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Chez les vertébrés, les neurones qui contactent le LCR (NcLCR) sont présents autour des cavités ventriculaires et tout le long du canal central (cc). Par la combinaison d'enregistrements électrophysiologiques sur tranche de tronc cérébral et d'analyses immunohistochimiques, nous avons réalisé la première caractérisation de cette population neuronale chez la souris adulte. Nous montrons que les NcLCR sont présents autour du cc au niveau du complexe vagal dorsal (CVD), une structure bulbaire impliquée dans la régulation des fonctions autonomes, où ils sont principalement GABAergiques, reçoivent des afférences synaptiques GABA/Glycinergiques et expriment le canal PKD2L1 ("polycystin kidney disease 2-like 1"), un membre de la famille des canaux TRP ("transient receptor potential"). Nous montrons que l'activité de PKD2L1 est modulée par les variations de pH et d'osmolarité et que son augmentation module l'excitabilité des NcLCR. Finalement, nous démontrons que les NcLCR existent dans un état de maturité intermédiaire caractérisé par propriétés fonctionnelles de neurones matures combinées à la conservation de l'expression de marqueurs d'immaturités.Les NcLCR étant stratégiquement positionné entre le LCR et le parenchyme, ils pourraient détecter des signaux circulant grâce à l'activation de PKD2L1 puis distribuer le message collecté à leurs partenaires. Un tel rôle, apparaît particulièrement intéressant au niveau du CVD, un site de régulation majeur des fonctions autonomes et pourrait être démontré par l'identification du réseau neuronal où les NcLCR sont intégrés. / In vertebrates, cerebrospinal fluid contacting neurons (CSF-cN) are present around the ventricular cavities and along the central canal (cc). In this study, by the combination of whole cell patch-clamp recordings on brainstem slice and immunohistochemistry analysis, we realize the first characterization of this neuronal population in adult mice. We show that CSF-cN are present around the cc in the dorsal vagal complex (DVC), a major hindbrain structure regulating autonomic functions. There, CSF-cN are mostly GABAergics, receive GABA- and glycinergic synaptic entries and express functional polycystin kidney disease 2-like 1 (PKD2L1) channels. These channels are a subtype of the transient receptor potential (TRP) channels superfamily and this study represent the first analysis of PKD2L1 properties in a native system. We show that PKD2L1 channel activity is modulated by variations in extracellular pH and osmolarity and in turn, an enhanced activity of only few PKD2L1 channels participates in the modulation of CSF-cN excitability. Finally, we demonstrate that CSFcN exhibit another interesting property since they exist in an intermediate stage of maturity by displaying many mature functional properties combined to the conservation of the expression of immature markers.Because CSF-cN are strategically positioned between CSF and parenchyma, they could detect circulating signals through PKD2L1 activation and convey the collected messages to cellular partners. Such a role might be particularly relevant at the level of the DVC a major regulatory site for autonomic functions and should be demonstrated by identifying and characterizing the neuronal network CSFcN are involved in.

Au niveau du canal central (CC) du tronc cérébral et de la moelle épinière, on trouve des neurones au contact avec le liquide céphalorachidien (Nc-LCR). Les Nc-LCR sont GABAergiques et projettent une seule dendrite dans le CC qui se termine par une large protrusion. Ils expriment sélectivement le canal PKD2L1 pour lequel des fonctions de chimio- et mécanorécepteur ont été démontrées. Compte tenu de leur localisation, de leur morphologie et de l’expression sélective de PKD2L1, les Nc-LCR représenteraient une nouvelle population de neurones sensoriels dans le SNC. Au cours de ma thèse, je me suis concentrée sur la caractérisation des canaux Ca2+ et les mécanismes de signalisation Ca2+ dans les Nc-LCR bulbo-spinaux de souris. Je rapporte que les Nc-LCR expriment des canaux Ca2+ qui sont modulés par les récepteurs métabotropiques GABAB et muscarinique. Je montre aussi l'implication des stocks intracellulaires dans la régulation du Ca2+ intracellulaire. Ensuite, je démontre pour la première fois la relation fonctionnelle entre la protrusion et le soma et indique que la protrusion serait dépourvu de conductance ionique active. Enfin, pour aborder le rôle des Nc-LCR, j'ai développé des modèles chimiogénétiques (DREADDs) et optogénétiques (channelrhodopsin) chez la souris afin de manipuler sélectivement l'activité Nc-LCR. Dans l'ensemble, les résultats de mon étude de doctorat contribuent à mieux comprendre les Nc-LCR bulbo-spinaux des mammifères en en contribuant à la caractérisation de leur physiologie et modulation. Ils ouvrent également la voie à de futures études qui permettront de démontrer le rôle de cette population neuronale dans la régulation de l'activité du SNC. / Cerebrospinal fluid-contacting neurons (CSF-cNs) located in the ependymal region around the central canal (CC) in the brainstem and the spinal cord are GABAergic neurons that project a single dendrite to the CSF and ends with a large protrusion. They selectively express PKD2L1 channel suggested to act as chemo- and mechanoreceptor. Considering their localization, morphology and selective expression of PKD2L1 channel, CSF-cNs would represent a novel population of sensory neurons within the CNS. To better understand the role of CSF-cNs in mammals, it is necessary to describe the physiological properties and modulation of CFS-cNs. In the present study, I focused on Ca2+ channels and Ca2+ signaling mechanisms in mouse medullo-spinal CSF-cNs. I report that Ca2+ channels in CSF-cNs undergo modulation by metabotropic GABAB and muscarinic acetylcholine receptors. I further show the involvement of intracellular Ca2+ stores in the regulation of intracellular Ca2+. Next, I demonstrate for the first time functional relationship between bud and soma and indicate that the bud would be devoid of active ionic conductance. Finally, to address the role of CSF-cNs, I developed chemogenetic (DREADDs) and optogenetic (channelrhodopsin) mice models to be able to selectively manipulate CSF-cN activity. Altogether, the results of my PhD study contribute to better understanding mammalian medullo-spinal CSF-cNs by providing valuable information on their physiology and modulation. They also set ground for further studies carried out in ex-vivo preparation or in vivo models to demonstrate their role in the regulation of CNS activity.

Les circuits neuronaux sous-tendant la locomotion requièrent d'intégrer à la fois des stimuli sensoriels et l'état physiologique. Cependant, la manière dont ces circuits fonctionnent pendant la locomotion active reste peu comprise. La larve de poisson zèbre est un organisme vertébré idéal pour étudier cette question de part son répertoire locomoteur simple et son accessibilité à la manipulation génétique. Dans le Chapitre 1, je décris le logiciel que nous avons développé afin de nous permettre de traquer les comportements et caractériser automatiquement les modules locomoteurs à haut débit. Les interneurones V2a sont des neurones excitateurs de la moelle épinière et du cerveau postérieur caractérisés par l'expression du facteur de transcription chx10. Afin de tester leur implication dans la locomotion, j'ai, dans le Chapitre 2, validé l'utilisation d'une toxine génétiquement encodée dans le but d'inhiber la population chx10 positive in vivo. Par analyse comportementale, enregistrements de locomotion fictive et imagerie calcique, nous avons montré que les V2as sont impliqués différemment dans la locomotion lente et rapide. Les neurones contactant le liquide céphalorachidien (NcLCRs) relaient des informations sensorielles aux circuits moteurs. Par ciblage génétique, imagerie calcique, pharmacologie et électrophysiologie, j'ai, dans le Chapitre 3, investigué le rôle de l'activité spontanée dans les NcLCRs. J'ai montré que l'ouverture de canaux PKD2L1 représentait une source intrinsèque d'activité spontanée dans les NcLCRs. Ces résultats offrent une meilleure compréhension de la manière dont les interactions dynamiques structurent les sorties locomotrices in vivo. / The neural networks that underlie locomotion are complex and require integration of sensory input and physiological state. However, how these networks function during active locomotion to incorporate sensory input from the environment and the internal state of the animal remains poorly understand. The zebrafish larva is an ideal vertebrate to study these questions thanks to its simple locomotor repertoire, transparency, and amenability to genetic manipulation. In Chapter 1, I describe a program to track behavior at high speeds and automatically characterize locomotor patterns in a high-throughput manner. V2a interneurons are excitatory interneurons in the spinal cord and hindbrain identified by the chx10 transcription factor. In Chapter 2, I validated the use of a genetically-encoded botulinum toxin to silence the chx10 population in vivo. Using fictive locomotor recordings and calcium imaging, I demonstrated that silencing V2as leads to decreased activity in primary motor neurons during fast swimming, corresponding to a lower swimming frequency in V2a-silenced larvae. Cerebrospinal fluid-contacting neurons (CSF-cNs) are intraspinal neurons that relay sensory information to motor circuits. CSF-cNs in diverse species express GABA and the transient receptor potential channel PKD2L1. In Chapter 3, I used genetic targeting, calcium imaging, pharmacology, and electrophysiology to investigate the role of spontaneous activity in CSF-cNs. I showed that single channel opening of PKD2L1 represents an intrinsic source of spontaneous activity in CSF-cNs. These tools and results will allow a more complete picture of how dynamic interactions shape locomotor output in vivo.

Les neurones au contact du liquide céphalorachidien (CSF-cNs) sont des cellules ciliées présentes tout autour du canal central de la moelle épinière. Ces cellules sont GABAergiques, déploient une brosse de microvillosités à l'intérieur de la lumière du canal et sont caractérisées par une expression du canal ionique Pkd2l1. Ceci les désigne comme de potentielles cellules sensorielles. Il a été montré que les CSF-cNs peuvent moduler la locomotion et qu'elles réagissent aux variations de pH in vitro. Cependant les modalités sensorielles transmises par ces cellules et leur implication dans la fonction locomotrice nous échappent encore. Dans ma thèse, j'étudie la fonction sensorielle des CSF-cNs dans la moelle épinière de la larve de poisson zèbre. En combinant le relargage de proton et l'imagerie pH avec l'imagerie calcique, nous avons pu montrer que les CSF-cNs répondent à des pics d'acidification in vivo et que cette réponse persiste dans des mutants pkd2l1. Nous démontrons également que les CSF-cNs ne sont pas activés de façon coordonnée lors de la locomotion fictive. Les mouvements actifs ou passifs de la queue conduisent toutefois à l'activation spécifique des CSF-cNs ipsilatérales de la contraction musculaire. Ces observations suggèrent que les CSF-cNs sont recrutées par une stimulation mécanique. Les mutants pkd2l1 ont montré une diminution de la réponse à la flexion active et passive de la queue et une diminution de la fréquence de battement de la queue. Dans son ensemble, le travail présenté ici met donc en évidence que les CSF-cNs répondent aux variations de pH in vivo et révèle leur rôle d'organe mécanosensoriel permettant la modulation du réseau locomoteur spinal. / Cerebrospinal fluid-contacting neurons (CSF-cNs) are ciliated cells surrounding the central canal. These cells are GABAergic, extend a brush of microvilli into the lumen and are specified by the expression of the transient receptor potential ion channel Pkd2l1. The atypical morphology of CSF-cNs and their location make them candidates for sensory cells. It has been shown that CSF-cNs modulate locomotion by projecting onto the locomotor central pattern generators (CPGs) and that CSF-cNs can react to changes of pH in vitro, but the sensory modality these cells convey to spinal circuits and their relevance to locomotion remain elusive. In my thesis I investigate the sensory function of CSF-cNs in the zebrafish larva spinal cord. By combining proton uncaging together with pH imaging and calcium imaging, we could show that CSF-cNs respond to pulses of acidification in vivo and that this response persists in pkd2l1 mutants. Using genetically encoded calcium sensors we showed that CSF-cNs are not coordinately activated during fictive locomotion. Active or passive tail movement, however, led to CSF-cN activation restrained to cells ipsilateral to muscle contraction. These observations suggest that CSF-cNs are recruited by ipsilateral muscle contraction and/or tail torsion. Pkd2l1 mutants showed a decreased response to active and passive bending of the tail and a subtle but consistent decrease of tail-beat frequency was observed in the startle response. Altogether, the presented work shows evidence that CSF-cNs respond to changes in CSF pH and reveals that CSF-cNs constitute a mechanosensory organ which operates during locomotion to modulate spinal CPGs.