Le cortex cérébral primate a subi des modifications majeures pendant l'évolution qui ont permis le développement de fonctions cognitives supérieures. Un accroissement massif a eu lieu avec l'extension spécifique des couches supragranulaires et une forte expansion tangentielle. Le cortex primate ne possède pas uniquement davantage de neurones, comparé au rongeur, mais aussi des différences qualitatives. Ceci suggère des différences qualitatives pendant le développement du cortex.Une zone proliférative corticale supplémentaire a été identifiée chez le singe macaque: la zone subventriculaire externe (OSVZ) supposée être impliquée dans l'expansion du cortex primate. Mais les propriétés des précurseurs de l'OSVZ restent mal connues. Des techniques de microscopie en temps réel et d'immunofluorescence ont permis de réaliser une description exhaustive des précurseurs de l'OSVZ et de leurs propriétés chez le singe macaque.Nos résultats mettent en évidence des différences primates/rongeurs majeures. Les observations en temps réel révèlent des capacités prolifératives bien plus importantes des précurseurs. Les précurseurs primates de l'OSVZ présentent des taux de prolifération variables pendant la corticogenèse liés à la cinétique du cycle cellulaire. Nos enregistrements ont permis la génération d'une grande base de données de propriétés et lignages de précurseurs et la mise en évidence d’une diversité morphologique inattendue. 5 types ont été identifiés. Impliqués dans des lignages complexes, chaque type a la capacité de s'auto-renouveler et de générer directement des neurones. Parallèlement, nous avons développé une méthode de classification non supervisée des précurseurs corticaux. Cette technique a identifié les mêmes 5 types de précurseurs.Les résultats de cette thèse apportent de nouveaux éléments dans la compréhension des spécificités de la corticogenèse primate qui contribuent à l'expansion corticale et au développement de capacités cognitives supérieures. / The primate cerebral cortex underwent major modifications during evolution that enabled the development of high cognitive functions. A massive enlargement occurred with the specific expansion of the supra granular layers and the apparition of new frontal areas. Not only quantitative differences are found compared to the rodent but also qualitative differences. This points to potential qualitative differences in primate cortical development. An extra proliferating zone had already been identified during macaque corticogenesis: the outer subventricular zone (OSVZ). This zone is assumed to play a key role in the expansion of the primate cortex but the cellular and functional properties of OSVZ precursors remain elusive. We used quantitative long-term time-lapse video-microscopy (TLV) and immunofluorescence in and ex vivo to perform a detailed and exhaustive description of OSVZ precursor types and proliferative abilities at different stages of macaque cortical development. Our results highlight major rodent/primate differences. TLV observations revealed a much higher proliferative potential of OSVZ compared to the rodent SVZ. We report variable rates of proliferation linked to cell-cycle duration in a stage-specific manner. TLV recordings allowed the formation of a large database of primate precursor properties and lineages. This dataset unravelled an unexpectedly high diversity of OSVZ precursor morphologies. Five precursor types were identified. Involved in complex lineages, each precursor type can self-renew and directly generate neurons. In a parallel approach, we developed an unbiased clustering tool to automatically classify cortical precursors. This technique returned the same five precursor types as the morphological categorization. The results of this PhD thesis provide new insights into primate specificities during corticogenesis that contribute to cortical expansion and to the development of higher cognitive abilities.

Résumé non transmis / Summary not transmitted

Récemment, le concept monofonctionnel de la protéine Tau en tant que protéine stabilisatrice des microtubules a été remis en cause. Ces nouvelles fonctions sont liées à de nouvelles localisations comme le noyau, la membrane, la synapse ou encore les vésicules. La localisation extracellulaire est particulièrement intéressante car elle pourrait intervenir dans la sécrétion de Tau et expliquer l’évolution hiérarchisée de certaines tauopathies sporadiques dont fait partie la maladie d’Alzheimer. La pathologie Tau peut être induite chez l’animal par injection intracrânienne d’espèces pathologiques et semble se transmettre d’un neurone à un autre et d’une région à une autre. Ce phénomène suit des voies neuroanatomiques et suggère une propagation active des assemblages toxiques des protéines Tau. Des études in vitro ont mis en évidence que les protéines Tau sont capables de se déplacer d’une cellule à une autre propageant ainsi la pathologie par un mécanisme de recrutement des espèces saines. L’existence d’une progression hiérarchisée de la pathologie Tau combinée à sa localisation extracellulaire permet de formuler une nouvelle hypothèse. La protéine Tau serait une protéine de type prion et se comporterait comme telle pour propager la pathologie.Cette caractéristique implique l’existence de mécanismes cellulaires de transports actifs pour transférer les protéines pathologiques. Plusieurs travaux ont montré que la protéine Tau est libérée dans le milieu extracellulaire ou enfermée dans des vésicules extracellulaires lors de son transport entre les cellules. Parallèlement aux mécanismes de sécrétion/capture, des ponts membranaires établissant un contact direct entre deux cellules pourraient être impliquer dans la propagation de Tau. Les TNTs constituent une piste sérieuse de part leur rôle déjà établi dans le transfert de pathogènes et de protéines mal repliées impliqués dans différentes maladies neurodégénératives. Notre objectif a donc été d’étudier l’implication de ces structures dans le transfert interneuronal des assemblages de protéines Tau.Dans ce travail de thèse, nous démontrons que les espèces pathologiques de Tau empruntent les TNTs pour leur transfert interneuronal. Nous apportons les preuves, par vidéo-microscopie, de l’existence d’un transfert de protéines Tau pathologiques d’un neurone primaire à un neurone secondaire et donc d’une implication potentielle des TNTs dans la propagation de la pathologie Tau et la transmission de la maladie. Fait remarquable, la présence des fibres Tau au niveau extracellulaire active la formation des TNTs et facilite leur transfert. Ce résultat place les TNTs au coeur du processus pathologique de la propagation et de son cycle infernal (transfert de Tau dans les cellules naïves par les TNTs – seeding - mort neuronal - libération de Tau dans le milieu extracellulaire - augmentation du nombre des TNTs…). Nous avons aussi apporté une caractérisation des TNTs dans les neurones primaires. Ce résultat est d’autant plus important qu’il est difficile d’identifier des TNTs dans les neurones et c’est dans ce contexte que nous avons réalisé une découverte étonnante, la protéine Tau endogène est présente de manière physiologique dans les TNTs de neurones primaires. Ces résultats révèlent, et pour la première fois, que la protéine Tau, comme l’actine, peut être considérée comme une composante constitutive des TNTs dans les neurones. Elle pourrait ainsi être utilisée comme un marqueur des TNTs. Ces résultats mettent également en lumière une nouvelle fonction de Tau appuyant une fois de plus le caractère multifonctionnel de cette protéine [...] / Over the past few years, the monofunctional concept of Tau protein as a microtubule-associated stabilizing protein has been challenged. These new functions are linked to new localizations: nucleus, membrane, synapse or vesicles. The extracellular localization is particularly interesting as it could play a role in the secretion of Tau and explain the hierarchical evolution of some sporadic tauopathies such as Alzheimer's disease. The Tau pathology can be induced in animals by intracranial injection of pathological species and seems to be transferred from one neuron to another and from one region to another. This phenomenon follows neuroanatomic pathways and suggests an active propagation of the toxic assemblies of Tau proteins. In vitro studies have shown that proteins are able to move from one cell to another and induce the same abnormal conformation of endogenous Tau proteins initiating a self-amplifying cascade. The existence of a hierarchical progression of the Tau pathology combined with its extracellular localization enables to express a new hypothesis. The Tau protein would be a prion-like protein and would behave like that to propagate the pathology.This characteristic implies the existence of cellular active transport mechanisms to transfer pathological proteins. Several studies have shown that the Tau protein, during transport between cells, is released in the extracellular medium or enclosed in extracellular vesicles. Simultaneously with secretion / capture mechanisms, membrane bridges, establishing direct contact between two cells, could be involved in Tau propagation. TNTs are a serious candidate with their already established role in the transfer of pathogens and misfolding proteins involved in various neurodegenerative diseases. Thus, our objective was to study the involvement of these structures in the interneuronal transfer of Tau protein assemblies.In this thesis, we demonstrate that Tau pathological species use TNTs for their interneuronal transfer. We bring evidences, by videomicroscopy, that pathological Tau proteins are transferred from a primary to a secondary neuron and that TNTs could be involved in the spreading of Tau pathology and the disease transmission. Furthermore, the presence of extracellular Tau fibers can activate the formation of TNTs and facilitate their transfer. This result places TNTs in a central place for propagation pathological process and its vicious cycle (transfer of Tau in naive cells by TNTs - seeding - neuronal death – release of Tau in the extracellular environment - increase in the number of TNTs…). We also made a characterization of the TNTs in primary neurons. This result is really important as it is really complex to identify TNTs in neurons. And in this context, we made a surprising discovery: the endogenous Tau protein is physiologically present in TNTs in primary neurons. These results reveal, for the first time, that the Tau protein, like actin, can be considered as a constitutive component of TNTs in neurons. Thus, it could be used as a marker for TNTs. All these results also highlight a new Tau function and reinforce the multifunctional characteristic of this protein.To confirm the importance of this new pathway in the pathological process, further studies should be considered by analyzing if the transfer of pathological Tau species induces a pathological phenotype in the recipient cell and by looking for the cellular mechanisms involved in the transfer of toxic Tau assemblies by TNTs. In vivo studies on integrated systems such as Caenorhabditis elegans would confirm the involvement of these dynamic structures in the pathological process and identify a new therapeutic target.

Studium chování opticky zachycených částic nám umožňuje porozumět základním fyzikálním jevům plynoucím z interakce světla a hmoty. Předkládaná práce podává vysvětlení zesílení tažné síly působící na opticky svázané částice ve strukturovaném světelném poli, tzv. tažném svazku. Ukazujeme, že pohyb dvou opticky svázaných objektů v tažném svazku je silně závislý na jejich vzájemné vzdálenosti a prostorové orientaci, což rozšiřuje možnosti manipulace hmoty pomocí světla. Následně se práce zaměřuje na levitaci opticky zachycených částic ve vakuu. Představujeme novou metodologii na charakterizaci vlastností slabě nelinearního Duffingova oscilátoru reprezentovaného opticky levitující částicí. Metoda je založena na průměrování trajektorií s určitou počáteční pozicí ve fázovém prostoru sestávajícím z polohy a rychlosti částice a poskytuje informaci o parametrech oscilátoru přímo ze zaznamenaného pohybu. Náš inovativní postup je srovnán s běžně užívanou metodou založenou na analýze spektrální hustoty polohy částice a za využití numerických simulací ukazujeme její použitelnost i v nízkých tlacích, kde nelinearita hraje významnou roli.

Systems of interacting colloidal particles are ideal tools for studies of pattern formation and collective non-equilibrium dynamics on the mesoscopic scale. These processes are governed by the interaction between the particles, which can be tuned by sophisticated fabrication. In this thesis, self-assembly of artificially designed magnetic spheres dispersed in water has been studied via video microscopy. The particles are based on silica microspheres with hemispherical ferromagnetic coating of [Co/Pd] multilayers with perpendicular magnetic anisotropy. These particles are exceptional in that they exhibit an off-centered net magnetic moment and yet obey rotational and mirror symmetry. It has been demonstrated how these magnetic properties provide innovative flexibility in pattern formation and collective dynamics based on magnetostatic interactions on the mesoscopic scale. The results are supported by analytical and numerical calculations of interacting spheres with radially shifted point dipoles (sd-particles). In two dimensions, the particles spontaneously self-assemble into branched structures as a result of a bistable assembly behavior where neighboring particles exhibit a non-collinear magnetic orientation. It has been shown that these features, which are atypical for homogeneous systems of magnetic particles, can be reproduced by simulation. It employs a theoretical model of a sphere that contains a distribution of three radially shifted point dipoles in analogy to the magnetization distribution in the coated particles. The stability of the assembly has been examined further by external manipulation using optical tweezers and homogeneous magnetic fields. A rich variety of stable structures with diverse spatial and magnetic ordering has been found. Particularly, the collective alignment of the specially designed particles in external fields opens completely new possibilities for the remote control over reversible pattern formation on the micrometer scale. In time-dependent fields, the collective dynamics of the anisotropic particles has revealed a novel approach for magnetically actuated translation. The variety of stable structures particularly enables control over this motion. / Kolloidale Suspensionen sind geeignete Systeme zur Untersuchung von Strukturbildung und kollektiver Nichtgleichgewichtsdynamik in mesoskopischen Größenskalen. Diese Vorgänge werden durch die Wechselwirkung zwischen den Teilchen bestimmt, welche durch geeignete Partikelherstellung angepasst werden kann. In der vorliegenden Arbeit wird ein System von künstlich hergestellten magnetischen Partikelsuspensionen mittels Videomikroskopie untersucht. Quarzglas-Mikrokugeln wurden halbseitig mit einer ferromagnetischen Dünnschicht aus [Co/Pd] Multilagen mit senkrechter Anisotropie beschichtet. Solche Partikel sind ausgezeichnet durch ein resultierendes magnetisches Moment mit Rotations- und Spiegelsymmterie, welches zusätzlich vom Mittelpunkt der Kugel verschoben ist. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass diese Besonderheit zu einer bisher unbekannten Flexibilität bei der mesoskopischen Strukturbildung und der kollektiven Dynamik auf der Basis magnetostatischer Wechselwirkung führt. Die vorgestellten Ergebnisse werden durch analytische und numerische Berechnungen unterstützt, denen ein Modell einer idealen Kugel mit verschobenem Dipol zugrunde liegt. Die zweidimensionale Selbstanordnung der Partikel zeigt experimentell zwei stabile Formen der Verknüpfung, welche zu verzweigten Strukturen mit unterschiedlich magnetischer Ausrichtung benachbarter Partikel führen. Diese für ein homogenenes System magnetischer Partikel außergewöhnlichen Eigenschaften konnten in Simulationen durch ein Modellsystem aus Kugeln mit drei verschobenen Punktdipolen reproduziert werden. Darüber hinaus wurde die spontante Anordnung unter externer Manipulation mittels optischer Pinzette und magnetischen Feldern untersucht. Es konnte eine Vielfalt an stabilen Strukturen mit verschiedenen magnetischen und strukturellen Anordnungen gefunden werden. Insbesondere die kollektive Ausrichtung dieser Partikel in externen Feldern eröffnet neuartige Möglichkeiten, kontrolliert und reversibel Mikrostrukturen zu erzeugen. In zeitabhängigen Feldern zeigen die anisotropen Partikel zusätzlich eine kollektive Dynamik welche eine neue Möglichkeit zum magnetischen Antrieb von Partikelagglomeraten eröffnet. Die Vielfalt der möglichen stabilen Strukturen erlaubt es in besonderer Weise diese Bewegung zu steuern.