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The extensive reduction in adult Pacific lamprey (Entosphenus tridentatus) counts at many hydroelectric dams in the northwestern USA signals a substantial decline in lamprey numbers across the entire region in the past 40 to 50 years. Among the many potential causes of this decline, obstruction of migration routes has likely played a substantial role. Within the North Umpqua River basin in southwest Oregon, USA, I focused on the following three research goals: 1) to describe the passage efficiency and migration routes of adult Pacific lamprey at Winchester Dam; 2) to evaluate the seasonal movement patterns of adult Pacific lamprey and their use of holding habitat at Winchester Dam in relation to temperature conditions; and 3) to portray the diversity of upstream migratory behaviors of adult Pacific lamprey and the environmental factors that influence these behaviors. This radio telemetry study was conducted between March 2009 and August 2011 with a combination of fixed stations and manual tracking. Passage efficiency was low in both years (8% and 19%, respectively), and all tagged lamprey that successfully passed the dam used routes other than the fish ladder. Lamprey that migrated early within the run and those with relatively small tags had higher passage rates and traveled further than the other groups of lamprey. Lamprey released above of the dam or those that passed the dam on their own distributed themselves widely in the upstream environment, suggesting that the dam deterred their upstream migration. Using mark-recapture data for the two years, the adult Pacific lamprey population upstream of Winchester Dam was estimated at 960 (95% C.I. [188, 4760]) in 2009 and 556 (95% C.I. [110, 2798]) in 2010, which was considerably lower than historical counts at the dam (between 14,532-46,785 in 1965-1971). Most tagged lamprey that did not pass the dam remained at the base of the dam at the end of the summer migration (63% in 2009 and 67% in 2010). Types of habitat most frequently used by lamprey downstream from the dam included the dam surface (wooden structures with crevices), interface zones between fast and slow water, and highway bridge pilings. The lamprey movement changed considerably between August and September, and the frequency of movements decreased sharply during this period. Tagged lamprey were detected using thermal refuges immediately downstream of the dam that were 0.4 to 2.8 C° colder than the mean river temperature at the dam, and this temperature differential increased as the season progressed. Lamprey may be seeking overwintering habitat associated with hyporheic exchange flows at the dam towards the end of the summer season after their display of heightened activity early in the summer. Ninety-five percent of the overall upstream migration took place during the first spring/summer period, and only small-scale upstream movements were observed during the winter and second spring/summer (4% and 1%, respectively). The rate of upstream migration (median) was the fastest during the initial migration phase and was 1.9 km/day (ranging from 0.3 to 11.0 km/day) for tagged lamprey released above Winchester Dam. During winter, 71% of the lamprey remained in the same location where they initiated holding. Multiple regression analysis indicated that the total upstream distance traveled by individual lamprey was most strongly related to presence/absence of Winchester Dam, relative tag size, and water temperature and photoperiod conditions at release. The presence of Winchester Dam, large relative tag size, and high water temperature / short photoperiod conditions at release significantly reduced upstream migration distance. / Graduation date: 2012

Transcription factors of the helix-loop-helix (HLH) gene family are widespread in the animal kingdom. Among them, members of HLH subfamilies such as ASCL, Neurogenin, NeuroD, COE, Atonal, Oligo, NSCL, Hairy/E(spl) and Hey (here referred to as neural HLH genes) have been shown to be fundamental for the development of the nervous system. They are expressed at different time periods of neuronal differentiation, from the specification of ectoderm towards a neural lineage, to the ultimate differentiation of neurons. Few HLH genes have been identified in the lamprey; however, considering the wide diversity of HLH gene subfamilies in metazoans, including vertebrates, it is very likely that lampreys possess a large repertoire of HLH genes in their genome. In the present study, the identification of several HLH genes in the lamprey genome, as well as the isolation and expression of different lamprey neural HLH genes is reported. As expected, a wide repertoire of HLH genes was identified in the sea lamprey (Petromyzon marinus) genome. On the other hand, the identification and expression analysis of different neural HLH genes of the ASCL, Neurogenin, COE and Hairy/E(spl) in the brook lamprey Lampetra planeri showed an overall conservation with other vertebrates, both at the sequence and expression pattern levels. In addition, novel features of the lamprey nervous system are revealed, such as the identification of possible new sensory cranial placodes in pharyngeal arches. Furthermore, these genes can serve as molecular markers for different cranial placodes and dorsal root ganglia (DRG), and their expression also highlights the presence of a ventricular zone in the brain and spinal cord, along with a complementary marginal zone. Finally, with the use of a Notch pathway inhibitor in developing L. planeri embryos, the regulation of expression of the isolated genes by the Notch signaling pathway was shown to be generally conserved between lampreys and gnathostomes in the spinal cord. This functional study also revealed that the lamprey spinal cord likely presents an independent developmental programme from the brain. All together, the present study shows that the analysis of neural HLH genes represents an excellent tool to understand the lamprey nervous system.

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

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

Les informations olfactives sont connues pour leur capacité à induire des comportements moteurs spécifiques. En dépit de nombreuses observations comportementales chez les vertébrés, on ne connaît toujours pas les mécanismes et les voies nerveuses qui sous-tendent ces phénomènes de transformation olfacto-locomotrices. Chez la lamproie, des travaux récents ont permis de décrire cette voie, et les mécanismes responsables de la transformation des entrées olfactives en activité locomotrice (Derjean et al., 2010). Cette voie prend origine dans la partie médiane du bulbe olfactif, et envoie des projections vers le tubercule postérieur, une région qui se trouve dans le diencéphale. De là, les neurones projettent directement vers la Région Locomotrice Mésencéphalique, connue pour envoyer des connexions vers les neurones réticulospinaux, et activer la locomotion. L’objectif de cette étude était d’établir si l’ensemble des neurones réticulospinaux répond aux stimulations olfactives. Pour ce faire, nous avons utilisé sur une préparation de cerveau isolé de lamproie des techniques d’électrophysiologie et d’imagerie calcique. La stimulation électrique des nerfs olfactifs, de la région médiane du bulbe olfactif ou du tubercule postérieur a provoqué une activation de toutes les cellules réticulospinales qui se retrouvent dans les quatre noyaux réticulaires (ARRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Antérieur; MRN : Noyau Réticulaire Mésencéphalique; MRRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Moyen; PRRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Postérieur). Seule la partie médiane du bulbe olfactif est impliquée dans le passage de l’information olfactive vers les neurones réticulospinaux. Nous avons aussi découvert que le blocage des récepteurs GABAergiques dans la partie médiane du bulbe olfactif augmentait les réponses olfactives de façon considérable dans les cellules réticulospinales. Nous avons montré ainsi qu’il existe un tonus inhibiteur impliqué dans la dépression modulatrice de la voie olfacto-locomotrice. Ce travail a permis de montrer que la stimulation des afférences sensorielles olfactives active simultanément l’ensemble des populations de neurones réticulospinaux qui commandent la locomotion. De plus, il existerait un tonus inhibiteur GABAergique, au niveau de la partie médiane du bulbe olfactif, responsable d’une dépression modulatrice dans la voie olfacto-locomotrice. / Olfactory inputs are known for their ability to induce specific motor behaviors. Despite numerous behavioral observations in vertebrates, the mechanisms and the neural pathways underlying the olfactory-locomotor transformation are still unknown. In lamprey, recent studies have described this pathway and the mechanism underlying the transformation of olfactory input into a locomotor activity (Derjean et al., 2010). This pathway originates in the medial part of the olfactory bulb, sends projections to the posterior tuberculum, a diencephalic region. From there, the neurons project directly to the mesencephalic locomotor region that is known to send projections to the reticulospinal neurons to activate locomotion. Using lamprey brain preparation, electrophysiology and calcium imaging, the aim of this study was to establish whether all reticulospinal neurons respond to olfactory stimuli. Electrical stimulation of the olfactory nerves, the medial part of the olfactory bulb or the posterior tuberculum activates all reticulospinal cells in the four reticular nuclei (ARRN: Anterior rhombencephalic reticular nucleus; MRN: middle mesencephalic reticular nucleus; MRRN: middle rhombencephalic reticular nucleus; PRRN: posterior rhombencephalic reticular nucleus). The medial part of the olfactory bulb is the only region that is implicated in transmitting the olfactory information to reticulospinal neurons. We also discovered that when blocking the GABAergic receptors in the medial part of the olfactory bulb, the reticulospinal neurons have a stronger response to olfactory stimulation. Thus we showed that a tonic inhibition is involved in the modulating depression of the olfacto-locomotor pathway. Altogether, this work shows that stimulation of the olfactory sensory inputs activates simultaneously the entire population of reticulospinal neurons that control locomotion. In addition, there is a GABAergic tonic inhibition at the level of the medial part of the olfactory bulb that causes a modulating depression in the olfacto-locomotor pathway.

Les informations olfactives sont connues pour leur capacité à induire des comportements moteurs spécifiques. En dépit de nombreuses observations comportementales chez les vertébrés, on ne connaît toujours pas les mécanismes et les voies nerveuses qui sous-tendent ces phénomènes de transformation olfacto-locomotrices. Chez la lamproie, des travaux récents ont permis de décrire cette voie, et les mécanismes responsables de la transformation des entrées olfactives en activité locomotrice (Derjean et al., 2010). Cette voie prend origine dans la partie médiane du bulbe olfactif, et envoie des projections vers le tubercule postérieur, une région qui se trouve dans le diencéphale. De là, les neurones projettent directement vers la Région Locomotrice Mésencéphalique, connue pour envoyer des connexions vers les neurones réticulospinaux, et activer la locomotion. L’objectif de cette étude était d’établir si l’ensemble des neurones réticulospinaux répond aux stimulations olfactives. Pour ce faire, nous avons utilisé sur une préparation de cerveau isolé de lamproie des techniques d’électrophysiologie et d’imagerie calcique. La stimulation électrique des nerfs olfactifs, de la région médiane du bulbe olfactif ou du tubercule postérieur a provoqué une activation de toutes les cellules réticulospinales qui se retrouvent dans les quatre noyaux réticulaires (ARRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Antérieur; MRN : Noyau Réticulaire Mésencéphalique; MRRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Moyen; PRRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Postérieur). Seule la partie médiane du bulbe olfactif est impliquée dans le passage de l’information olfactive vers les neurones réticulospinaux. Nous avons aussi découvert que le blocage des récepteurs GABAergiques dans la partie médiane du bulbe olfactif augmentait les réponses olfactives de façon considérable dans les cellules réticulospinales. Nous avons montré ainsi qu’il existe un tonus inhibiteur impliqué dans la dépression modulatrice de la voie olfacto-locomotrice. Ce travail a permis de montrer que la stimulation des afférences sensorielles olfactives active simultanément l’ensemble des populations de neurones réticulospinaux qui commandent la locomotion. De plus, il existerait un tonus inhibiteur GABAergique, au niveau de la partie médiane du bulbe olfactif, responsable d’une dépression modulatrice dans la voie olfacto-locomotrice. / Olfactory inputs are known for their ability to induce specific motor behaviors. Despite numerous behavioral observations in vertebrates, the mechanisms and the neural pathways underlying the olfactory-locomotor transformation are still unknown. In lamprey, recent studies have described this pathway and the mechanism underlying the transformation of olfactory input into a locomotor activity (Derjean et al., 2010). This pathway originates in the medial part of the olfactory bulb, sends projections to the posterior tuberculum, a diencephalic region. From there, the neurons project directly to the mesencephalic locomotor region that is known to send projections to the reticulospinal neurons to activate locomotion. Using lamprey brain preparation, electrophysiology and calcium imaging, the aim of this study was to establish whether all reticulospinal neurons respond to olfactory stimuli. Electrical stimulation of the olfactory nerves, the medial part of the olfactory bulb or the posterior tuberculum activates all reticulospinal cells in the four reticular nuclei (ARRN: Anterior rhombencephalic reticular nucleus; MRN: middle mesencephalic reticular nucleus; MRRN: middle rhombencephalic reticular nucleus; PRRN: posterior rhombencephalic reticular nucleus). The medial part of the olfactory bulb is the only region that is implicated in transmitting the olfactory information to reticulospinal neurons. We also discovered that when blocking the GABAergic receptors in the medial part of the olfactory bulb, the reticulospinal neurons have a stronger response to olfactory stimulation. Thus we showed that a tonic inhibition is involved in the modulating depression of the olfacto-locomotor pathway. Altogether, this work shows that stimulation of the olfactory sensory inputs activates simultaneously the entire population of reticulospinal neurons that control locomotion. In addition, there is a GABAergic tonic inhibition at the level of the medial part of the olfactory bulb that causes a modulating depression in the olfacto-locomotor pathway.

Chez diverses espèces animales, les informations sensorielles peuvent déclencher la locomotion. Ceci nécessite l’intégration des informations sensorielles par le système nerveux central. Chez la lamproie, les réseaux locomoteurs spinaux sont activés et contrôlés par les cellules réticulospinales (RS), système descendant le plus important. Ces cellules reçoivent des informations variées provenant notamment de la périphérie. Une fois activées par une brève stimulation cutanée d’intensité suffisante, les cellules RS produisent des dépolarisations soutenues de durées variées impliquant des propriétés intrinsèques calcium-dépendantes et associées à l’induction de la nage de fuite. Au cours de ce doctorat, nous avons voulu savoir si les afférences synaptiques ont une influence sur la durée des dépolarisations soutenues et si l’ensemble des cellules RS partagent des propriétés d’intégration similaires, impliquant possiblement les réserves de calcium internes. Dans un premier temps, nous montrons pour la première fois qu’en plus de dépendre des propriétés intrinsèques des cellules réticulospinales, les dépolarisations soutenues dépendent des afférences excitatrices glutamatergiques, incluant les afférences spinales, pour perdurer pendant de longues périodes de temps. Les afférences cutanées ne participent pas au maintien des dépolarisations soutenues et les afférences inhibitrices glycinergique et GABAergiques ne sont pas suffisantes pour les arrêter. Dans un deuxième temps, nous montrons que suite à une stimulation cutanée, l’ensemble des cellules RS localisées dans les quatre noyaux réticulés possèdent un patron d’activation similaire et elles peuvent toutes produire des dépolarisations soutenues dont le maintien ne dépend pas des réserves de calcium internes. Enfin, les résultats obtenus durant ce doctorat ont permis de mieux comprendre les mécanismes cellulaires par lesquels l’ensemble des cellules RS intègrent une brève information sensorielle et la transforment en une réponse soutenue associée à une commande motrice. / In various animal species, sensory information can initiate locomotion. This relies on the integration of sensory inputs by the central nervous system. In lampreys, the spinal locomotor networks are activated and controlled by the reticulospinal cells (RS) which constitute the main descending system. In turn, RS cells receive information coming from various synaptic inputs such as the sensory afferents. Once activated by a brief cutaneous stimulation of sufficient strength, RS cells display sustained depolarizations of various durations that rely on calcium-dependant intrinsic properties and lead to the onset of escape swimming. During the course of this Ph.D, we aimed at determining whether synaptic inputs can modulate the duration of the sustained depolarizations and if the different populations of RS cells share the same integrative properties, possibly involving the internal calcium stores. First, our results show for the first time that excitatory glutamatergic inputs, including ascending spinal feedback, contribute to prolong the sustained depolarizations for long periods of time. Cutaneous inputs do not contribute to maintain the sustained depolarizations and inhibitory glycinergic and GABAergic inputs are not sufficient to stop them. Second, we show that in response to cutaneous stimulation, the RS located in the four reticular nuclei display a similar activation pattern and can all produce sustained depolarizations which do not depend on internal calcium release to be maintained. Finally, the results obtained during this Ph.D allowed us to better understand the cellular mechanisms by which the RS cells integrate and transform a brief sensory information into a sustained response associated with a motor command.

Chez diverses espèces animales, les informations sensorielles peuvent déclencher la locomotion. Ceci nécessite l’intégration des informations sensorielles par le système nerveux central. Chez la lamproie, les réseaux locomoteurs spinaux sont activés et contrôlés par les cellules réticulospinales (RS), système descendant le plus important. Ces cellules reçoivent des informations variées provenant notamment de la périphérie. Une fois activées par une brève stimulation cutanée d’intensité suffisante, les cellules RS produisent des dépolarisations soutenues de durées variées impliquant des propriétés intrinsèques calcium-dépendantes et associées à l’induction de la nage de fuite. Au cours de ce doctorat, nous avons voulu savoir si les afférences synaptiques ont une influence sur la durée des dépolarisations soutenues et si l’ensemble des cellules RS partagent des propriétés d’intégration similaires, impliquant possiblement les réserves de calcium internes. Dans un premier temps, nous montrons pour la première fois qu’en plus de dépendre des propriétés intrinsèques des cellules réticulospinales, les dépolarisations soutenues dépendent des afférences excitatrices glutamatergiques, incluant les afférences spinales, pour perdurer pendant de longues périodes de temps. Les afférences cutanées ne participent pas au maintien des dépolarisations soutenues et les afférences inhibitrices glycinergique et GABAergiques ne sont pas suffisantes pour les arrêter. Dans un deuxième temps, nous montrons que suite à une stimulation cutanée, l’ensemble des cellules RS localisées dans les quatre noyaux réticulés possèdent un patron d’activation similaire et elles peuvent toutes produire des dépolarisations soutenues dont le maintien ne dépend pas des réserves de calcium internes. Enfin, les résultats obtenus durant ce doctorat ont permis de mieux comprendre les mécanismes cellulaires par lesquels l’ensemble des cellules RS intègrent une brève information sensorielle et la transforment en une réponse soutenue associée à une commande motrice. / In various animal species, sensory information can initiate locomotion. This relies on the integration of sensory inputs by the central nervous system. In lampreys, the spinal locomotor networks are activated and controlled by the reticulospinal cells (RS) which constitute the main descending system. In turn, RS cells receive information coming from various synaptic inputs such as the sensory afferents. Once activated by a brief cutaneous stimulation of sufficient strength, RS cells display sustained depolarizations of various durations that rely on calcium-dependant intrinsic properties and lead to the onset of escape swimming. During the course of this Ph.D, we aimed at determining whether synaptic inputs can modulate the duration of the sustained depolarizations and if the different populations of RS cells share the same integrative properties, possibly involving the internal calcium stores. First, our results show for the first time that excitatory glutamatergic inputs, including ascending spinal feedback, contribute to prolong the sustained depolarizations for long periods of time. Cutaneous inputs do not contribute to maintain the sustained depolarizations and inhibitory glycinergic and GABAergic inputs are not sufficient to stop them. Second, we show that in response to cutaneous stimulation, the RS located in the four reticular nuclei display a similar activation pattern and can all produce sustained depolarizations which do not depend on internal calcium release to be maintained. Finally, the results obtained during this Ph.D allowed us to better understand the cellular mechanisms by which the RS cells integrate and transform a brief sensory information into a sustained response associated with a motor command.