La neurogenèse adulte du gyrus denté de l’hippocampe joue un rôle essentiel dans les processus mnésiques dépendants de l’hippocampe, mais son rôle dans des formes complexes de mémoire comme la mémoire épisodique n’a jamais été exploré. Le travail de cette thèse porte sur l’étude de l’implication des nouveaux neurones de l’hippocampe dans la mise en mémoire d’un souvenir épisodique à long terme. Nous avons développé une nouvelle tâche de mémoire épisodique reposant sur la présentation occasionnelle d’épisodes permettant d’encoder des informations de type « Quoi – Où – Dans quel contexte ». Nous montrons pour la première fois que les rats sont capables de se souvenir à très long terme de brefs épisodes de vie et d’utiliser cette mémoire d’une manière flexible. La caractérisation des profils de rétention permet d’accéder aux capacités individuelles de recollection des différents éléments du souvenir et montre que le rappel fiable de la mémoire épisodique nécessite l’intégrité de l’hippocampe et met en jeu un vaste réseau hippocampo-cortical dont l’activation est corrélée au rappel. Les performances de rats soumis à une irradiation focale de l’hippocampe montrent que la neurogenèse adulte hippocampique contribue de façon significative à la consolidation et au rappel fiable du souvenir épisodique. Ces résultats sont discutés dans le cadre d’une implication de la neurogenèse adulte dans la résolution de la mise en mémoire d’événements occasionnels dans le but de discriminer deux épisodes de vie proches, en lien avec les fonctions de séparation et de complétion de patterns de l’hippocampe. Par ailleurs, les mécanismes moléculaires qui sous-tendent le recrutement des nouveaux neurones lors d’un apprentissage restent inconnus. Nous avons analysé le rôle du gène immédiat précoce Zif268, acteur moléculaire essentiel dans les processus mnésiques, et montrons que ce gène joue un rôle crucial dans la sélection et le recrutement des nouveaux neurones lors de la mémorisation au cours de leur période critique d’intégration dans les réseaux neuronaux de l’hippocampe. Ce travail apporte des éléments nouveaux sur la participation des nouveaux neurones hippocampiques dans les processus mnésiques dans une situation à forte demande cognitive basée sur l’encodage d’une représentation intégrée et résolue d’événements occasionnels complexes, ainsi que sur les mécanismes qui sous-tendent leur recrutement. / Adult hippocampal neurogenesis plays a critical role in hippocampal-dependent memory, however its role in complex forms of memory such as episodic memory has not as yet been explored. The work presented in this thesis focuses on the issue of the involvement of newborn hippocampal neurons in long term episodic memory. We developed a new episodic memory task based on the presentation of occasional episodes allowing rats to encode “What – Where – In which context” information. We show for the first time that rats are able to remember on the long term brief past episodes of life and to use their episodic memory in a flexible manner. The characterization of retention profiles allows us to identify individual abilities in the recollection of the various elements of the memory and shows that episodic memory recall requires the integrity of the hippocampus and involves a hippocampo-cortical network, the activation of which correlates with recall performance. Performance of rats subjected to focal irradiation of the hippocampus shows that adult hippocampal neurogenesis contributes significantly to the consolidation and faithful recall of episodic memory. These results are discussed in the context of the implication of hippocampal newborn neurons in the resolution of memories of occasional events in order to discriminate different, but closely related episodes of life in relation to pattern separation and pattern completion functions of the hippocampus. Furthermore, the molecular mechanisms underlying the recruitment of newborn hippocampal neurons by learning remain to date unknown. We investigated the role of Zif268, an immediate early gene known to play an essential role in memory processes, and show that this gene plays a crucial role in the selection and recruitment of newborn hippocampal neurons by learning during their critical period of integration in hippocampal neural networks. Overall, this work brings new knowledge on the contribution of newborn hippocampal neurons to memory processes in a highly demanding cognitive situation based on the encoding of an integrated and high-resolution representation of complex occasional events, and on the mechanisms underlying their recruitment.

La neurogenèse adulte est cruciale pour certaines fonctions mnésiques dépendantes de l'hippocampe. La mise en évidence d'une altération de la neurogenèse dans le cerveau de souris transgéniques modèles de la maladie d'Alzheimer (MA), en parallèle d'une réduction du contenu mitochondrial de leurs nouveaux neurones ouvre une nouvelle piste de recherche ciblant les mitochondries. Aujourd'hui, l'hypothèse d'un rôle causal des dysfonctionnements mitochondriaux dans l'étiologie des pathologies neurodégénératives est particulièrement pertinente dans la MA. Les mitochondries, " centrales électriques " et régulateurs du métabolisme oxydatif, forment un réseau dynamique qui s'adapte aux différents types et contextes cellulaires, via des événements antagonistes de fusion et de fission de leurs membranes. Les protéines clés ont été identifiées, dont OPA1 qui permet la fusion. Les dysfonctionnements de cette dynamique influent non seulement sur la forme et la distribution des mitochondries dans les neurones, mais affectent aussi leurs principales activités que sont respiration, régulation calcique, production de ROS et apoptose. Dans les neurones, cellules excitables à l'architecture complexe, les dysfonctionnements mitochondriaux ont des conséquences particulièrement cruciales pour la transmission synaptique. Au cours de cette thèse, nous avons étudié parallèlement des souris modèles de la MA, les souris Tg2576 (mutation d'APP) et des souris OPA1+/-, porteuses d'une mutation d'OPA1, modèles de l'Atrophie Optique Dominante. Nous avons observé chez ces deux lignées de souris une altération précoce des performances dans des tests comportementaux mettant en jeu le gyrus denté et les nouveaux neurones (tests de localisation d'objet et de séparation de patron). Nous avons démontré chez les souris Tg2576 et OPA1+/- que ces déficits cognitifs sont associés à des perturbations de la neurogenèse hippocampique adulte.[...] / Adult neurogenesis is crucial for some hippocampus-dependent memory functions. Both the demonstration of an alteration of neurogenesis in the brain of transgenic mouse models of Alzheimer's disease (AD), in parallel with a reduction in the mitochondrial content of their new neurons, open a new research avenue targeting the mitochondria. Today, the hypothesis of a causal role of mitochondrial dysfunctions in the etiology of neurodegenerative pathologies is particularly relevant in AD. Mitochondria, "power plants" and regulators of oxidative metabolism, form a dynamic network that adapts to different cell types and contexts, via antagonistic events of fusion and fission of their membranes. Key proteins have been identified, including OPA1 that allows fusion. Dysfunctions of this dynamics affect not only the shape and distribution of mitochondria in neurons, but also alter their main activities: respiration, calcium regulation, ROS production and apoptosis. In neurons, excitable cells with complex architecture, mitochondrial dysfunctions have particularly crucial consequences for synaptic transmission. In this thesis, we studied in parallel an AD mouse model, the Tg2576 mice (APP mutation) and the OPA1 +/- mice, carrying a mutation of OPA1, a Dominant Optic Atrophy model. In both mouse lines, we observed precocious performance alterations in behavioral tests involving the dentate gyrus and new neurons (object location, pattern separation tests). We demonstrated in Tg2576 and OPA1 +/- mice that these cognitive deficits are associated with disturbances of adult hippocampal neurogenesis. [...]

Les protéines Vestigial-like constituent une famille de cofacteurs de transcription contenant un domaine très conservé, appelé Tondu, qui permet l’interaction avec les facteurs de transcription de la famille TEAD. L’état de l’art des connaissances actuelles sur cette famille, en termes de répertoire, de structure et de fonction des gènes dans les différents groupes d’animaux, a fait l’objet d’une revue. Durant la thèse, a été étudiée la fonction de deux gènes vestigial, vestigial-like 3 et vestigial-like 4, dans le modèle amphibien xénope. Ce choix découle d’une part, des travaux antérieurs de notre laboratoire qui a caractérisé la famille des gènes vestigial chez le xénope et d’autre part des avantages de ce modèle expérimental qui permet les analyses cellulaires et moléculaires. Les approches de gain et perte de fonction indiquent que vestigial-like 3 est plus particulièrement impliqué dans la migration des cellules de la crête neurale. Vestigial-like 4 a un rôle dans la neurogenèse précoce et la formation de la crête neurale. / Vestigial-like proteins belong to a transcription co factors family with a conserved domain, called tondu, which allows their interaction with TEAD family transcription factors. The state of the art on the current knowledge about this family in terms of gene repertory, structure and functions in different animals has given rise to a review. PhD work has focused on vestigial-like 3 and vestigial-like 4 genes functions in the Xenopus amphibian. This choice stemmed from the laboratory previous works that has described vestigial like gene family in Xenopus, and from the Xenopus model advantages that allows cellular and molecular analysis. Gain and loss of function approaches indicate that vestigial-like 3 is especially implicated in neural crest cells migration. Vestigial-like 4 plays a role in early neurogenesis and neural crest formation.

Le dogme relatif à la radiorésistance du Système Nerveux Central (SNC) a vécu. Les progrès en neurosciences permettent aujourd'hui de reconsidérer les dysfonctionnements cognitifs radio-induits observés au décours des radiothérapies ou après un accident d'irradiation, et d'envisager des moyens diagnostiques et thérapeutiques adaptés. Nous avons développé un modèle Rat afin d'étudier les effets d'une irradiation gamma corps entier à dose sublétale (4,5 Gy). Celle-ci induit des troubles de l'apprentissage et de la mémorisation d'une tâche en cours d'acquisition durant le premier mois – lesquels sont prévenus par l'administration d'une molécule radioprotectrice de référence (amifostine) – tandis qu'elle ne semble pas perturber la mémoire rétrograde. Précocement, une vague apoptotique survient 5 à 9 heures après exposition dans la zone sous-ventriculaire avec, en parallèle, une neurogenèse anéantie. Deux jours après irradiation, l'étude métabolique ex vivo réalisée par RMN HRMAS (High Resolution Magic Angle Spinning) suggère la présence d'un œdème cérébral tandis que l'étude des lipides cérébraux en RMN liquide confirme l'atteinte membranaire (élévation du cholestérol et des phospholipides). Le profil lipidique se normalise ensuite tandis qu'une réaction gliale apparait. Enfin, 1 mois post-irradiation, l'élévation du GABA, neurotransmetteur inhibiteur du SNC, dans 2 structures cérébrales distinctes, s'accompagne d'une diminution de la taurine dans l'hippocampe qui persiste 6 mois. Notre modèle intégré permet ainsi de valider des biomarqueurs quantifiables en spectroscopie RMN in vivo – prochaine étape expérimentale – et de tester de nouvelles thérapeutiques radioprotectrices.

Au cours du vieillissement normal et du vieillissement pathologique de type Alzheimer, des altérations olfactives surviennent. Très précoces dans la maladie d'Alzheimer, ces troubles pourraient être signe du développement de la maladie, bien avant l'apparition des signes de déclin cognitif. Il nous paraissait donc important de caractériser et de différencier de manière précise les troubles olfactifs associés au vieillissement normal de ceux associés au vieillissement pathologique et leurs corrélats cellulaires. Notre première étude a pour objectif de clarifier le vieillissement de la fonction olfactive et sa plasticité chez le rongeur. Dans ce travail, le vieillissement apparaît comme un processus complexe, qui n'est pas une simple dégradation générale de la fonction olfactive, mais un processus qui touche de manière hétérogène les différents aspects de la perception olfactive, et dont le signe le plus marquant semble être la perte de plasticité des performances olfactives, de la neurogenèse et du système noradrénergique en réponse à une stimulation. Nous montrons que la mémoire olfactive et sa modulation par l'enrichissement de l'environnement olfactif est plus sensible au vieillissement normal que la discrimination olfactive. Le fonctionnement basal (discrimination facile et mémoire à très court terme) persiste, bien que la neurogenèse soit altérée de manière drastique et cela malgré le rôle majeur des néo neurones pour la fonction olfactive chez l'animal jeune. Nos données mettent également en évidence une altération biphasique de la neurogenèse (réduction de prolifération, puis chez les animaux sénescents, une altération de la différenciation et de la survie des néo-neurones), et une réponse plastique du système noradrénergique qui persiste à âge moyen, alors que la neurogenèse ne réponds déjà plus à l'enrichissement olfactif. Ce travail apporte ainsi les bases nécessaires pour une comparaison des altérations olfactives liées à l'âge avec celles présentes dans la MA. Notre seconde étude nous a permis de confirmer l'existence de déficits olfactifs précoces chez le modèle murin APP/PS1 de maladie d'Alzheimer, ainsi que l'implication du système noradrénergique dans ces altérations. Induite par un traitement chronique au DSP4, la déplétion noradrénergique aggrave le phénotype amyloïde dans le BO, et accentue sévèrement les troubles olfactifs. Ces données contribuent à valider l'utilisation de modèle olfactif pour l'étude des altérations précoces observées dans la maladie d'Alzheimer, en combinant la déplétion noradrénergique pour modéliser les altérations observées dans la maladie humaine, et étudier les mécanismes physiopathologiques survenant dans la MA.

La maladie d’Alzheimer est une maladie très complexe, aujourd’hui encore mal comprise et cette démence est devenue un réel problème de santé publique. La protéine précurseur de l’amyloïde (APP) et la protéine Tau sont deux acteurs majeurs impliqués dans la maladie. De nombreuses recherches se sont investies dans la compréhension du métabolisme, de l’action et de l’implication de ces deux protéines dans les mécanismes pathologiques de la maladie et d’autres maladies neurodégénératives. Elles sont notamment l’objet de la plupart des approches thérapeutiques passées et actuelles, et étudiées pour le diagnostic biologique de la maladie. Dans ce projet de thèse, notre objectif fut d’explorer le métabolisme des protéines APP et Tau au cours de la différenciation neuronale à l’aide d’outils biochimiques et de systèmes innovants d’immunodétection multiplex très sensibles (MSD®) dans plusieurs modèles de culture cellulaire de la maladie. L’objectif était d’obtenir une vision globale des processus physiopathologiques au travers d’analyses d’échantillons générés au cours de la différenciation neuronale de cellules souches pluripotentes induites (iPSC) de patients Alzheimer comparées aux cellules souches embryonnaires humaines (hESC). Nous avons ainsi généré et caractérisé plusieurs lignées cellulaires d’IPSC d’une personne saine contrôle et de patients atteints des formes sporadiques et familiales de la maladie. Ce projet offre l’opportunité unique de combiner des approches innovantes pour tenter de comprendre comment les fragments et les peptides Ab sont générés, ainsi que les modifications de Tau en conditions normales et pathologiques. / Amyloid precursor protein (APP) and Tau protein are two main molecular actors of the Alzheimer’s disease (AD), which is of prime importance in Human Health. Intensive research is ongoing to understand these proteins’ metabolism, action and implication in the pathological mechanism of these affections. They are the target of most therapeutic approaches and are used for biological diagnosis. In the present PhD project, our objective was to investigate neuronal APP and Tau protein processing and metabolism using biochemical tools and innovative multiplex immunodetection system (MSD®) in diverse cell culture models of AD. The goal was to get a comprehensive view oh physiopathological processes based on the analysis of samples generated in neuronal differentiated human embryonic stem cell and induced pluripotent stem cells derived from AD-patients. We generated several cell lines from an healthy control individual, and AD patients showing sporadic and familial forms of the disease. This project offer the unique opportunity to combine state-to-the-art approaches to understand how the APP fragments and peptides are generated as well as the modifications of the Tau protein in normal and pathological situation.

Malgré sa complexité, le cerveau intègre en permanence de nouvelles cellules – à la fois neuronales et gliales – au-delà du développement embryonnaire et ce, tout le long de la vie. La période postnatale est caractérisée par une gliogenèse intense. A l’âge adulte, de nouveaux neurones et cellules gliales sont produits dans des régions restreintes à partir de cellules souches/progénitrices (CSP) localisées dans des niches. Les deux niches de CSP adultes les mieux décrites sont la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux, qui produit de nouveaux interneurones olfactifs, et la zone sous-granulaire du gyrus denté de l’hippocampe, où de nouveaux neurones en grain sont produits localement. Des travaux menés ces dernières années ont montré qu’une neuro- et une gliogenèse avaient aussi lieu dans l’hypothalamus postnatal, une petite région du diencéphale ventral qui régule des processus physiologiques vitaux tels que le métabolisme, la reproduction, le sommeil et la thermorégulation. Si l’identité des CSP hypothalamiques reste débattue, de nombreux travaux s’accordent sur l’importance de la neurogenèse hypothalamique postnatale dans le contrôle du métabolisme. Cependant, la possibilité que la genèse postnatale de cellules contribue aussi au contrôle de la fonction de reproduction, une autre fonction clé de l’hypothalamus, restait à explorer. L’objectif premier de mon travail de thèse était de rechercher si la genèse de cellules dans l’hypothalamus postnatal est impliquée dans le contrôle de la reproduction, une fonction physiologique qui requière un haut degré de plasticité. La fonction de reproduction est orchestrée par une petite population de neurones produisant la neurohormone Gonadotrophin-Releasing Hormone (GnRH). Ces neurones, qui naissent en dehors du cerveau, sont en place dans la région préoptique (RPO) de l’hypothalamus à la naissance. Cependant, ils doivent subir une maturation postnatale pour acquérir le profil de sécrétion qui leur permettra d’initier la puberté et d’assurer la fertilité de l’individu. Dans une première étude, grâce à une combinaison d’approches in vitro et in vivo, nous avons mis en évidence une vague d’astrogenèse dans l’environnement des neurones à GnRH au sein de la RPO au cours des deux premières semaines de vie postnatale chez la ratte. Nos résultats suggèrent que les neurones à GnRH utilisent la prostaglandine D2 pour attirer les progéniteurs environnants et que ce recrutement est important pour la maturation sexuelle. Dans une deuxième étude, nous avons recherché si de nouvelles cellules naissent à l’âge adulte dans des régions hypothalamiques qui contrôlent la fonction de reproduction. Nous montrons que des cellules sont produites dans la RPO chez la ratte adulte et que leur taux varie au cours du cycle oestral, suggérant une régulation par les stéroïdes sexuels. De plus, nous montrons que la survenue d’une gestation stimule la néogenèse cellulaire dans une zone de la RPO qui contrôle le comportement maternel. Si la néogenèse hypothalamique adulte a surtout été étudiée chez les rongeurs de laboratoire, il reste à déterminer si ce phénomène existe aussi chez l’homme. Pour aborder cette question, nous avons évalué dans une troisième étude l’expression de marqueurs de CSP dans l’hypothalamus humain adulte, comparativement au rongeur (souris, rat) et à un primate lémurien, le microcèbe. Nous montrons que l’hypothalamus humain adulte contient des populations de cellules au profil antigénique de CSP, dont certaines semblent propres à l’homme. Au total, ces travaux montrent que de nouvelles cellules naissent dans des régions hypothalamiques qui contrôlent la fonction de reproduction au cours de la vie postnatale et à l’âge adulte chez la ratte, et que ce phénomène est important pour la maturation sexuelle. L’observation de CSP putatives dans l’hypothalamus humain adulte suggère que la capacité de l’hypothalamus à produire de nouvelles cellules à l’âge adulte existe aussi dans notre espèce. / Despite its complexity, the brain keeps adding new cells – both neuronal and glial – beyond embryonic development and throughout life. The postnatal period is characterized by intense and widespread gliogenesis. During adulthood, both glio- and neurogenesis occur in restricted locations from stem/progenitor cells (NPC) residing in niches. The two best-described niches of adult NPC are the subventricular zone of the lateral ventricles, which provides new interneurons to the olfactory bulb, and the subgranular zone of the hippocampal dentate gyrus that locally produces new granule cells. The last decade has seen an accumulation of studies showing that neuro- and gliogenesis also occur in the postnatal hypothalamus, a small portion of the ventral forebrain surrounding the third ventricle that regulates essential physiological processes such as metabolism, reproduction, sleep and thermoregulation. Even though the identity of hypothalamic NPC remains a matter of debate, a growing body of evidence points to postnatal hypothalamic neurogenesis relevance for the control of metabolism. However, a possible contribution of postnatal hypothalamic cell generation to the central control of reproduction, another key function of the hypothalamus, remained to be explored.The main aim of my doctoral researches was to evaluate whether the generation of new cells in the postnatal hypothalamus contributes to the central control of reproduction, a physiological function known to require a high degree of plasticity. The reproductive function is controlled by a small population of neurons producing the neurohormone Gonadotrophin-Releasing Hormone (GnRH). These neurons, which are born in the nasal placodes, are in place at birth in the preoptic area (POA) of the hypothalamus. However, they need a postnatal maturation to reach a mature secretory pattern that will trigger puberty and subsequent fertility.In a first study, using a combination of in vitro and in vivo experiments, we showed that a wave of astrogenesis occurs in the POA from local progenitors in the environment of GnRH neurons during the first weeks of postnatal life in the female rat. We identified prostaglandin D2 as a factor used by GnRH neurons to attract progenitors in their vicinity and showed that impaired progenitor recruitment alters sexual maturation.In a second study, we evaluated whether cell neogenesis still occurs during adulthood in hypothalamic regions relevant for the reproductive function. Our results showed that new cells are born in the POA of adult female rats. The rate of cell neogenesis varies across the estrus cycle, suggesting a regulatory influence of gonadal steroids. Moreover, we showed that gestation impacts the rate of cell neogenesis in a POA region implicated in the control of maternal behavior.While cell neogenesis in the adult hypothalamus has been mainly studied in laboratory rodents, it remains to be known whether this phenomenon also occurs in humans. To start addressing this question, we evaluated in a third study the expression of a panel of NPC markers in the adult human hypothalamus and compared it to that found in rodents (mouse, rat) and a lemur primate, the grey mouse lemur. Our results showed that the adult human hypothalamus contains populations of cells with an antigenic profile of NPC, some of which appear specific to humans.Altogether, this work shows that new cells are born in hypothalamic regions controlling reproduction throughout postnatal and adult life in female rats, and that this process is required for sexual maturation. The identification of NPC marker-expressing cells in the adult human hypothalamus suggests that the capacity for cell neogenesis also exists in the hypothalamus of our species.

Les microfaisceaux (MBs) de rayons X générés par un synchrotron permettent de délivrer des doses de radiation très élevées, jusqu'à plusieurs centaines de gray (Gy), sans pour autant induire de dommages tissulaires irréversibles dans les zones avoisinant la lésion. La réactivité du réseau vasculaire à se régénérer grâce aux cellules endothéliales, est probablement un mécanisme clef dans la radio-tolérance des tissus sains, puisqu'il permet une recolonisation rapide des zones tissulaires lésées. Cette méthode permet ainsi de reproduire de façon non invasive une incision chirurgicale précise du cortex tout en préservant son architecture. Cette caractéristique présente un intérêt certain et permet d'envisager le développement de nouveaux modèles neurobiologiques expérimentaux ouvrant la voie à des traitements innovants pour de nombreux troubles cérébraux. Durant cette thèse, les microfaisceaux ont été utilisés sur la structure corticale et l'hippocampe de rats. Concernant le cortex, les MBs ont été appliqués au niveau du cortex sensori-moteur (taille 100 µm/600 µm, of 400 µm/1200 µm crête à crête, dose pics - vallèe de 360-240 Gy/150-100 Gy) chez des rats males Wistar sains ainsi que chez des rats développant des attaques cérébrales consécutivement à l'injection corticale d'Acide Kaïnique (KA). Suite aux traitements par MBs, les performances motrices étaient évaluées par le test du Rotarod et les structures corticales étudiées par immunohistochimie grâce au marquage par NeuN et GFAP des neurones et astrocytes matures. Aucun déficit neurologique n'a été observé chez les rats sains soumis au protocole de traitement par MBs et une diminution significative (normalement là il faut mettre des statistiques ou au moins les avoir sinon tu peux dire diminution importante) de la durée des crises de convulsions a pu être observée chez les rats KA. L'incidence des MBs (9 microfaisceaux de 75 μm de largeur séparés de 400 μm crête à crête, dose d'entrée: 1000 Gy) délivrés au niveau de l'hippocampe de rats Wistar sains a été comparée avec un traitement par rayons X de 10 Gy délivré uniformément. Le but de cette expérience était d'évaluer l'impact d'un traitement par microfaisceaux par rapport aux techniques d'irradiation conventionnelles. Pour cela, une évaluation quantitative (i) comparative a été faite sur la neurogénèse grâce à l'utilisation de marqueurs cellulaires (BrdU et Ki-67). Une étude (ii) a aussi été menée sur le long terme (1 an) pour mettre en évidence la corrélation entre la neurogénèse, les troubles de l'apprentissage et de la mémoire. Une préservation des cellules prolifératives a été observée au sein du groupe traité par MBs. Les transsections de l'hippocampe de rats par MBs n'induisent pas de troubles significatifs (là aussi, il faut avoir des stat ou alors utiliser troubles marquants) du comportement de plus, l'observation histologique et immunohistochimique des tissus a permis de mettre en évidence la conservation de sa structure.Le travail effectué au cours de cette thèse confirme que le traitement spécifique de zones radiosensibles du cerveau par les microfaisceaux est sûr et permet d'améliorer le pronostique des animaux traités par rapport aux techniques conventionnelles. Ainsi, le développement d'appareils permettant de délivrer des faisceaux de rayons submillimétriques capables de générer une destruction précise et limitée au niveau du cortex ou de l'hippocampe pourra permettre une prise en charge innovante plus sûre de nombreuses pathologies fonctionnelles cérébrales comme l'épilepsie ou certaines douleurs. / Synchrotron-generated X-ray microplanar beams (microbeams, MBs) are characterized by the ability to avoid widespread tissue damage following delivery of doses ranging from hundreds to over a thousand of Grays. The resistance of normal tissues to high doses of MBs is likely related to the fast repair of the microvessels and to the wide interface between normal and irradiated tissue, allowing fast recolonization of the microbeam ablated columns of tissue. The preservation of the cortical architecture following high-dose microbeam irradiation and the ability to induce non-invasively the equivalent of a surgical cut over the cortex is of great interest for the development of novel experimental models in neurobiology and new treatment avenues for a variety of brain disorders. In this Thesis microbeams transections were delivered to the rat cortex and hippocampus. MBs cortical transections were delivered to the sensory motor cortex (size 100 µm/600 µm, center-to-center distance of 400 µm/1200 µm, peak-valley doses of 360-240 Gy/150-100 Gy) of Wistar male healthy rats and rats developing seizures following cortical injections of Kainic Acid (KA)-. The motor performances following sensorimotor cortex transections was assessed by rotarod test. The effect of microbeam transections on cortical architecture was assessed by immunohistology with NeuN and GFAP, markers of mature neurons and astrocytes. No neurological deficit was observed in healthy animals undergoing sensorimotor cortex microbeam transections. Convulsive seizure duration was markedly reduced following transections in KA rats. MBs hippocampal transections (75 µm thickness, 400 c-t-c distance and 600 Gy as peak entrance dose) were performed in adult healthy Wistar rats. MBs transections were compared with an uniformly delivered X-ray dose (broad beam, BB) at 10 Gy. Our aims were to quantify (i) the impact of microbeams versus conventional irradiation on neurogenesis (using proliferative cells markers such as BrdU and Ki-67), and (ii) to investigate on a long term (1 year) the correlation between neurogenesis and impairments in learning and memory. Preservation of proliferative cells in the microbeam treated group were observed. Microbeam transections delivered to the hippocampus did not induce significant behavioral impairment histological and immunohistochemical findings showed a preserved hippocampal structure with evidence of higly precise transections diving the hippocampus in columns. This work confirms the safe delivery of high doses of radiation to specific and radiosensitive parts of the brain, if performed using microbeams Additionally, the development of clinical devices delivering submillimetric beams able to generate cortical or hippocampal transections might become a new powerful new tool for the clinical treatment of epilepsy, pain and other functional brain disorders.

Les macrophages primitifs envahissent la moelle épinière dès E11.5-12.5 chez l'embryon de souris. Ces cellules interagissent avec les neurites spinaux en croissance des neurones sensoriels des ganglions de la racine dorsale dès E12.5. La microglie est connue pour réguler plusieurs processus développementaux dans le système nerveux central, mais leur rôle dans le développement du système nerveux périphérique reste inconnu. Nous montrons que les macrophages primitifs régulent le développement des neurones sensoriels dans l'embryon de souris. Nous avons d'abord découvert que les macrophages primitifs interagissent avec les neurites périphériques des neurones sensoriels dès E11.5. Nous avons ensuite démontré que l'absence de macrophage chez les souris PU.1KO ou leur ablation immunopharmacologique, entraînait une réduction initiale des neuronaux TrkB+ et TrkC+ à E11.5, suivie d'une augmentation transitoire de leur nombre à E12.5. Cette augmentation est associée à une augmentation transitoire de leur mort développementale ce qui expliquerait pourquoi leur nombre redevient normal à partir de E13.5. Chez les embryons dépourvus de macrophage la mort augmente à nouveau à E15.5 pour les neurones TrkC+ et dès E14.5 pour les neurones TrkB+. Concernant les neurones TrkA+, leur nombre reste déficitaire entre E12.5 et E15.5, bien que leur mort développementale ne soit pas affectée. Nous avons enfin montré que la prolifération cellulaire était diminuée à E12.5 dans les ganglions des souris PU.1KO. Ces résultats sont la première démonstration que les macrophages primitifs et/ou les microglies immatures peuvent aussi réguler le développement embryonnaire du système nerveux périphérique. / The primitive macrophages invade the spinal cord as early as E11.5-12.5 in the mouse embryo. These cells interact with growing spinal neurites of the dorsal root ganglia sensory neurons as early as E12.5. Microglia is known to regulate several developmental processes in the central nervous system, but their role in the development of the peripheral nervous system remains unknown. We show that primitive macrophages regulate the development of sensory neurons in the mouse embryo. We first discovered that primitive macrophages interact with peripheral neurites of sensory neurons as early as E11.5. We then demonstrated that the absence of macrophage in PU.1KO mice or their immunopharmacological ablation resulted in an initial reduction of TrkB+ and TrkC+ neurons at E11.5, followed by a transient increase in their number at E12.5. This increase is associated with a transient increase in their developmental death which would explain why their numbers become normal again from E13.5. In macrophage-free embryos, death increases again to E15.5 for TrkC+ neurons and as early as E14.5 for TrkB+ neurons. Concerning TrkA+ neurons, their number remains deficient between E12.5 and E15.5, although their developmental death is not affected. We have finally shown that cell proliferation was decreased at E12.5 in ganglions of PU.1KO mice. These results are the first demonstration that primitive macrophages and / or immature microglia can also regulate the embryonic development of the peripheral nervous system.

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.