Comprendre comment le cerveau traite l’information est l’une des questions les plus intrigantes auxquelles les neurosciences modernes sont confrontées. L’étude actuelle vise à caractériser comment l’hypothalamus latéral (HL) traite l’information vers des cibles cérébrales en aval afin de guider des réponses comportementales appropriées. L’HL est une zone du cerveau qui régule des comportements vitaux tels que les fonctions autonomes et endocriniennes, l’équilibre homéostatique, la régulation du métabolisme et les cycles veille-sommeil. De plus, des études récentes soulignent son importance dans le traitement de l’aversion et de la récompense. L’HL envoie des projections neurales à de nombreux noyaux cérébraux connus pour traiter des signaux qui jouent un rôle important pour guider et orchestrer des réponses comportementales appropriées. Des expériences visant a déterminer les connections afferentes et efférentesde l’HL ont démontré que trois noyaux cérébraux importants reçoivent des projections importantes de l’HL. Il s’agit de l’habenula latéral (HbL), de l’aire tegmentale ventrale (ATV) et du noyau raphe dorsal (NRD). L’HbL est le principal centre de déception du cerveau : son activité augmente spécifiquement lorsqu’un animal est soumis à des stimuli aversifs ou en l’absence de récompenses attendues, jouant un rôle important dans la signalisation d’une erreur de prédiction de punition. L’ATV dopaminergique est le principal centre de récompense du cerveau. Il joue un rôle important dans l’encodage de la valeur des récompenses, l’apprentissage du renforcement et la motivation. Le NRD est le principal centre de sérotonine jouant un rôle important dans le traitement des émotions et les réponses adaptatives. Pour examiner spécifiquement la contribution des sorties neuronales de l’HL chez les souris en mouvement libre, nous avons utilisé une technique d’imagerie avancée du calcium – système de photométrie à fibres. La photométrie à fibres est une approche puissante qui combine des indicateurs de calcium codés génétiquement et des fibres optiques multimodes pour monitorer l’activité neuronale chez les animaux en mouvement libre, ce qui est essentiel pour comprendre comment des groupes spécifiques de neurones sont impliqués dans le contrôle ou la réponse à une action ou à un stimulus. Dans le premier chapitre, je présente un protocole qui a été développé pour une détection fiable des signaux de calcium à l’aide d’un système de photométrie multifibre. Le protocole détaille les composantes d’un système de photométrie multifibres, la méthode pour accéder aux structures profondes du cerveau pour délivrer et collecter la lumière, et une méthode pour prendre en compte les artefacts de mouvement avant et pendant les enregistrements. En outre,je présente un algorithme de traitement des signaux enregistrés qui tient compte des sources communes d’artefacts qui sont inévitables pendant les enregistrements. Dans le deuxième chapitre, je présente les résultats de l’étude du rôle fonctionnel de trois sorties neurales de l’HL vers le NRD, l’ATV et l’HbL. En utilisant le protocole décrit dans le premier chapitre, l’activité dans les voies HL→NRD, HL→ ATV et HL→HbL a été simultanément enregistrée lors de réponses comportamentales dans des contextes d’aversion et de récompense. Nous avons constaté que l’activité à ces trois sorties neurales de l’HL augmentait avec des stimuli et des signaux prédictifs de stimuli aversifs. L’activité neuronale augmente également lors des réponses comportementales motivées spontanées et diminue lors de l’immobilité comportementale. L’activation optogénétique indépendante des terminaisons axonales de l’HL au niveau de l’HbL, l’ATV ou le NRD était suffisante pour augmenter la mobilité, mais a eu des effets différents dans d’autres tests comportementaux. Dans l’ensemble, nous proposons que l’HL envoie des signaux complémentaires aux cibles en aval pour traiter les informations engagées pour promouvoir des comportements motivés. En annexe, je présente un ensemble d’analyse de données python qui a été développé pour traiter tous les enregistrements de photométrie à fibre optique présentés dans l’étude actuelle. Cet ensemble permet de combiner, de stocker et d’analyser les enregistrements de plusieurs souris, essais et différentes expériences avec diverses mesures, événements comportementaux et stimuli de manière standardisée. / Understanding how brain processes information is the one of the most intriguing questions that modern neuroscience faces. The current study aims to characterize how the lateral hypothalamus (LH) processes information to downstream brain targets to guide proper behavioral responses. The LH is a brain area that regulates vital behaviors such as autonomic and endocrine functions, homeostatic balance, regulation of metabolism, and sleep-wake cycles. Moreover, recent studies point out its importance in aversive and appetitive processing. The LH sends neural projections to many brain nuclei known to process signals that play important roles to guide and orchestrate proper behavior responses. Tracing experiments demonstrated that three important brain nuclei receive significant inputs from the LH, the lateral habenula (LHb), the ventral tegmental area (VTA), and the dorsal raphe nucleus (DRN). The LHb is the main disappointment center of the brain: its activity specifically increases when an animalis presented an aversive stimuli or in the absence of expected rewards, playing an important role in signaling punishment prediction error. The dopaminergic VTA is the main brain reward center. It plays important roles in reward-value encoding, reinforcement learning and motivation. The DRN is the main serotonin center playing and important role in emotion processing and adaptive responses. To specifically examine the contribution of LH neural outputs in freely moving mice, we used an advanced calcium imaging technique – fiber photometry system. Fiber photometry is a powerful approach that combines genetically encoded calcium indicators and multimode optical fibers to monitor neuronal activity in freely moving animals, which is critical to understand how specific groups of neurons play in directing or responding to an action or a stimulus. In the first chapter, I present a protocol that was developed for reliable detection of calcium signal using a camera-based multi-fiber photometry system. The protocol details the components of a multi-fiber photometry system, a method to access deep brain structures to deliverand collect light, and a method to account for motion artifacts before and during recordings. Additionally, I present an algorithm for processing of recorded signals that accounts common sources of artefacts that are inevitable during recordings. In the second chapter, I present results of the investigation of the functional role of three LH outputs to the DRN, VTA, and LHb. Using the protocol described in the first chapter, activity in the LH→DRN, LH→ VTA and LH→LHb pathways were simultaneously recorded during motivated responses in aversive and appetitive contexts. We found that these three LH neural outputs increased activity with aversive stimuli and cues predicting them. The neural activity also increased at onsets of spontaneous motivated behavior responses and decreased duringbehavioral immobility. Independent optogenetic activation of axon terminals in LHb, VTA,or DRN was sufficient to increase mobility, but had different effects in other behavioural tests. Altogether, we propose that LH sends complementary signals to the downstream targets to process information engaged in motivated behaviors. In the annex, I present a data analysis python package that was developed to process all fiber photometry recordings presented in the current study. The package allow to combine, store, and analyze recordings from multiple mice, trials, and different experiments with various measurements, behavioural events, and stimuli in a standardized way.

Développement racinaire du peuplier en réponse aux signaux fongiques lors de la mise en place de l'ectomycorhize Résumé français : L'interaction précoce entre les racines des arbres et les champignons ectomycorhiziens (CEM) est accompagnée d'une forte stimulation du développement de racines latérales (RLs) de la plante hôte. L'objectif de cette thèse est de décrypter les mécanismes moléculaires impliqués dans le développement des RLs de Populus tremula x Populus alba (espèce mycorhizienne) et d'Arabidopsis thaliana (espèce non-mycorhizienne) en réponse au champignon ectomycorhizien Laccaria bicolor. L'auxine étant considérée comme un élément clef de la régulation du développement des RLs, nous avons focalisé notre étude sur les protéines impliquées dans le transport et la signalisation de cette hormone. Nos résultats moléculaires (NimbleGen microarray, RT-PCR quantitative) illustrent que la présence du champignon altère le gradient auxinique dans les racines via une modification de l'expression de PtaPIN9 (AtPIN2), impliqué dans le transport polarisé de l'auxine. Des analyses de plantes mutantes ont suggéré que la stimulation des RLs lors du contact plante/champignon dépend de ce transporteur ainsi que de la signalisation auxinique dans les racines. Notre étude a été élargie à la recherche de molécules émises par le champignon qui interféraient avec les voies auxiniques de la plante. Nos résultats révèlent l'implication des voies de l'éthylène, des jasmonates, des brassinostéroides et des ROS (Reactive Oxygen Species) pendant l'interaction plante/champignon, suggérant une implication des voies de signalisation dépendantes des stress dans les étapes précoces de l'interaction. Nous proposons que Laccaria bicolor stimulerait le développement des RLs en modifiant la répartition et la signalisation de l'auxine endogène de la racine via les voies de signalisation du stress. / The early phase of the interaction between tree roots and ectomycorrhizal (ECM) fungi is accompanied by a stimulation of lateral root (LR) development. This thesis aims on understanding by which molecular mechanisms the interaction of plant and fungus induces LR stimulation. Therefore the ECM fungus L. bicolor in interaction with one of its mycorrhizal hosts, Populus tremula x Populus alba or with the non-mycorrhizal herbaceous model plant Arabidopsis thaliana was studied. We identified gene networks that regulate LR development during the early signal exchanges between Populus tremula x Populus alba and the ECM fungus Laccaria bicolor. We focussed on auxin transport and signalling pathways, as those are key actors regulating LR development. Experiments with poplar and Arabidopsis transgenic auxin response marker lines revealed that the presence of fungal signalling molecules modified auxin gradients in roots. Using microarray- and quantitative Real-time PCR based transcript profiling of poplar roots we uncovered the accumulation of transcripts of the polar auxin efflux carrier PtaPIN9 as well as of auxin responsive transcription factors. A. thaliana transgenics defective in these targets showed that they are crucial for fungus induced LR stimulation. Finally we identified an involvement of ethylene, jasmonates, brassinosteroids and ROS (Reactive Oxygen Species) signalling during fungal LR induction. These pathways are known to be activated upon stress responses in the plant and to interact with auxin pathways. Together these data show how ECM fungi stimulate LR development in plants by interfering with endogenous auxin-levels, -distribution and -signalling most probably through stress signalling pathways.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative qui cause la mort des neurones moteurs, induisant une paralysie progressive et menant à la mort quelques années après l'apparition des premiers symptômes. Comme dans toutes les maladies neurodégénératives, l'inflammation est une composante principale de la pathogénèse de la SLA. Une des cellules effectrices de cette inflammation, la cellule microgliale est le sujet central de cette thèse. Avec l'apparition des symptômes, la microglie passe d'un phénotype anti-inflammatoire et neuroprotecteur à un phénotype aberrant et neurotoxique. Il est nécessaire d'élucider les mécanismes cellulaires responsable du changement de phénotype et l'identification des facteurs maintenant ces phénotypes pour permettre le développement de thérapies efficaces ciblant l'inflammation. Ainsi dans cette thèse, nous tâchons d'identifier, en utilisant divers outils moléculaires et modèles animaux, la signature microgliale à différents stades de la SLA. Durant le stade présymptomatique, nous identifions, par l'étude du sécrétome microglial, la cytokine immunosuppressive interleukine-10 comme responsable du maintien du phénotype anti-inflammatoire. Cette cytokine est à la fois produite par les cellules microgliales et reconnue par celles-ci, grâce au récepteur IL-10R. Le blocage d'IL-10R a pour conséquence d'accélérer la progression de la maladie et de diminuer la survie dans un modèle murin. Aussi, l'augmentation de l'expression de cette cytokine à l'aide d'un vecteur viral mène à une diminution de la vitesse de la progression de la maladie et allonge la durée de vie chez ce même modèle murin. Dans le but de comprendre les mécanismes cellulaires impliqués dans le changement phénotypique de la microglie avec l'apparition des symptômes de la SLA, nous utilisons un système-modèle pour le profilage moléculaire spécifique à la microglie. Cet outil, EDTA TRAP, consiste en l'immunopurification des ribosomes microgliaux et l'identification subséquente des ARNm et des protéines séquestrés sur ces ribosomes. Il a été possible d'identifier une forte disparité dans la nature des ARNm et des protéines les plus régulés. Le profil transcriptomique de la microglie symptomatique dénote une fonction phagocytaire et possiblement neuroprotectrice pour la microglie alors que son profil protéomique est proliférateur et potentiellement neurotoxique. La disparité de ces deux profils s'explique par la répression de la traduction d'ARNm issus de gènes immunitaires par un mécanisme impliquant l'interaction de leur 3'UTR et de la protéine liant l'ARN SRSF3. La forme phosphorylée de cette protéine s'accumule spécifiquement du cytoplasme des cellules microgliales proportionnellement avec la progression de la maladie. La diminution de l'expression de SRSF3 à l'aide d'un oligonucléotide interférent rétablit la traduction des ARNm immunitaires et la fonction phagocytaire de la microglie associée à ces ARNm. Cela mène à une progression plus lente de la maladie et une plus longue survie dans un modèle murin. Ainsi, l'utilisation d'un oligonucléotide interférant contre SRSF3 pourrait être une nouvelle avenue thérapeutique dans le traitement de la SLA. La compréhension des divers mécanismes cellulaires impliquant la protéine SRSF3 est importante pour comprendre son dynamisme dans la SLA. SRSF3 est la plus petite protéine de la famille SR. Cette famille se distingue par leur structure soit un ou deux motifs de reconnaissance de l'ARN en N-terminus et un domaine riche en arginine et en sérine hautement phosphorylable en C-terminus. SRSF3 peut être phosphorylé dans le noyau par la kinase CLK1 ou dans le noyau et dans le cytoplasme par les kinases SRPK. SRSF3 est impliqué dans l'épissage, le transport nucléo-cytoplasmique et la traduction, entre autres. La dérégulation du niveau d'expression ou de la phosphorylation de SRSF3 peut drastiquement changer son rôle dans la cellule. Ainsi, SRSF3 est impliqué dans diverses maladies comme le cancer, les infections virales ou la SLA. Les mécanismes cellulaires régissant le dynamisme de SRSF3 doivent ainsi être bien compris dans le but de faire de l'oligonucléotide interférent contre SRSF3 une thérapie efficace contre la SLA / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disorder that leads to motoneuron loss, progressive paralysis and death a few years after the first symptoms. As every other neurodegenerative disorder, inflammation is a main component of ALS pathogenesis. One of the cell type implicated in this inflammation, the microglia, is the central subject of this thesis. With the emergence of the symptoms, microglia transforms from an anti-inflammatory and neuroprotective phenotype to an aberrant and neurotoxic phenotype. It is necessary to elucidate the cellular mechanisms underlying this phenotypic change and the factors maintaining these phenotypes to allow the development of effective inflammation-targeting therapies. In this thesis we seek to identify, using multiple molecular tools and animal models, the microglial signature at the different stage of the disease. During the symptomatic stage, we identified the immunosuppressive cytokine IL-10 to be responsible for maintaining the anti-inflammatory phenotype. This cytokine is at the same time produced and recognized by microglial cells. Blocking IL-10 receptor accelerated disease progression and shortened survival in a mouse model. Moreover, the augmentation of the expression of IL-10, using a viral vector, slowed disease progression and lengthened lifespan in the same mouse model. In order to understand the cellular mechanisms implicated in the microglial phenotypic change in ALS, we used a system-model for the microglia-specific molecular profiling. This tool, EDTA-TRAP, consists in the microglial poly-ribosome immunopurification and the subsequent identification of in-translation mRNAs and proteins sequestered on these ribosomes. It was possible to identify a strong mismatch in the nature of the most regulated mRNAs and proteins. The transcriptomic profile of symptomatic microglia denotes a phagocytic and possible neuroprotective function for microglia while its proteomic profile is proliferative and potentially neurotoxic. The discrepancy between these two profiles is explained by the repression of immune gene mRNA translation by a mechanism implicating the interaction of their 3'UTR and the RNA-binding protein SRSF3. The phosphorylated form of SRSF3 specifically accumulates in microglia cytoplasm proportionally with disease progression. The decrease of SRSF3 expression by an interfering oligonucleotide restores immune mRNA translation and the microglial phagocytic function. This leads to and slower disease progression and a longer survival in a mouse model. Hence, the use of an interfering oligonucleotide against SRSF3 could be a new therapeutic avenue in ALS treatment. The understanding of the diverse cellular mechanisms implicating SRSF3 is important in elucidating its dynamic function in ALS. SRSF3 is the shortest protein from the SR family. This family can be distinguished by their structure : one or two N-terminal RNA recognition motif and a C-terminal highly phosphorylatable arginine and serine rich domain. SRSF3 can be phosphorylated in the nucleus by the CLK1 kinase or in the nucleus and the cytoplasm by the SRPK kinases. SRSF3 is implicated in splicing, nucleocytoplasmic transport and translation, among others. The deregulation of the expression level or the phosphorylation of SRSF3 can drastically change its role in the cell. Hence, SRSF3 is implicated in many diseases such as cancer, viral infection and ALS. The cellular mechanisms governing SRSF3 dynamism should then by well understood in order to make the interfering oligonucleotide against SRSF3 an efficient therapy to treat ALS.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie mortelle caractérisée par une dégénérescence des neurones moteurs supérieurs et inférieurs. La présence d’inclusions ubiquitinylées de la protéine TDP-43 (Transactive response DNA-binding protein 43) est une caractéristique de la SLA. Afin de comprendre le mécanisme pathogène impliquant cette protéine, nous avons généré et étudié des souris transgéniques en utilisant des fragments génomiques codant pour la TDP-43 humain, de type sauvage ou mutant, associés aux cas familiaux de la SLA. Ces souris développent de nombreux changements liés au processus pathologique et biochimique de la SLA chez l’homme : présence d’inclusions de la protéine TDP-43 ubiquitinylées, anomalies au niveau des filaments intermédiaires, axonopathie et neuroinflammation. Pour mieux comprendre le rôle de la protéine TDP-43 dans la régénération des axones, nous avons utilisé des souris pré-symptomatiques et effectué une lésion du nerf sciatique sur celles-ci. Suite à cette intervention, les souris transgéniques ont eu une paralysie marquée du membre lésé, ont démontré une redistribution altéré de TDP-43 et une regénération plus lente des axones distaux par rapport aux souris non transgéniques. De plus, nous avons constaté que la protéine TDP-43 interagit et colocalise avec la sous-unité p65 du facteur nucléaire κΒ (NF-κΒ). Cette interaction se produit dans les cellules gliales et les neurones des souris transgéniques TDP-43 et aussi chez les patients atteints de la SLA. Nous avons démontré que les niveaux d’ARNm des protéines TDP-43 et NF-κΒ p65, sont plus élevés dans la moelle épinière des patients atteints de SLA que chez les individus sains et que la protéine TDP-43 agit comme un coactivateur de p65. Finalement, le traitement des souris transgéniques TDP-43 avec la Withaférine A, un inhibiteur de l’activité NF-κΒ, réduit le niveau de dénervation des jonctions neuromusculaires et des symptômes liés à la SLA. Nous suggérons donc que le dérèglement de la protéine TDP-43 contribue à la pathogenèse de la SLA en partie par l'augmentation de l'activation de NF-κΒ, et que NF-κΒ pourrait constituer une cible thérapeutique pour la maladie. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a lethal disease characterized by degeneration of lower and upper motor neurons. Transactive response DNA-binding protein 43 (TDP-43) ubiquitinated inclusions are a hallmark of ALS. In order to understand the pathogenic mechanism caused by TDP-43, we generated transgenic mice with genomic fragments encoding human TDP-43 wild-type or FALS-linked mutants TDP-43G348C and TDP-43A315T. These novel TDP-43 transgenic mice develop many age-related pathological and biochemical changes reminiscent of human ALS including ubiquitinated TDP-43 positive inclusions, intermediate filament abnormalities, axonopathy and neuroinflammation. In order to understand the role of TDP-43 in axon regeneration, we used pre-symptomatic 3-months old mice and performed sciatic nerve crush on them. After axonal crush, TDP-43 transgenic mice were noticeably paralyzed at the injured limb, have altered TDP-43 redistribution and the distal axons regenerated slowly as compared to non-transgenic mice. Moreover, we found that TDP-43 interacts with and colocalizes with p65, a NF-κΒ subunit, in glial and neuronal cells from TDP-43 transgenic mice and also from ALS patients. We report that TDP-43 and NF-κΒ p65 mRNA and protein expression is higher in spinal cords of ALS patients than healthy individuals. TDP-43 acted as a co-activator of p65, and glial cells expressing higher amounts of TDP-43 produced more proinflammatory cytokines and neurotoxic mediators after stimulation with lipopolysaccharide or reactive oxygen species. TDP-43 overexpression in neurons also increased their vulnerability to toxic mediators. Treatment of TDP-43 mice with Withaferin A, an inhibitor of NF-κΒ activity, reduced denervation in the neuromuscular junction and ALS disease symptoms. We propose that TDP-43 deregulation contributes to ALS pathogenesis in part by enhancing NF-κΒ activation, and that NF-κΒ may constitute a therapeutic target for the disease.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodegenerative chronique caractérisée par la dégénérescence des motoneurones corticaux, bulbaires et spinaux. Environ 5 à 10% des cas de SLA sont familiaux (SLAf), avec un mode de transmission autosomique dominant, tandis que les 90 à 95% restants sont des cas sporadiques (SLAs), sans composante génétique connue. Approximativement 20% des cas familiaux de SLA sont associés à plus de 100 mutations du gène codant pour la superoxyde dismutase de type 1 (SOD1). Des données récentes indiquent que les chromogranines, composants majeurs de la matrice des granules de sécrétion, peuvent lier spécifiquement les formes mutées de la SOD1 et promouvoir leur sécrétion. Une fois sécrétée, la SOD1 mutée peut induire la microgliose ainsi que la mort des motoneurones. Afin de confirmer cette nouvelle hypothèse pathologique, nous avons testé une approche d'immunisation visant à réduire les niveaux extracellulaires de la SOD1 mutée dans le tissu nerveux de souris modèles de la SLA. Cette approche s'est avérée efficace pour retarder l'apparition de la maladie et prolonger la durée de vie des souris vaccinées. Nos travaux montrent également que la SOD1 peut être transloquée dans le réseau RE-Golgi sous forme monomérique et en présence d'ATP. Dans le but de mieux comprendre le rôle et l'implication des chromogranines dans la toxicité de la SOD1 mutée et par conséquent dans la pathogenèse de la SLA, nous avons généré des souris SOD1G37R dans le contexte de surexpression neuronale de la chromogranine A (CgA). Nos résultats montrent que la surexpression de la CgA chez les souris SOD1G37R accélère l'apparition des troubles moteurs et augmente la dégénérescence des motoneurones. Les souris TCgA; SOD1G37R présentent un niveau plus élevé d'espèces protéiques mal repliées de SOD1, ce qui refléterait une stabilisation des espèces toxiques de la SOD1 par l'excès de CgA. Ces résultats suggèrent un rôle des chromogranines comme modulateurs de la survenue de la maladie dans la pathogenèse de la SLA.

La propagation de lumière dans un réseau de guides s'effectue par couplages successifs et diffère ainsi fortement de la propagation en milieu libre. De plus, il existe, entre le formalisme du couplage optique décrivant cette propagation, de grandes similarités avec l'équation de Schrödinger. Nous utilisons ces similarités pour réaliser, dans des structures optiques composées de guides d'ondes, des analogies à des phénomènes quantiques. Les guides d'ondes sont analogues à des niveaux discrets d'énergie tandis que les constantes de couplage entre les guides sont analogues aux fréquences de Rabi des pulses laser couplant ces niveaux d'énergie. Pour la démonstration de ces analogies riches d'enseignement et potentiellement attractives pour des applications, il est intéressant de pouvoir disposer de structures optiques polyvalentes pouvant être reconfigurées. Notre approche est basée sur la réalisation de ces structures par la technique d'illumination latérale développée au laboratoire. Contrairement à la majorité des techniques d'inscriptions classiques (CVD, échange d'ions, inscription par laser femtoseconde, etc.) qui conduisent à des structures fixes et très difficilement modifiables, cette technique donne des structures reconfigurables. Elle consiste en l'éclairement contrôlé d'un cristal photoréfractif soumis à un champ électrique, permettant d'inscrire des guides grâce à la photo-conductivité du matériau et à l'effet Pockels. Dès lors, nous montrons qu'il est possible de réaliser au sein du même cristal, différentes structures de réseaux de guides, de design, périodicités et contrastes d'indice différents. Nous mettons ensuite à profit ces différents résultats pour la démonstration d'analogies à des effets quantiques. En premier lieu nous démontrons un transfert adiabatique de lumière similaire au phénomène de STIRAP ("STImulated Raman Adiabatic Passage"). La lumière, couplée à l'entrée dans un guide, est transférée à un guide de sortie éloigné, à travers plusieurs guides intermédiaires (jusqu'à neuf) si les constantes de couplage sont modulées longitudinalement dans un ordre dit "contre-intuitif". Nous utilisons ensuite ce transfert adiabatique de lumière pour la réalisation d'un diviseur de faisceau multi-ports, dont les ratios d'intensité dans les ports de sorties sont déterminés par le rapport des constantes de couplage de la structure. Nous démontrons également que ce diviseur de faisceau est très robuste et très largement achromatique sur plus de 200 nm. Puis, nous réalisons une analogie au phénomène d'EIT ("Electromagnetically Induced Transparency") dans une structure optique composée de trois guides. La présence d'un troisième guide très proche du deuxième empêche tout transfert de lumière depuis le premier guide qui devient alors "transparent". Enfin, en créant un désaccord dans les constantes de propagation longitudinale des trois guides, le transfert de lumière peut être réactivé pour deux valeurs particulières du désaccord, similairement à l'effet quantique Autler-Townes / The propagation of light in an array of waveguides differs strongly from the one in free space. In coupled waveguides, light propagation can be described using a coupled wave theory leading to an equation similar to the Schrödinger equation. We use this similarity in order to study optical-quantum analogies in waveguides array. Waveguides are analogous to discrete energy levels whereas coupling constants between the waveguides are similar to the Rabi frequencies of pulses that couple these levels. In order to demonstrate these analogies, versatile structures are highly desirable. However, all conventional techniques of waveguide inscription (CVD, ion/proton exchange or photo-inscription using femtosecond laser) provide static and non reconfigurable structures. Our approach is based on a proper lateral illumination of a biased photorefractive crystal. The photo-induction of the structure is possible thanks to the crystal photo-conductivity and the Pockels effect. Thus, we show that, using our approach, different versatile structures can be realized in the same sample. We use these structures in order to demonstrate different quantum optical analogies. Firstly, we investigate an optical analogy to the STIRAP effect (STImulated Raman Adiabatic Passage). The light, initially injected into the first waveguide, is transferred to the last waveguide through an array composed of up to nine waveguides. This transfer is achieved only if the longitudinally modulated coupling constants are arranged in a counter-intuitive order. Moreover, we use this analogy to demonstrate theoretically and experimentally an achromatic beam splitter where the intensity ratio in the output ports depends only on the ratio of the coupling constants. We also realize an analogy to the EIT effect (Electromagnetically Induced Transparency) in an optical structure composed of three coupled waveguides. If the third waveguide is placed very close to the second one, light transfer from the first becomes "transparent". Finally, we demonstrate that by detuning the propagation constant of the first waveguide, the light transfer can be re-activated for two particular values of the detuning in analogy to the Autler-Townes effect

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative incurable. Environ 10% des cas de SLA sont familiaux (SLAF) et 90% sont sporadiques (SLAS). À l'heure actuelle, des mutations dans les gènes SOD1 et TARDBP demeurent parmi les principales causes de SLAF. Plusieurs évidences tendent à attribuer aux facteurs environnementaux une place de plus en plus importante dans l'identification de causes probables de la SLAS. Cependant, notre compréhension des mécanismes menant à des anomalies dans ces gènes ou à l’exposition à divers facteurs environnementaux et à la mort des neurones moteurs reste limitée. À ce jour, aucun traitement efficace n’a encore été décrit pour la SLA. C’est pourquoi le développement d’une immunothérapie avec des anticorps anti-SOD1 mal repliée spécifiques nous permettra de mieux comprendre les mécanismes et les causes environnementales susceptibles d’être impliqués dans la SLAS. Ceci ouvrira de nouvelles perspectives diagnostiques et thérapeutiques pour le traitement de cette maladie encore incurable. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease. About 10% of cases are familial (FALS) and 90% are sporadic (SALS). Currently, mutations in SOD1 and TARDBP genes are among the main causes of FALS. Many evidences suggest that environmental factors can be an important element in the identification of probable SALS causes. However, our comprehension of mechanisms leading to mutations in these genes or exposure to different environmental factors, to the death of motor neurons is still limited. Currently, there is not efficient cure for ALS. The development of an immunotherapy with specific anti-misfolded SOD1 antibodies will therefore help us to understand the mechanisms and environmental factors that may be involved. This can lead to new perspectives for early diagnosis and prognosis, and new therapeutic approaches for this yet incurable disease.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodegenerative incurable. Un seul médicament existe pour traiter la SLA et il ne fait que prolonger la durée de vie des patients de 3 à 6 mois, sans en diminuer les symptômes. Parmi les meilleurs modèles pour étudier la SLA, les souris S0D1G93A sont largement utilisées, notamment pour tester de nouveaux composés. Aussi, le modèle murin TDP-43 , récemment généré dans notre laboratoire, représente très bien la pathologie observée dans une autre sous-portion des patients atteints de SLA (protéinopathies TDP-43). Dans une tentative de découvrir un nouveau traitement pour la SLA, nous avons administré à des souris S0D1G93A et TDP-43 du bleu de méthylène, médicament connu pour traiter une variété des désordres neurologiques et ayant des propriétés neuroprotectrices toutes indiquées pour traiter la SLA. Nous l'avons aussi administré conjointement avec le lithium qui est connu pour avoir des effets synergiques avec certains composés.

Des mutations dans plusieurs gènes ont été liés à la sclérose latérale amyotrophique (SLA),en particulier dans celui codant pour la protéine Fused in Sarcoma (FUS). Les mutations sont retrouvées dans la partie codant pour le signal de localisation nucléaire, rendant la protéine anormalement abondante dans le cytoplasme. Combiné à d’autres observations, ça suggère qu’un gain de fonction toxique de FUS dans le cytoplasme serait à l’origine de la neurodégénérescence. La SLA est une maladie neurodégénérative qui affecte les neurones moteurs et cause une paralysie progressive. Les mécanismes moléculaires causant la maladies ont toujours inconnus. Une des pistes serait la perturbation de la traduction locale desARNm, qui permet aux synapses de répondre rapidement et indépendamment du corps cellulaire. Une traduction locale insuffisante pour soutenir l’activité synaptique à long terme mènerait à la perte des synapses et à la neurodégénérescence. Mon objectif est donc de déterminer le rôle de FUS dans régulation de la traduction des ARNm en caractérisant son interaction avec les composantes traductionnelles et d’évaluer sa fonction dans une condition reproduisant les caractéristiques de la SLA. J’ai montré que FUS s’associe aux polyribosomes inactifs, ce qui suggère que FUS jouerait un rôle dans la régulation de la traduction des ARNm en interagissant avec le cœur de la traduction. Il est également possible d’observer une augmentation de la présence de FUS dans le cytoplasme et de son interaction avec les polyribosomes suite à une inhibition de la traduction par mTOR, suggérant son rôle de régulateur négatif. De plus, les mutations liées à la SLA amplifient la fonction inhibitrice de FUS en rendant FUS cytoplasmique et en réduisant la synthèse des protéines. Mes résultats montrent que la protéine FUS aurait un rôle d’inhibiteur de la traduction quand celle-ci est cytoplasmique. Par conséquent, l’augmentation de la présence de FUS dans le cytoplasme dans la SLA entrainerait une inhibition de la traduction importante, à un niveau insuffisant pour soutenir l’activité synaptique. / Mutations in several genes have been linked to amyotrophic lateral sclerosis (ALS),particularly in the gene coding for the Fused in Sarcoma protein (FUS). Those mutations are found in the part encoding for the nuclear localization signal, making the protein abnormallyabundant in the cytoplasm. Combined with other observations, it suggests that a toxic gainof function of FUS in the cytoplasm would be the cause of the neurodegeneration. ALS is a neurodegenerative disease that affects motor neurons and causes progressive paralysis. The molecular mechanisms causing the disease are still unknown. One of the hypotheses is the disruption of local translation of mRNAs, which allows synapses to respond quickly and independently from the cell body. Insufficient local translation to support long-term synapticactivity would lead to synaptic loss and neurodegeneration. Thereby, the objective of mystudy is to determine the role of FUS in the regulation of mRNA translation by characterizing its interaction with translational components and evaluate its function in an ALS-linked condition. I have shown that FUS is associated with stalled polyribosomes, which suggests that it plays a role in regulating mRNA translation by interacting with the core of translation.There is also an increase in the presence of FUS in the cytoplasm and in its interaction with polyribosomes following inhibition of translation through mTOR, suggesting its role as anegative regulator. In addition, ALS-related mutations amplify FUS inhibitory function bymaking FUS cytoplasmic and reducing protein synthesis. My results show that the FUSprotein would have a role as a translation inhibitor when it is cytoplasmic. There fore, increasing the presence of FUS in the cytoplasm in ALS would result in significant translation inhibition, at a level insufficient to support synaptic activity.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative affectant les neurones moteurs supérieurs et inférieurs menant éventuellement à une paralysie générale du patient. Le décès du patient survient généralement entre 2 à 5 ans subséquemment à l’apparition des premiers symptômes. La SLA consiste en la maladie neurologique causant le plus décès chez l’adulte et il est estimé qu’environ 10% des cas sont familiaux (fSLA) et 90% sont sporadiques (sSLA). De plus, 15% des patients souffrant de la SLA développent également une démence fronto-temporale (DFT) s’illustrant par des troubles de comportements ainsi qu’un changement de personnalité majeur. Il a été démontré que la SLA et la DFT partagent un spectre génétique commun et les patients atteints de DFT démontrent une protéinopathie caractérisée par une accumulation anormale de certaines protéines dans le cytoplasme des neurones et des cellules gliales, tout comme pour les patients souffrant de SLA. Plusieurs gènes mutés ont été identifiés au cours des dernières années pour la forme fSLA, notamment superoxide dismutase 1 (SOD1), TAR DNA-binding protein 43 (TDP-43), ubiquilin-2 (UBQLN2), Fused in sarcoma (FUS), optineurin (OPTN), etc. Un des gènes le plus étudié et le mieux décrit est celui codant la protéine TDP-43. Cette protéine nucléaire, lorsque mutée, est délocalisée dans le cytoplasme, où elle forme des inclusions anormales et persistantes. Ces agrégats, lorsque formés, renferment également plusieurs autres composés, notamment d’autres protéines telles qu’UBQLN2, différentes nucléoporines, ubiquitine, etc. UBQLN2 est une protéine ayant un rôle primordial dans le système de dégradation du protéasome (UPS) ainsi que pour l’autophagie. Cette protéine est responsable de la liaison entre les protéines destinées à être dégradées avec l’UPS. Il a été démontré dernièrement in vitro et in vivo que la mutation d’UBQLN2 est liée à l’agrégation de TDP-43. Cependant, le mécanisme exact de ce phénomène reste grandement incompris et nécessite encore beaucoup d’attention et de travail. Dans ce mémoire, nous avons utilisé pour notre étude des cellules en culture afin de surexprimer les formes natives et mutantes d’UBQLN2 humain (hUBQLN2) pour étudier l’effet d’UBQLN2 sur la protéine TDP-43. Notre équipe a réussi à démontrer dernièrement dans les cellules de neuroblastome de souris (Neuro2a) que la surexpression de l’UBQLN2 entraînait une délocalisation de TDP-43 du noyau vers le cytoplasme en plus de son accumulation anormale dans des agrégats. De plus, l’effet synergique entre les formes mutées de TDP-43 et UBQLN2 a également été démontré dans un modèle murin dans notre article paru en 2018 comme quoi la mutation d’UBQLN2 influence grandement la protéinopathie de TDP-43. À la suite de ces constats, nous avons orienté nos études sur le phénomène synergique entre UBQLN2 et TDP-43 qui est encore grandement méconnu. Pour ce faire, une analyse complète et exhaustive de la littérature a été effectuée afin de bien comprendre la mutation UBQLN2 et consiste en la première revue littéraire couvrant la totalité des ouvrages publiés sur la mutation d’UBQLN2 dans la SLA. Par la suite, nous avons convenu d’étudier l’effet de la mutation d’UBQLN2P497H sur le transport nucléo-cytoplasmique dans les cellules Neuro2a ainsi que dans les tissus de souris transgéniques. Les souris utilisées sont les mêmes que pour l’article Picher-Martel et al., 2018, soit des souris simple transgénique UBQLN2P497H et TDP-43G348C ainsi que la première souris double transgénique arborant UBQLN2P497H/TDP-43G348C. Les souris doubles transgéniques se sont avérées très intéressantes. En effet, elles ont développé les caractères typiques retrouvés chez les patients SLA/DFT avec une perte motoneuronale accompagnée de dégénérescence axonale, atrophie musculaire, gliose, trouble moteur ainsi que cognitif en plus d’agrégations cytoplasmique de TDP-43 importantes. À l’aide de ce modèle unique nous avons approfondi notre compréhension des déficits observés au niveau du transport nucléo-cytoplasmique, déficit grandement observé chez les patients SLA. Nous avons observé que le transport nucléo-cytoplasmique était davantage et significativement altéré dans les cellules co-transfectées avec les gènes encodant pour les deux protéines mutées plutôt que transfectées avec une seule. Nous avons également observé pour les souris double transgéniques comparées aux souris simples pour l’une ou l’autre de ces protéines. Nos résultats suggèrent donc que la mutation d’UBQLN2 exacerbe significativement la protéinopathie de TDP-43 et engendre une perturbation importante du transport nucléo-cytoplasmique ainsi que des complexes du pore nucléaire. En conclusion, ce mémoire démontre un rôle important de la mutation d’UBQLN2 sur TDP-43 et leur grande affinité à augmenter les déficits du transport nucléo-cytoplasmique. Ceci suggère donc qu’UBQLN2 et TDP-43 sont intimement liés et peuvent jouer un rôle synergique dans la physiopathologie de la SLA. Le modèle murin double transgénique pourra indubitablement être utilisé en laboratoire afin de tester de nouvelles approches thérapeutiques.