Les vertébrés font partie des animaux à symétrie bilatérale mais celle-ci n'est pas parfaite et de nombreuses asymétries sont visibles entre les côtés gauche et droit, notamment au niveau du système nerveux. L'épithalamus s'est imposé comme le modèle de référence pour l'étude des mécanismes de latéralisation du cerveau. Cette structure dérivée du diencéphale dorsal se compose de deux noyaux bilatéraux, les habénulæ et du complexe pinéal, qui regroupe les glandes pinéale et parapinéale. Les habénulæ présentent des asymétries plus ou moins marquées chez tous les grands groupes de vertébrés. La parapinéale est également asymétrique mais elle est absente dans de nombreux taxa. Chez le poisson zèbre, espèce modèle de référence pour l'étude des mécanismes de formation des asymétries épithalamiques, une migration latéralisée de la parapinéale est nécessaire à l'élaboration des asymétries habénulaires. Les mécanismes génétiques sous-jacents ont également été en partie décryptés. La première asymétrie visible dans le diencéphale dorsal correspond à une activité de la voie de signalisation Nodal à gauche. Si cette voie Nodal est essentielle pour induire une asymétrie neurogénétique précoce, elle ne l'est pas pour la formation des asymétries épithalamiques définitives. Son rôle se restreint à biaiser la directionnalité des asymétries en influençant la migration de la parapinéale. Les asymétries habénulaires sont induites par la position finale de la parapinéale. La conservation à l'échelle des vertébrés des mécanismes décrits chez le poisson-zèbre reste une question ouverte. Au cours de ce travail de thèse, j’ai cherché à comprendre l’évolution de ces mécanismes en étudiant un chondrichtyen, la roussette Scyliorhinus canicula et des cyclostomes, les lamproies Petromyzon marinus et Lampetra planeri. Leur position phylogénétique ainsi que les asymétries majeures en taille observées entre les habénulæ gauche et droite font de ces espèces de bons modèles pour comprendre leur origine chez les vertébrés. Mes travaux conduisent à trois conclusions principales :(1) on retrouve, comme chez le poisson zèbre, une expression asymétrique de la voie Nodal dans le diencéphale dorsal gauche de la lamproie et de la roussette; la directionnalité de cette asymétrie est conservée entre les trois espèces, ce qui permet d’exclure une inversion de latéralité précédemment proposée chez la lamproie sur la base d’arguments de taille relative des habénulæ(2) La voie Nodal est essentielle à la formation des asymétries habénulaires chez la roussette et la lamproie, ce qui suggère un rôle ancestral dans l’élaboration des asymétries épithalamiques.(3) une analyse détaillée des patrons de prolifération-différenciation des habénulæ au cours du développement de la roussette met en évidence des asymétries moléculaires et cellulaires multiples ; elle démontre en particulier l’existence d’une neurogenèse asymétrique qui débute plus précocement à gauche. Ces travaux donnent un éclairage nouveau sur l’origine et la diversification des mécanismes contrôlant la formation des asymétries cérébrales chez les vertébrés. L’étude de la roussette et la lamproie, deux organismes modèles non conventionnels, ouvrent de nouvelles perspectives pour leur compréhension. / Vertebrates are part of the bilaterally symmetric animals but this one is not perfect and numerous asymmetries can be seen between the left and right sides, especially in the nervous system. The epithalamus has proven itself to be the model system for brain lateralization mechanisms’ studies. This structure derived from the dorsal diencephalon contains by the bilaterally paired habenular nuclei and the pineal complex, which includes the pineal gland and parapineal organ. The habenulae exhibit more or less marked left-right asymmetries among most of the major vertebrate taxa. The parapineal is also asymmetrical but it is absent in many taxa. Zebrafish is the model system for the studies of the developmental mechanisms of epithalamic asymmetries. In this species, a lateralized parapineal migration is required for the establishment of habenular asymmetries. The underlying genetic mechanisms have also been partially decrypted. The first conspicuous asymmetry in the dorsal diencephalon corresponds to a left-sided expression of components of the Nodal signalling pathway. This asymmetric Nodal signalling activity is essential to induce an early neurogenetic asymmetry but not necessary the formation of epithalamic asymmetries per se. Its role is restricted to provide a bias to the parapineal organ’s lateralized migration, and thus influence the laterality of epithalamic asymmetries. Indeed, habenular asymmetries are induced by the final position of the parapineal organ. Conservation of these mechanisms described in zebrafish across vertebrates remains an open question. During this thesis, I tried to understand the evolution of these mechanisms by studying a Chondrichthyes, the catshark Scyliorhinus canicula and cyclostomes, the lampreys Petromyzon marinus and Lampetra planeri. Their phylogenetic position and the major asymmetries in size observed between their left and right habenulae make these species good model systems to understand the origin of these mechanisms in vertebrates. My work leads to three main conclusions:(1) As in zebrafish, we have found an asymmetric expression of the components of the Nodal signalling pathway in the left dorsal diencephalon of the catshark and the lamprey. The laterality of the asymmetry is conserved between these three species, which allows us to exclude a reversed laterality in lampreys like it was proposed on the basis of arguments related to the size of habenular nuclei.(2) The Nodal signalling pathway is requied for the establishment of habenular asymmetries in the catshark and lamprey thus suggesting an ancestral role in the development of epithalamic asymmetries.(3) A detailed analysis of proliferation-differentiation patterns in the catshark habenulae during their development highlighted multiple cellular and molecular asymmetries. In particular it showed the existence of an earlier left-sided asymmetric neurogenesis.These studies provide new insights about the origin and diversification of the mechanisms controlling the establishment of vertebrates’ brain asymmetries. The study of the lamprey and the dogfish, two unconventional model systems open new perspectives for their understanding.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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La lamproie devient un modèle de plus en plus populaire en biologie du développement et de l'évolution (evo-devo), grâce à sa position phylogénétique particulière. Ce modèle a d'ores et déjà fourni des informations importantes sur les caractéristiques ancestrales des craniates, mais également sur l'apparition de nouveautés au moment de la transition agnathe/gnathostome (Kuratani et al., 2002).<br />Dans ce travail, nous avons étudié les mécanismes de spécification et d'organisation génétique du cerveau chez l'embryon de lamproie. En utilisant les techniques de clonage par RT-PCR et d'hybridation in situ, nous avons isolé et étudié le patrons d'expression de gènes des familles LIM-à-homéoboîte (Lhx), Pax et Hedgehog. Les résultats principaux sont les suivants : (1) les gènes Lhx et Pax révèlent un grand degré de conservation des mécanismes de " patterning " des parties antérieure et postérieure du cerveau entre cyclostomes et gnathostomes ; néanmoins, quelques différences importantes ont été observées, particulièrement au niveau du télencéphale ; ces différences sont probablement corrélées avec les changements majeurs subis par cette région au moment de la transition agnathe/gnathostome ; (2) l'analyse de l'expression des gènes Lhx et son interprétation montrent que le cerveau antérieur de lamproie présente une organisation prosomérique évidente ; cette organisation est ainsi un caractère propre aux vertébrés ; (3) l'analyse de l'expression du gène LfHh met en évidence une possible origine moléculaire de cette organisation neuromérique du cerveau (Osorio et al., 2005) ; (4) en outre, l'expression d'au moins un de ces gènes Lhx persiste tout au long de la période larvaire (non-embryonnaire), ce qui montre l'utilité de ces gènes comme marqueurs pour suivre le développement et la morphogenèse du cerveau au cours du temps (Osorio et al., 2006). <br />Ce type d'organisation pseudosegmentaire du cerveau est limité aux gnathostomes : chez l'amphioxus et les ascidies, où l'expression de Hh est absente de la région la plus rostrale du tube neural, on n'observe pas de neuromères. Il est important de noter que Hh n'est pas exprimé dans le télencéphale ventral embryonnaire de lamproie, et que Nkx2.1, un marqueur de la subdivision pallidale du sous-pallium des gnathostomes, n'est pas non plus exprimé à ce niveau (Ogasawara et al., 2001; Osorio et al., 2005; Uchida et al., 2003). Cette différence suggère que des modifications dans la signalisation Hh de la ligne médiane ventrale peuvent avoir été des moteurs de l'évolution du cerveau antérieur. <br />Nous avons cherché à étudier l'origine de ces différences à la lumière de l'évolution moléculaire de la famille multigénique Hedgehog. Il est probable que l'ancêtre des chordés ait possédé un gène Hh unique. L'amphioxus (céphalocordé) présente un seul gène Hh, alors qu'il y en a deux chez les ascidies (urochordés), probablement issus d'une duplication spécifique dans cette lignée. Il y a trois groupes de gènes Hedgehog chez les gnathostomes : Sonic, Indian et Desert.<br />Nous avons criblé une librairie d'ADN génomique de L. fluviatilis, visant à identifier des cosmides contenant le gène Hh. Les résultats mettent en évidence l'existence de deux gènes Hedgehog chez la lamproie. Une analyse phylogénétique préliminaire suggère une duplication indépendante des gènes Hedgehog dans la lignée de la lamproie, au sein du groupe Sonic/Indian. Ces résultats ouvrent une nouvelle vision sur l'évolution de cette famille de gènes chez les chordés.<br />Enfin, dans le but d'étudier le rôle des modifications de l'organisation génique et du contrôle de l'expression des gènes au cours de l'évolution du cerveau chez les chordés, nous avons également isolé le gène Lhx9 de roussette (Scyliorhinus canicula) à partir d'une librairie d'ADN génomique de cette espèce.

La détection de molécules chimiques par l'odorat est importante pour guider le comportement des animaux. Chez la lamproie marine, Petromyzon marinus, l'olfaction est vitale pour plusieurs fonctions telles que l’alimentation, l’évitement des prédateurs et la reproduction. Les différents comportements olfactifs de la lamproie sont les mieux caractérisés parmi tous les vertébrés aquatiques et ils font l’objet du premier chapitre de l’introduction. Les circuits du cerveau responsables des mouvements produits lors de la détection de stimuli olfactifs ont été examinés chez la lamproie. Des études récentes révèlent qu’il existe deux organes olfactifs périphériques ayant des projections parallèles qui innervent des parties distinctes du bulbe olfactif (BO). Dans les deux cas, le signal olfactif atteint éventuellement les cellules réticulospinales (RS), qui activent les réseaux locomoteurs spinaux. La littérature portant sur ces circuits neuronaux est décrite dans le deuxième chapitre introductif. Le substrat neuronal par lequel le signal olfactif est transmis aux cellules RS n'est pas complètement caractérisé mais des données du laboratoire Dubuc suggèrent que le tubercule postérieur (TP) serait une cible importante des projections du BO. Puisque cette région contient des neurones dopaminergiques (DA) impliqués dans le contrôle moteur, l’objectif principal de cette thèse était de déterminer leur rôle dans le traitement du signal olfactif et la production de locomotion. Nos résultats ont permis de caractériser l'innervation DA du BO de la lamproie et d’observer que les neurones DA du TP projettent à la partie médiane du BO chez les animaux de stade larvaire et adulte. De plus, l’activation de récepteurs D2 dans cette région diminue la transmission du signal olfactif aux cellules RS. Dans le reste du BO, des neurones DA apparaissent au stade adulte. Ces observations sont rapportées dans le premier chapitre des résultats. Puisque les neurones DA du TP peuvent moduler la transmission olfactomotrice au niveau du BO, ils pourraient aussi jouer un rôle via leurs projections connues vers le tronc cérébral. Le deuxième chapitre des résultats se penche donc sur l’implication du TP dans le relai de l’information olfactive au système moteur. L’étude des projections du BO montre que les neurones DA sont ciblés, incluant ceux qui projettent à la région locomotrice mésencéphalique (RLM), responsable de l’initiation et du contrôle de la locomotion. Aussi, la stimulation olfactive active des neurones du TP qui projettent à la RLM. Dans une préparation dont la tête est fixée mais le corps peut se déplacer, la stimulation olfactive induit de la nage en recrutant simultanément le TP et les cellules RS. Nous montrons aussi que le TP est recruté durant la nage survenant spontanément, ce qui indique que cette région joue un rôle important dans le contrôle locomoteur. Cette thèse révèle que les neurones DA du TP peuvent 1) être activés par la détection d’odeurs et ensuite 2) moduler la transmission au niveau du BO ainsi que 3) recruter la RLM pour produire un épisode de nage. Ces données suggèrent qu’ils occupent une position-clé dans l’intégration sensorimotrice des stimuli olfactifs puisqu’ils encodent à la fois de l’information sensorielle et motrice. / The detection of chemical molecules by smell is important in guiding the behavior of animals. In the sea lamprey, Petromyzon marinus, olfaction is vital for several functions such as feeding, predator avoidance and reproduction. The various olfactory behaviors of the lamprey are the best characterized among all aquatic vertebrates and they were reviewed in the first chapter of the introduction. The brain circuitry responsible for producing movement upon sensing olfactory stimuli has been examined in lamprey. Recent studies revealed that there are two peripheral olfactory epithelia with parallel projections that reach distinct parts of the olfactory bulb (OB). In both cases, the olfactory signal eventually reaches reticulospinal (RS) cells, which activate the locomotor networks of the spinal cord. The literature describing these neural circuits is thoroughly reviewed in the second chapter of the introduction. The neuronal substrate by which the olfactory signal is transmitted to RS cells is not fully characterized, but data from the Dubuc laboratory suggest that the posterior tubercle (PT) may be an important target for OB projections. Since this region contains dopaminergic (DA) neurons involved in motor control, the main objective of this thesis was to determine their role in olfactory signal processing and the production of locomotion. Our results have allowed to characterize the DA innervation of the lamprey OB and show that DA neurons of the PT send projections to the medial part of the OB in larval and adult animals. In addition, the activation of D2 receptors in this region decreases the transmission of the olfactory signal to RS cells. In the rest of the OB, DA neurons appear in adult animals. These observations are reported in the first chapter of the Results. Since DA neurons of the PT can modulate olfactory-motor transmission at the level of the OB, they could also play a role through existing descending projections to the brainstem. Thus, in the second chapter of the Results, we studied the involvement of the PT in the relay of olfactory information to the motor system. The analysis of OB projections shows that DA neurons are targeted, including those that project to the mesencephalic locomotor region (MLR), which is responsible for initiating and controlling locomotion. Moreover, olfactory stimulation activates PT neurons that project to the MLR. In a head-fixed preparation in which the body moves, olfactory stimulation induces swimming simultaneously with PT and RS cell activity. We also show that the PT is recruited during spontaneously occurring swimming, which indicates that this region plays an important role in locomotor control. This thesis reveals that DA neurons in the PT can 1) be activated following odorant detection and then 2) modulate the transmission at the level of the OB as well as 3) recruit the MLR to produce a swimming episode. These data suggest that they occupy a key position in the sensorimotor integration of olfactory stimuli since they encode both sensory and motor information.

Les mécanismes neuronaux contrôlant la respiration sont présentement explorés à l’aide de plusieurs modèles animaux incluant le rat et la grenouille. Nous avons utilisé la lamproie comme modèle animal nous permettant de caractériser les réseaux de neurones du tronc cérébral qui génèrent et modulent le rythme respiratoire. Nous avons d’abord caractérisé une nouvelle population de neurones, dans le groupe respiratoire paratrigéminal (pTRG), une région du tronc cérébral essentielle à la genèse du rythme respiratoire chez la lamproie. Les neurones de cette région sont actifs en phase avec le rythme respiratoire. Nous avons montré que ces neurones possèdent une arborisation axonale complexe, incluant des projections bilatérales vers les groupes de motoneurones du tronc cérébral qui activent les branchies ainsi que des connexions reliant les pTRG de chaque côté du tronc cérébral. Ces résultats montrent que le pTRG contient un groupe de cellules qui active les motoneurones respiratoires des deux côtés et qui pourrait être impliqué dans la synchronisation bilatérale du rythme respiratoire. Nous avons ensuite étudié les mécanismes neuronaux par lesquels le rythme respiratoire est augmenté en lien avec l’effort physique. Nous avons montré que la région locomotrice du mésencéphale (MLR), en plus de son rôle dans la locomotion, active les centres respiratoires pendant la nage, et même en anticipation. Les neurones de la MLR projetant vers les centres locomoteurs et respiratoires sont ségrégés anatomiquement, les neurones localisés plus dorsalement étant ceux qui possèdent des projections vers les centres respiratoires. Nous avons aboli la contribution de la partie dorsale de la MLR aux changements respiratoires en injectant des bloqueurs des récepteurs glutamatergiques localement, sur des préparations semi-intactes. Nous avons montré que lors d’épisodes de nage, une majeure partie de l’effet respiratoire est abolie par ces injections, suggérant un rôle prépondérant des neurones de cette région dans l’augmentation respiratoire pendant la locomotion. Nos résultats confirment que le rythme respiratoire est généré par une région rostrolatérale du pons de la lamproie et montrent que des connexions des centres locomoteurs arrivent directement à cette région et pourraient être impliquées dans l’augmentation respiratoire reliée à l’effort physique. / The neural control of breathing is currently investigated on multiple animal models such as frogs and rats. We have used the lamprey as an experimental model to characterize the brainstem neural networks involved in the genesis and modulation of the respiratory rhythm. We have first characterized a new population of respiratory neurons in the paratrigeminal respiratory group (pTRG). The pTRG is a region that was shown to be essential to respiratory rhythmogenesis in lampreys. We have shown that the pTRG contains a group of neurons with complex axonal arborisations, including bilateral projections to the motoneuron pools of the brainstem that activate gills, as well as bilateral projections connecting the pTRGs on the two sides of the brainstem. These results suggest that pTRG neurons could participate in the descending control of respiratory motoneurons as well as the bilateral synchrony of the respiratory rhythm. We have then studied the neural mechanisms by which respiration is increased during locomotion. We have shown that the mesencephalic locomotor region (MLR), in addition to its role in controlling locomotion, also increases breathing during locomotion. Neurons in the MLR are anatomically segregated, those projecting to the respiratory centers being located more dorsally. We have abolished the contribution of the dorsal part of the MLR to respiratory changes by injecting glutamate receptor blockers locally in semi-intact preparations. We have shown that during swimming episodes, a major part of the respiratory effect is dependent on the dorsal part of the MLR. Our results confirm that the respiratory rhythm is generated by a rostrolateral region in the pons of lampreys and show that connections from locomotor centers can directly activate this region. These connections could be implicated in the increase of breathing activity related to locomotion.

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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.