronal connectivity.

Les lésions spinales conduisent à des altérations majeures des fonctions sensorimotrices. Les récupérations fonctionnelles consécutives à ces atteintes sont très limitées, notamment en raison des capacités réduites de réparation des tissus endommagés dans le SNC. En outre, ces récupérations dépendent notamment de plusieurs processus cellulaires tels que l'activation astrogliale qui conduit à la formation de la cicatrice gliale, ou encore l'inflammation dont les cellules microgliales et les mastocytes sont les effecteurs les plus précoces. Cette inflammation est connue pour exacerber les dommages tissulaires et restreindre les possibilités de récupération. Cependant, des études récentes chez l'animal et chez l'Homme montrent que l'inflammation pourrait également avoir des effets favorisant les processus de récupération. Le but de cette thèse était de mieux comprendre les liens qui existent entre neuroinflammation, neuroplasticité et récupérations fonctionnelles après lésion spinale. L’objectif expérimental visait à examiner les réactivités microgliales, mastocytaires et astrocytaires post-lésionnelles, en parallèle avec des restaurations fonctionnelles. Dans ce contexte nous nous sommes plus particulièrement intéressés à l'influence d'une cytokine pro-inflammatoire, le Granulocyte-Macrophage Colony Stimulating Factor (GM-CSF) sur ces processus inflammatoires et la plasticité fonctionnelle après une hémisection C4-C5 chez le rat adulte. L’ensemble de nos travaux suggère que le GM-CSF pourrait agir par l’intermédiaire de plusieurs événements cellulaires et moléculaires, en favorisant des phénomènes de plasticité adaptatifs et la récupération partielle de fonctions altérées. / Spinal cord injuries are mostly of traumatic origin and result in major sensorimotor deficits. Postlesion functional recovery is limited, especially because of the reduced capacity of repairing damaged tissues. Moreover, this recovery depends specifically on several cellular processes such as astroglial activation conducting to glial scar formation, or inflammation for which microglial and mast cells are the earliest effectors. This inflammation is known to exacerbate tissue damages and restrain the capacity to recover. However, recent studies in animals and humans show that inflammation may also have beneficial aeffects on recovery processes. The studies conducted during my doctoral research were intended to better understand the links between neuroinflammation, neuroplasticity and functional recovery following spinal cord injury. We aimed at examining microglial, mast cells and astroglial reactivities after the injury, in relation with functional recovery of somatosensory and motor functions. In this context, we were particularly interested in the influence of Granulocyte Macrophage-Colony Stimulating Factor (GM-CSF) on inflammatory and plasticity mechanisms after a C4-C5 hemisection in the adult rat. Our doctoral research suggests that GM-CSF could act through several cellular and molecular events promoting adaptive plasticity phenomena underlying partial recovery of impaired functions.

Le syndrome de l’intestin irritable (SII) et le syndrome de la vessiedouloureuse (SVD) sont tous deux caractérisés par une hypersensibilité viscérale àla distension. Sur le plan épidémiologique, ces deux syndromes sont étroitementassociés puisque les patients SII ont une prévalence du syndrome de la vessiedouloureuse 7 fois plus élevée que la population générale. Cependant, le mécanismeresponsable de la sensibilisation du tube digestif et de l’appareil urinaire n’a jamaisété étudié. Compte tenu de l’innervation commune de ces deux organes, il estprobable que ce mécanisme mette en jeu sur le long terme des phénomènes de laplasticité neuro-gliale aux niveaux communs d’intégration de la sensibilité pelvienne.L’objectif général de ce travail était d’établir et de caractériser un modèleanimal de sensibilisation croisée vessie/colon, aigu et chronique, afin de mieuxcomprendre les mécanismes impliqués dans l’hypersensibilité viscérale croisée. / Irritable bowel syndrome (IBS) and Bladder pain syndrome (BPS) are bothcharacterized by visceral hypersensitivity to distension. Epidemiology showed thatthese two syndromes are closely associated since IBS patients have a prevalence ofbladder pain syndrome that is 7 times higher than the general population. However,the mechanism responsible for sensitization of the gastrointestinal tract and theurinary tract has never been studied. Given the common innervation of these twoorgans, it is likely that this mechanism involves long-term phenomena of neuro-glialplasticity at the common levels of integration of pelvic sensitivity.The overall objective of this work was to establish and characterize an animalmodel of bladder / colon cross-sensitization, acute and chronic, to better understandthe mechanisms involved in cross-visceral hypersensitivity.