La formation des neurites constitue une étape cruciale dans le processus de différenciation neuronale. Cependant, les mécanismes qui permettent de déterminer comment et à quelle position les neurites émergent sont toujours largement méconnus. Nous avons postulé qu'une marque moléculaire pouvait préfigurer la différenciation morphologique. Au cours de ma thèse, j'ai cherché à identifier de nouvelles molécules capables de s'accumuler aux sites d'initiation des neurites et d'en contrôler la protrusion. De manière intéressante, chez la levure, la marque moléculaire qui contrôle le site de protrusion du bourgeon a été caractérisée. Parmi les centaines de protéines contrôlant le site d'initiation chez la levure, les Septines constituent une famille de protéines bien conservée chez les vertébrés. Ces GTPases forment des filaments qui agissent comme barrière de diffusion ou « échafaudage » moléculaire. Au cours de ma thèse, je me suis donc intéressée au rôle des Septines lors de l'initiation axonale dans le modèle des neurones sensoriels de DRG chez l'embryon de poulet. Nous avons pu démontrer qu'aux stades précoces de leur développement, ces neurones formaient deux axones, un au pôle ventral et l'autre au pôle dorsal, indiquant que le nombre et la position des sites d'initiation des axones sont bien contrôlés dans ces neurones. Nous avons, ensuite, démontré que les Septines étaient bien exprimées dans les DRG aux stades précoces du développement. Mes analyses en vidéo-microscopie de la localisation de la septine 7 au cours de la différentiation des neurones de DRG montrent que les Septines s'accumulent au site d'émergence de l'axone, juste avant ou lors de sa formation. L'inhibition des Septines induite par une construction dominant-négative (DN) ou par ajout d'un inhibiteur pharmacologique bloque la formation des axones. De plus, cette inhibition entraine une modification précoce de la morphologie, qui se traduit par l'apparition de cellules multipolaires complexes et de cellules rondes sans prolongement suggérant que, conformément à notre hypothèse, les Septines sont impliquées dans l'initiation des neurites. L'ensemble de ces résultats montre que les Septines régulent la différenciation morphologique précoce des neurones sensoriels / Neurite formation is a crucial step of neuronal differentiation. However, the mechanisms that determine how and at which position neurites emerge in the soma are still poorly understood. We postulated that a molecular polarity could prefigure the morphological differentiation, with some molecules that could accumulate at the future site of axon initiation. Interestingly, such molecular polarity has been evidenced in the contest of yeast budding, with bud forming at specific position relatively to the previous bud site. Genome-wide screen identified hundreds of proteins that control bud site location. Among the vertebrate molecules homologous to those involved in budding site selection, we selected the Septins as promising candidates. These GTP-ases form filaments that act as diffusion barriers and molecular scaffolds. We investigated the contribution of Septins to axon initiation using the chick dorsal root ganglion (DRG) neurons as a model. Monitoring of cell morphology in nascent ganglia indicates that DRG neurons form a single axon at the ventral pole and a second one at the dorsal pole and that these axons seem to emerge directly after their last division. This suggests that two initiation sites are selected at opposite pole of the soma.We found that Septins homologous with those controlling budding are expressed in the early DRG developmental stages. My analyses by time-lapse video-microscopy showed that Septin7 accumulate at the site of axon emergence, just before or during its formation.We observed that a pharmacological inhibitor and a dominant-negative construct block axon formation both in vitro and in vivo respectively. Furthermore, blocking Septin function leads to the appearance of uncommon round or sea urchin-like neurons. Thus, Septins appear to regulate early step of morphological differentiation of DRG neurons, possibly by controlling axon initiation site selection

Le vieillissement croissant de la population mondiale augmente les risques d’incidence de maladies dégénératives comme la maladie d’Alzheimer (AD). L’AD représente la forme de démence la plus commune. C’est plus de 40 millions de personnes qui sont affectés à l’échelle mondiale, créant ainsi un lourd fardeau économique annuel de plusieurs centaines de milliards de dollars. L’AD est une maladie dégénérative du cerveau qui se traduit par une perte graduelle de la mémoire et des fonctions cognitives. Cette dernière se caractérise par trois symptômes pathophysiologiques intimement reliés qui sont : (1) un système cholinergique défectueux, (2) une accumulation excessive de plaques séniles toxiques composées de peptides β–amyloïdes et (3) une hyperphosphorylation de la protéine Tau qui résulte en des enchevêtrements neurofibrillaires. Il n’existe à ce jour aucune cure contre l’AD et les traitements actuellement retrouvés sur le marché n’ont qu’un effet transitoire. En revanche, il y a de plus en plus d’indices qui suggèrent que l’utilisation de certains facteurs de croissance comme l’IGF-2, le bFGF et les neurotrophines pourraient agir à titre de traitement. Parmi ces derniers, la protéine morphogénétique osseuse 9 (BMP-9) a montré un fort potentiel thérapeutique. Cette dernière est toutefois coûteuse à produire en plus d’être volumineuse, ce qui limite fortement son acheminement au cerveau en raison de la barrière hématoencéphalique. Dans cette optique, nous avons développé deux peptides de 23 acides aminés dérivés de l’épitope knuckle de la BMP-9, pBMP-9 et SpBMP-9, 300 fois moins chers à produire. Les travaux de ce projet de doctorat portent sur le développement d’un système de libération du SpBMP-9, le plus efficace des deux peptides, comme stratégie de traitement contre l’AD. Tout d’abord, il a été montré que le SpBMP-9 permettait d’induire la différenciation neuronale de cellules humaines SH-SY5Y de façon plus efficace que la protéine native par la présence d’une croissance plus importante des neurites et l’expression de marqueurs de différenciation neuronaux. De plus, le SpBMP-9 pouvait agir sur au moins deux symptômes de l’AD en orientant la différenciation vers le phénotype cholinergique et en inactivant la GSK3β, une Tau kinase. Ensuite, un système de libération sous forme de nanoparticules à base de chitosane et d’alginate a été développé, puis caractérisé. Ce système de libération a permis d’encapsuler efficacement le SpBMP-9. Le suivi et la modélisation des cinétiques de libération à l’aide d’un modèle mathématique prenant en considération la distribution de taille des particules a permis d’identifier que la libération était principalement diffusive, mais qu’il existait de fortes interactions entre le peptide et l’alginate. Les tests de viabilité ont montré que les nanoparticules n’étaient pas toxiques sur des cellules SH-SY5Y. Enfin, le SpBMP-9 libéré à partir des nanoparticules était toujours bioactif et permettait une différentiation neuronale. Finalement, une étude exploratoire a permis de mettre en évidence que le SpBMP-9 pouvait agir en synergie avec le bFGF et le NGF. La combinaison du SpBMP-9 avec le bFGF ou le NGF a montré la présence d’une différenciation neuronale accrue mise en évidence par la présence d’une croissance de neurites supérieure, par l’expression de plusieurs marqueurs de différenciation ainsi que par un niveau de calcium intracellulaire plus important. Pour conclure, ces travaux de recherche suggèrent que le SpBMP-9 possède un fort potentiel thérapeutique dans le contexte de l’AD. Une étude plus approfondie de ses mécanismes d’action est requise ainsi que la validation de son effet in vivo sur modèle animal.

Die vorliegende Diplomarbeit vergleicht statistische Verfahren und neuronale Netze als Instrumente der Vorhersage von Zeitreihen und zeigt Stärken und Schwächen beider Modelle auf. Der Nachweis wird anhand von Daten aus der Produktionsplanung von Industrieunternehmen sowie aus dem Bereich der Kieferorthopädie geführt. Ausgehend von den Ergebnissen werden Möglichkeiten zur Verbesserung der Vorhersage im Bezug auf die Datenmodellierung sowie die Architektur und die Eigenschaften neuronaler Netze diskutiert, sowie ein Vergleich der prinzipiellen implementierten Netztypen untereinander hinsichtlich der Vorhersagequalität und die Vorhersage betreffender Charakteristika durchgeführt. Im praktischen Teil der vorliegenden Arbeit wurden weitergehend die zur Vorhersage verwendeten neuronalen Netze in einer universell verwendbaren Bibliothek implementiert. Für den obig erwähnten Anwendungsbereich der Produktionsplanung mit Hilfe neuronaler Netze wurde ein kommerziell verwendbares Programmodul entwickelt. In diesem Zusammenhang werden Probleme diskutiert, die insbesondere im praktischen Einsatz neuronaler Netze auftreten können.

Die Zellmembran dient der Zelle nicht nur als äußere Hülle, sondern ist auch an einer Vielzahl von lebenswichtigen Prozessen wie Signaltransduktion oder Zelladhäsion beteiligt. Wasser als integraler Bestandteil von Zellen und der extrazellulären Matrix hat sowohl einen großen Einfluss auf die Struktur von Biomolekülen, als auch selbst besondere Merkmale in eingschränkter Geometrie. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Effekte an Modellmembranen untersucht: Erstens der Einfluss des Gegenions an kationischen Lipiden (DODAX, X = F, Cl, Br, I) auf die Eigenschaften des Grenzflächenwassers und zweitens das Vermögen durch Viskositätsänderungen das Wachstum von Nervenzellen anzuregen sowie die einzelnen Stadien der Bildung von neuronalen Netzwerken und deren Optimierung zu charakterisieren. Lipidmultischichten und darin adsorbiertes Grenzflächenwasser wurden mittels Infrarotspektroskopie mit abgeschwächter Totalreflexion untersucht. Nach Charakterisierung von Phasenverhalten und Wasserkapazität der Lipide wurden die Eigenschaften des Wassers durch kontrollierte Hydratisierung bei einem Wassergehalt von einem Wassermolekül pro Lipid verglichen. Durch die geringe Wasserkapazität können in diesem besonderen System direkte Wechselwirkungen zwischen Lipiden und Wasser aus der ersten Hydratationsschale beobachtet werden. Bemerkenswert strukturierte OH-Streckschwingungsbanden in Abhängigkeit des Anions und niedrige IR-Ordnungsparameter zeigen, dass stark geordnete, in ihrer Mobilität eingeschränkte Wassermoleküle an DODAX in verschiedenen Populationen mit unterschiedlich starken Wasserstoffbrückenbindungen existieren und sich vermutlich in kleinen Clustern anordnen. Die zweite Fragestellung hatte zum Ziel, das Wachstum von Nervenzellen auf Membranen zu beleuchten. Auf der Ebene einzelner Zellen wurde untersucht, ob sich in Analogie zu den bisher verwendeten elastischen Substraten, die Viskosität von Membranen als neuartiger physikalischer Stimulus dafür eignet, das mechanosensitive Verhalten von Neuronen zu modulieren. Das Wachstum der Neuronen wurde auf substrat- und polymergestützten Lipiddoppelschichten mittels Phasenkontrastmikroskopie beobachtet. Die Quantifizierung der Neuritenlängen, -auswuchsgeschwindigkeiten und -verzweigungen zeigten kaum signifikante Unterschiede. Diffusionsmessungen (FRAP) ergaben, dass entgegen der Erwartungen, die Substrate sehr ähnliche Fluiditäten aufweisen. Die Betrachtung der zeitlichen Entwicklung des kollektiven Neuronenwachstums, also der Bildung von komplexen Netzwerken, offenbarte robuste „Kleine-Welt“-Eigenschaften und darüber hinaus unterschiedliche Stadien. Diese wurden durch graphentheoretische Analyse beschrieben, um anhand typischer Größen wie dem Clusterkoeffizienten und der kürzesten Pfadlänge zu zeigen, wie sich die Neuronen in einem frühen Stadium vernetzen, im Verlauf eine maximale Komplexität erreichen und letztlich das Netzwerk durch effiziente Umstrukturierung hinsichtlich kurzer Pfadlängen optimiert wird.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die nanoskopische Analyse struktureller Differenzierung und Plastizität präsynaptischer aktiver Zonen (AZs) an der NMJ von Drosophila melanogaster mittels hochauflösender, lichtmikroskopischer Bildgebung von Bruchpilot (Brp). In erster Linie wurde das lokalisationsmikroskopische Verfahren dSTORM angewendet. Es wurden neue Analyse-Algorithmen auf der Basis von HDBSCAN entwickelt, um eine objektive, in weiten Teilen automatisierte Quantifizierung bis auf Ebene der Substruktur der AZ zu ermöglichen. Die Differenzierung wurde am Beispiel phasischer und tonischer Synapsen, die an dieser NMJ durch Is- und Ib-Neurone gebildet werden, untersucht. Phasische Is-Synapsen mit hoher Freisetzungswahrscheinlichkeit zeigten kleinere, kompaktere AZs mit weniger Molekülen und höherer molekularer Dichte mit ebenfalls kleineren, kompakteren Brp-Subclustern. Akute strukturelle Plastizität wurde am Beispiel präsynaptischer Homöostase, bei der es zu einer kompensatorisch erhöhten Neurotransmitterfreisetzung kommt, analysiert. Interessanterweise zeigte sich hier ebenfalls eine kompaktere Konfiguration der AZ, die sich auch auf Ebene der Subcluster widerspiegelte, ohne Rekrutierung von Molekülen. Es konnte demonstriert werden, dass sich eine höhere Moleküldichte in der Lokalisationsmikroskopie in eine höhere Intensität und größere Fläche in der konfokalen Mikroskopie übersetzt, und damit der Zusammenhang zu scheinbar gegensätzlichen Vorbefunden hergestellt werden. Die Verdichtung bzw. Kompaktierung erscheint im Zusammenhang mit der Kopplungsdistanz zwischen VGCCs und präsynaptischen Vesikeln als plausibles Muster der effizienten Anordnung molekularer Komponenten der AZ. Die hier eingeführten Analysewerkzeuge und molekularbiologischen Strategien, basierend auf dem CRISPR/Cas9-System, zur Markierung von AZ-Komponenten können zukünftig zur weiteren Klärung der Bedeutung der molekularen Verdichtung als allgemeines Konzept der AZ-Differenzierung beitragen. / The aim of this work was a nanoscopic analysis of structural differentiation and plasticity of presynaptic active zones (AZs) at the NMJ of Drosophila melanogaster using super-resolution light microscopy of Bruchpilot (Brp). The localization microscopy technique dSTORM was primarily used. New analysis algorithms based on HDBSCAN were developed to ensure objective and largely automatized quantification including the substructure of the AZ. Differentiation was assessed using the model of phasic and tonic neurons that are represented by type Is and type Ib neurons at this NMJ. Phasic Is synapses with higher release probability displayed smaller, more compact AZs with less molecules and an enhanced molecular density with smaller, more compact Brp subclusters. For acute structural plasticity the model of presynaptic homeostasis, which is accompanied by a compensatory increase of neurotransmitter release, was used. Interestingly, this again showed a more compact arrangement of the AZ, that was also found in Brp subclusters, without addition of molecules. It could be demonstrated that a higher molecular density in localization microscopy translates into a higher intensity and area in confocal microscopy and, thus, the apparent discrepancy to earlier studies could be explained. With respect to the coupling distance between VGCCs and presynaptic vesicles compaction appears to be a plausible mechanism for an efficient remodeling of AZ components. The analysis tools and molecular biology strategies, based on the CRISPR/Cas9-System, introduced here will be useful to further clarify the importance of molecular compaction as a general concept of AZ differentiation.

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

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

Les mesures de plasticité synaptique ont historiquement impliqué l'utilisation de méthodes d'électrophysiologie qui, en intégrant les nombreux influx synaptiques, offrent une très grande sensibilité de détection de changements de forces synaptiques. Cette grande sensibilité se fait cependant aux dépens d'une information spatiale quant à la localisation des synapses subissant une plasticité. Sachant que la plasticité synaptique est un phénomène qui peut être indépendant d'une synapse à l'autre, il devient important d'avoir la possibilité de mesurer, à l'échelle synaptique, les changements moléculaires associés à cette plasticité. De nouveaux outils fluorescents développés dans les dernières décennies permettent maintenant de visualiser directement l'activité synaptique, la signalisation et le remodelage à l'échelle synaptique. Durant ma maîtrise en biophotonique, j'ai mesuré optiquement l'activité calcique résultant d'une libération spontanée de neurotransmetteurs à l'aide d'un nouveau senseur de calcium (Ca2+) génétiquement encodé, GCaMP6f. Pour ce faire, j'ai imagé par vidéo-microscopie des neurones d'hippocampes de rats en culture perfusés avec une solution sans Mg2+ contenant de la Tetrodotoxine (0Mg/TTX). J'ai observé, dans des compartiments dendritiques et dans des épines, des oscillations transitoires et localisées du Ca2+ intracellulaire, nommées influx synaptiques miniatures de Ca2+ (MSCTs). Afin de tester la possibilité de potentialiser les MSCTs, je les ai enregistrés avant et après un protocole de stimulation de 5 minutes reconnu pour induire une plasticité synaptique dans les neurones en culture (0Mg2+/Glycine/Bicuculline, cLTP). J'ai observé qu'une augmentation de la fréquence et de l'amplitude des MSCTs, pouvant persister parfois jusqu'à une heure, est induite par le protocole de stimulation. J'ai donc tenté d'identifier les mécanismes moléculaires de cette plasticité. Les MSCTs sont principalement générés par l'ouverture des récepteurs NMDA, car ils sont presque totalement bloqués par l'addition d'AP5, un antagoniste sélectif au récepteur. De plus, l'ajout d'AP5 durant le protocole de stimulation bloque la plasticité. Il semble donc que les MSCTs et leur plasticité sont dépendants des récepteurs NMDA. Fait intéressant, ni les MSCTs ni leur plasticité ne sont bloqués par le NBQX, un antagoniste des récepteurs AMPA, ce qui laisse supposer que la plasticité résulte possiblement de changements dans la quantité et la composition des récepteurs NMDA, en plus des modifications dans la signalisation du Ca2+ et dans la régulation de la libération de neurotransmetteurs. Également, alors que nous avons observé que l'activité enzymatique de la CaMKII n'est pas essentielle pour l'induction et l'expression de la plasticité, certains résultats préliminaires démontrent un possible rôle de la PKA. Afin de tester mes diverses hypothèses, j'ai également combiné l'imagerie de Ca2+ avec l'imagerie d'autres composants pré et postsynaptiques, afin d'identifier les mécanismes moléculaires responsables de la plasticité des MSCTs. Dans l'ensemble, cette nouvelle mesure de la plasticité synaptique présente le potentiel de fournir de nouvelles connaissances sur la diversité des processus moléculaires qui régissent la potentialisation synaptique. / Classical measurements of synaptic plasticity have involved electrophysiological methods which provide high sensitivity for detecting small changes in synaptic strength. However, this approach does not provide much information about the location of the synapses that undergo plastic changes. Because synaptic plasticity can be synapse-specific, having the ability to monitor changes in synaptic strength at individual synapses is important in order to enable simultaneously monitoring of local molecular mechanisms associated with the plasticity. New fluorescent tools developed in the last decades allow to directly visualize synaptic activity, signaling, and remodeling at individual synapses. During my Master studies, I used optical imaging of a genetically-encoded calcium (Ca2+) sensor, GCaMP6f, to record miniature synaptic Ca2+ transients (MSCTs) in cultured rat hippocampal neurons. For these experiments, I performed video-microscopy on neurons perfused with external solution lacking Mg2+ and containing Tetrodotoxin (0Mg2+/TTX). I have observed highly localized and transient increases of intracellular Ca2+ in dendritic compartments and spines. To test whether these MSCTs can be potentiated, I have measured them before and after a 5 min stimulation known to induce plasticity in cultured neurons (0Mg2+/Glycine/Bicuculline, cLTP). A lasting increase in the frequency and amplitude of MSCTs, for at least an hour, arose from this stimulation protocol. I have thus investigated the molecular mechanisms of this plasticity. The MSCTs are mostly mediated by NMDA receptors, since they are almost totally blocked by the selective antagonist to the receptor, AP5. Moreover, addition of AP5 only during the cLTP stimulation blocks the MSCT plasticity. It thus appears that both the MSCTs and their plasticity are NMDA receptor-dependent. Interestingly, the MSCTs and their plasticity are not blocked by the AMPA receptor antagonists NBQX, pointing to possible changes in NMDA receptor content, postsynaptic Ca2+ signaling, or presynaptic neurotransmitter release. Also, while we found that CaMKII signaling is non-essential for the induction of the plasticity, preliminary data are showing a plausible PKA-dependency of the plasticity. To test these hypotheses, I have also tried to combine Ca2+ imaging with imaging of other pre and postsynaptic components, to identify the molecular mechanisms responsible for the MSCT plasticity. Overall, this new approach presented in this thesis might provide new knowledge on the diversity of molecular processes that support synaptic potentiation.

Titre de l'écran-titre (visionné le 4 décembre 2024) / De par son implication dans plusieurs maladies neurologiques ainsi que dans les mécanismes sous jacents de la mémoire et de l'apprentissage, il est capital d'étudier la plasticité synaptique. Ce projet a cherché à développer des outils et protocoles permettant d'étudier les synapses et leur développement en utilisant le modèle du poisson-zèbre larvaire. À cet égard, j'ai exploité des techniques de biologie moléculaire pour concevoir et créer des plasmides codant pour l'expression de biomarqueurs synaptiques fluorescents. FingR-PSD95 (Fibronectin intrabody generated with mRNA display) est une protéine génétiquement encodée agissant à la manière d'un anticorps capable de cibler la protéine post-synaptique PSD95 localisée au niveau de l'espace post-synaptique des synapses excitatrices. Lorsqu'associé à une protéine fluorescente, FingR-PSD95 rend donc l'observation de synapses excitatrices en microscopie possible. Pour permettre au poisson-zèbre d'exprimer ces biomarqueurs, j'ai injecté des plasmides encodant FingR-PSD9 couplé à une protéine fluorescente verte (GFP) dans des œufs fécondés de poisson-zèbre au stade unicellulaire. Pour observer les prolongements neuronaux, j'ai utilisé un marquage membranaire rouge couplé au système FingR-PSD95. L'intégration de l'ADN plasmidique au génome du poisson-zèbre se fait par le système de transposase Tol2. Par la suite, j'ai employé des techniques de microscopie à fluorescence pour réaliser de l'imagerie synaptique sur des larves de poisson-zèbre vivantes. La caractérisation de ce marquage synaptique et de son efficacité chez le poisson-zèbre a alors permis de déterminer les stratégies d'optimisation nécessaires pour éventuellement développer une nouvelle lignée transgénique. Dans le cadre d'expériences de suivi de développement synaptique chez le poisson-zèbre, il est souhaitable de pouvoir imager des larves à des stades avancés de développement alors que leur répertoire comportemental se complexifie et leur organisation synaptique se développe considérablement. Il est nécessaire de développer des protocoles d'imagerie adaptés aux changements physiologiques dus à la maturation des larves. Ainsi, il sera possible d'étudier l'organisation synaptique du poisson-zèbre au travers d'expériences comportementales, d'apprentissage, et de manipulations de l'exposome (microbiote, toxines, stress, environnement social) à différents stades de développement.

La plasticité synaptique représente un mécanisme fondamental de l'apprentissage et de la mémoire au cours du développement et durant la vie adulte. Au niveau moléculaire, il est connu que la CaMKII joue un rôle important dans la plasticité et la maturation des synapses. L'objectif était de démontrer par mesure électrophysiologique que la translocalisation de la CaMKII à la synapse est nécessaire à la potentialisation à long terme (LTP) des courants synaptiques. Pour tester cette hypothèse, une étape critique devait d'abord être franchie, celle d'établir une méthode robuste pour induire de la LTP dans des neurones d'hippocampe de rat maintenus en culture, où on peut manipuler l'expression et la dynamique spatiale de la CaMKII. Ce mémoire montre que cette première étape n ' a pu être établie et qu'ainsi l'hypothèse de départ n'a pu être testée. Néanmoins, je présente une méthode candidate prometteuse, faisant appel à une lumière intense, pour augmenter la fréquence des événements synaptiques. De plus, j ' a i développé un outil qui permettra bientôt d'automatiser les mesures d'électrophysiologie et microscopie nécessaires pour tester l'hypothèse de départ. Il devrait entre autre accélérer notre capacité de trouver un protocole optimal pour induire de la LTP en culture en testant un plus grand nombre de conditions expérimentales de manière rapide et reproductible.