Tesi sul tema "Mécanismes corticaux"

Ce travail concerne la perception auditive de l'enveloppe temporelle des sons, i. E. Les fluctuations d'amplitude de fréquence inférieure à quelques dizaines de Hertz, dont la perception est liée à l'intelligibilité du signal. Il s'agit de détecter une modulation sinusoi¨dale d'amplitude appliquée à un bruit blanc pris comme signal porteur. Recueillis sur des sujets épileptiques en phase préchirurgicale, les signaux intercérébraux relevés au sein du cortex auditif en réponse à ce signal présentent des oscillations de même cadence que la fréquence de modulation (FM). Dans ce mémoire, après avoir caractérisé les différentse composantes de l'activité intracérébrale en réponse au stimulus, nous estimons les paramètres de l'oscillation. Des études statistiques montrent qu'il existe des récepteurs spécifiques à certaines FM suivant l'aire corticale explorée. Des schémas fonctionnels de traitement de l'enveloppe temporelle, en termes de propagation et de délai, sont proposés

Les travaux de cette thèse montrent que l’application d’une charge inspiratoire résistive s’accompagne d’une facilitation de type spinal de la réponse du diaphragme à la stimulation magnétique transcrânienne, et de l’apparition d’un potentiel pré moteur, témoignant d’une activation du cortex pré moteur, par rapport aux observations faites en ventilation de repos. Ce même cortex est activé lors de la ventilation assistée en situation de dysharmonie chez le sujet sain. A l’inverse, le cortex pré moteur ne semble pas impliqué dans le contrôle ventilatoire au repos ni lors d’une contrainte métabolique (hypercapnie). Ces résultats montrent que la commande ventilatoire est modulée par le cortex pré moteur face à des contraintes mécaniques du système respiratoire. Le potentiel pré moteur, témoin de l’activation de ce cortex pré moteur, pourrait constituer un index de charge du système respiratoire, que celle-ci soit extrinsèque (ventilation assistée inadaptée) ou intrinsèque (pathologie)
This thesis demonstrates that inspiratory resistive breathing facilitates the diaphragm response to transcranial magnetic stimulation (corticospinal pathway) in spite of a decreased automatic drive to breathe (bulbospinal pathway). It also demonstrates , using respiratory premotor potentials identification, that pre motor cortical areas are involved in the compensation of mechanical inspiratory loads. In contrast, stimulating ventilation with carbon dioxide does not give rise to premotor potentials, that also lack during quiet breathing. Thus assessing premotor potentials in patiens placed under mechanical ventilation could provide a useful monitoring tool. In conclusion, we show, seemingly for the first time, that the premotor cerebral cortex participates to the compensation of inspiratory loading. This could have clinical implications in situations that are hallmarked by such a mechanical dysfunction (e. G. Patient-ventilator asynchrony, asthma, etc. )

Le couplage étroit entre l'activité neuronale et l'augmentation du flux sanguin, appelé couplage neurovasculaire (CNV), est essentiel aux fonctions cérébrales. Ce processus est à la base de l'imagerie médicale cérébrale non invasive utilisée pour déterminer l'activité neuronale chez l'individu sain ou malade. Cependant, les mécanismes cellulaires et moléculaires du CNV restent encore débattus. La compréhension de ce processus permettra non seulement une interprétation plus fine des signaux d'imagerie cérébrale mais également un meilleur diagnostic des maladies neurologiques.De nombreux messagers vasoactifs sont impliqués dans le CNV du cortex cérébral. Les prostanoïdes, notamment libérés lors de l'activation des récepteurs NMDA, sont impliqués dans l'augmentation du flux sanguin cérébral. Cependant, l'origine cellulaire, moléculaire, la nature ainsi que les cibles de ces messagers lipidiques restent incertaines.La prostaglandine E2 (PGE2) et la prostacycline (PGI2), produits par les cyclo-oxygénases de type 1 ou 2 (COX-1 ou COX-2) et des enzymes terminales, sont les deux principaux prostanoïdes vasodilatateurs du cortex cérébral. Ce travail a montré que les vasodilatations induites par le NMDA dépendent de la COX-2 et nécessitent également l'activation des récepteurs EP2 et EP4 de la PGE2 et IP de la PGI2et que les neurones pyramidaux sont les principales cellules du cortex cérébral équipées pour la biosynthèse de la PGE2 et de la PGI2.L'ensemble de ces travaux démontre que les neurones pyramidaux jouent donc un rôle clé dans le CNV cortical via la libération de la PGE2. Produite par la COX-2, la PGE2 agit sur les récepteurs EP2 et EP4 et induit des vasodilatations
The tight coupling between neuronal activity and cerebral blood flow, known as neurovascular coupling (NVC), is essential for brain functions. It is also the physiological basis of cerebral imaging, widely used to map neuronal activity in health and disease. Despite this importance, its cellular and molecular mechanisms are poorly understood. A better understanding of NVC will not only permit an accurate interpretation of cerebral imaging but also a better diagnosis of neurological diseases. In the cerebral cortex, numerous messengers are involved in NVC. Prostanoids, released during NMDA receptors activation, play a key role in NVC. However, the cellular and molecular origins, as well as the nature and the targets of this lipid messengers remain elusive. Prostaglandin E2 (PGE2) and prostacyclin (PGI2), produced by the rate limiting cyclo-oxygenases 1 or 2 (COX-1 or COX-2) and specific terminal enzymes, are the main cortical vasodilatory prostanoid. This work shows that NMDA-induced vasodilations are COX-2 dependent and require the activation of EP2 and EP4 receptors of PGE2 and IP receptors of PGI2. Furthermore, pyramidal cells are the main cell type equipped for the biosynthesis of PGE2 and PGI2 derived from COX-2 activity. In summary, these observations demonstrate that pyramidal cells play a key role in NVC by releasing PGE2 produced via COX-2 and acting on the vasodilatory EP2 and EP4 receptors

On estime que 2 à 3 % de la population est atteinte de retard mental (RM), c'est-à-dire de défauts cognitifs associés à une anomalie fonctionnelle des circuits corticaux. Ces déficits pourraient aussi résulter de défauts d’organisation subtils des circuits corticaux. Pendant le développement embryonnaire, les interneurones corticaux inhibiteurs effectuent une migration à longue distance avant de se positionner dans le cortex où ils régulent l’activité corticale. Chez l’homme, des mutations de PAK3 sont associées à du RM. Or PAK3 est un membre de la famille des « p21-Activated Kinase » du groupe I dont l’expression est régulée dans les interneurones corticaux en migration. Nous avons montré que les interneurones du cortex exprimant des formes mutantes de la protéine PAK3 ont des morphologies et des propriétés dynamiques altérées. Leurs trajectoires dans le cortex embryonnaire sont très perturbées. Les mutations de RM affectent la capacité de ces neurones à stabiliser leur prolongement de migration dans une direction particulière alors qu’un mutant constitutivement actif de PAK3 stabilise de manière anormale le prolongement de migration dans une orientation radiale. Chez l’homme, les anomalies structurelles et/ou fonctionnelles du cil primaire sont souvent associées à du RM. Parallèlement à l’étude sur PAK3, nous avons recherché la fonction du cil primaire dans la migration des interneurones corticaux, en particulier dans leur positionnement dans le cortex. Nous avons montré que le cil primaire transmet aux interneurones corticaux en migration des signaux qui favorisent leur sortie des flux de migration tangentiels et leur réorientation vers la plaque corticale
It is estimated that 2-3% of the population suffers from mental retardation (MR), i. E. Cognitive defects associated with a functional abnormality of cortical circuits. These deficits may also result from subtle defects in the organization of cortical circuits. During embryonic development, the inhibitory cortical interneurons migrate long distances before positioning in the cortex where they regulate the cortical activity. In humans, mutations in PAK3 corresponding to a loss of function of the protein are associated with MR. Now, PAK3 is a member of the family "p21- Activated Kinase" Group I whose expression is regulated in cortical interneurons as they migrate to the cortex. We therefore analyzed the migratory properties of cortical interneurons in the cortex expressing mutant forms of the protein PAK3. We have shown that mutations in PAK3 alter the morphology and dynamic properties of those neurons in the cortex. Their trajectories in the embryonic cortex are disrupted. MR mutations affect the capability of cortical interneurons to stabilize their migration extension in a particular direction while a constitutively active mutant of PAK3 induces an abnormal stabilization of migratory processes in a radial orientation. In humans, structural and/or functional defects of primary cilia are often associated with MR. Parallel to the PAK3 study, we have looked for the function of primary cilia in cortical interneurons migration, especially in the positioning of these cells in the cortex. We have shown that the primary cilium transmitted signals that promote exit away from tangential migration flows and reorientation towards the cortical plate of migrating cortical interneurons

Les lombalgiques chroniques présentent un retard de l'activation du muscle transverse abdominal (TrA), une difficulté à activer volontairement le TrA et une réorganisation du cortex moteur primaire (Ml) contrôlant le TrA. L'entraînement du muscle permet de diminuer le retard du TrA et normaliser l'organisation de Ml. De plus, la neurostimulation périphérique permet de faciliter le retour sensorimoteur chez une population parétique. Notre projet combine donc la neurostimulation périphérique et un entraînement moteur spécifique pour améliorer le contrôle postural chez des lombalgiques chroniques. La combinaison de la neurostimulation au-dessus du TrA/oblique interne (IO) et de l'entraînement moteur a réussi à améliorer le contrôle posturo-moteur (délai d'activation et activation bilatérale). De plus, la neurostimulation a rétabli l'inhibition intracorticale absente chez les lombalgiques, ce qui pourrait expliquer pourquoi le groupe expérimental seulement s'est amélioré. Donc, l'utilisation de la neurostimulation comme adjuvant à la rééducation motrice semble efficace en une seule session pour améliorer les APA.

Dans la vie de tous les jours, il arrive que nos actions soient perturbées par desvariations rapides des forces externes de notre environnement. Afin d'atteindre notre but, nousdevons alors réagir “vite et bien” à ces perturbations de mouvement, ce qui implique la mise enjeu à la fois de processus cognitifs et de processus sensori-moteurs. Nous nous sommesintéressés aux mécanismes corticaux (engagés notamment au niveau du cortex sensorimoteurprimaire) sous-tendant les interactions entre fonctions cognitive et sensorimotrice permettantd'adapter la réaction à la perturbation en fonction de notre intention, en nous efforçant de fairele lien entre les mécanismes impliqués au cours de la préparation et de la réalisation de laréaction. En utilisant le couplage EEG-TMS (avec enregistrement de l'EMG), nous avons menéune approche par stimulation-enregistrement, permettant d'observer simultanément lesmécanismes corticaux et corticospinaux précédant et suivant la stimulation, et ainsi de mieuxcomprendre le lien reliant l'activité cérébrale et le comportement.Dans l’étude 1, nous avons utilisé une perturbation motrice centrale, c'est-à-dire quenous avons demandé au sujet soit de résister soit d'assister un mouvement évoqué directementau niveau cortical par TMS. Ceci nous a permis de montrer que les processus cognitifs peuventinfluencer directement l'excitabilité corticale et corticospinale, avant la mise en jeu deprocessus sensorimoteurs impliqués dans l’exécution du mouvement. Lorsque le sujet s’estpréparé à résister au mouvement évoqué par TMS, l'augmentation anticipée de l'activité desréseaux intracorticaux inhibiteurs de M1 diminue l'excitabilité corticale, menant à une diminutionde l’excitabilité corticospinale, réduisant ainsi l’amplitude du mouvement évoqué par TMS.Dans les études suivantes (2, 3 et 4), nous nous sommes intéressés aux mécanismescorticaux et corticospinaux impliqués dans la préparation et la réaction rapide à uneperturbation périphérique du mouvement. Nous avons demandé au sujet soit de résister soitde se laisser-faire par une extension passive du poignet, et avons étudié les mécanismesimpliqués dans la modulation de la composante à longue latence du réflexe d'étirement (LLSR,qui débute environ 50 ms après la perturbation), en fonction de l'intention. Concernantl’excitabilité corticospinale, les résultats montrent que, lors de la préparation à uneperturbation périphérique, les phénomènes d'intégration sensori-motrice engendrés par lesafférences sensorielles dues à la perturbation sont pris en compte dans le réglage anticipé del'excitabilité corticospinale, afin que la réaction, déclenchée par les afférences sensorielles, soitadaptée à l'intention du sujet (étude 2). Au niveau cortical, une modification de l'activité desréseaux intracorticaux de M1 en fonction de l'intention précède la modulation de l'activitécorticale du cortex sensorimoteur primaire, liée à la genèse du LLSR, suggérant que desprocessus anticipateurs influencent l’activité du cortex sensorimoteur primaire afin que saréponse précoce à la perturbation soit adaptée à l'intention du sujet (étude 3). Enfin, dansl’étude 4, nous avons mis en évidence le rôle d'une aire motrice non primaire, la SMA proper,dans la modulation du réflexe d'étirement en fonction de l'intention.Ainsi, lorsque nous anticipons une perturbation motrice, des processus préparatoiresspécifiques (dépendants de notre intention), et différents de ceux impliqués avant la réalisationd’un mouvement sans variation des forces externes, sont mis en jeu dans la SMA proper et lecortex sensorimoteur primaire de manière à ce que la réaction rapide, déclenchée au niveau ducortex sensorimoteur par les afférences sensorielles induites par la perturbation, soit adaptée àl’intention du sujet
In everyday life, our actions can be perturbed by rapid variations of environmentalexternal forces. In order to achieve our goals, we have to react “well and fast” to thesemovement perturbations. This reaction implies both cognitive and sensorimotor processes. Wewere interested in the cortical mechanisms (mainly involving the primary motor cortex, M1)underlying the interaction between cognitive and sensorimotor functions that allows theadaptation of the reaction to the perturbation according to the intention. We tried to relate themechanisms implicated during the preparation with those implicated during the realization ofthe reaction. With combined EEG-TMS (with EMG recording), we used a stimulation-recordingapproach, allowing simultaneous observation of cortical and corticospinal mechanisms, bothbefore and after the stimulation. This approach helps to obtain to a better understanding of therelationship between cerebral activity and behavior.In the first experiment, we used a central motor perturbation, i.e. subjects were asked toresist or to assist a movement evoked directly at the cortical level using TMS. We showed thatcognitive processes can directly influence cortical and corticospinal excitability before anyinvolvement of the sensorimotor processes related to the movement execution. When subjectsprepared to resist the TMS-evoked movement, the anticipatory increased activity of theintracortical inhibitory networks of M1 decreased the cortical excitability, leading to adecreased corticospinal excitability and thus to a reduced TMS-evoked movement.In the following experiments (2, 3 and 4), we were interested in cortical andcorticospinal mechanisms engaged during the preparation and the reaction to a peripheralmovement perturbation. We asked subjects either to resist or to not-react (to “let-go”) to apassive wrist extension, and we studied the mechanisms underlying the modulation of the longlatency stretch reflex (LLSR, starting about 50 ms after the perturbation) according to theintention. Concerning the corticospinal excitability, the results showed that, during thepreparation of a reaction to a peripheral perturbation, the anticipatory tuning of thecorticospinal excitability takes into account sensorimotor integrative phenomenons induced bythe afferent input due to the perturbation in such a way that the reaction, triggered by theafferent inputs, is adapted to the subject’s intention (experiment 2). At the cortical level, achange of M1 intracortical network activity (before the perturbation) precedes the modulationof the primary sensorimotor cortex activity that is linked to the LLSR generation (after theperturbation). This strongly suggests that anticipatory processes preset the primarysensorimotor cortex in order to adapt its early response to the perturbation according to thesubject’s intention (experiment 3). Finally, temporary inactivation of SMA proper (induced byTMS) showed that this non-primary motor area is also implicated in the modulation of thestretch reflex according to the intention (experiment 4).In conclusion, when we expect a motor perturbation, intention-specific preparatoryprocesses are engaged in SMA proper and the primary sensorimotor cortex that are differentfrom those involved in the realization of a movement without external force variations. Thesepreparatory processes allow the early motor reaction, generated by the primary sensorimotorcortex (triggered by the afferent input induced by the perturbation) to be adapted to thesubject’s intention

Le trouble du déficit de l'attention avec ou sans hyperactivité (TDAH) et la douleur chronique sont deux syndromes complexes d’origine multifactorielle. Des études confirment une comorbidité entre ces deux pathologies. Cependant, les mécanismes ne sont toujours pas élucidés. Une hyperactivité des neurones de l’ACC et une dérégulation de la voie ACC-insula postérieure (PI) ont été démontrées dans un modèle de souris TDAH. La neuroinflammation serait impliquée dans cette concomitance. Notre hypothèse suggère que la neuroinflammation déclencherait une amplification de l’activité neuronale dans l’ACC, sensibilisant ainsi les voies impliquées dans les symptômes du TDAH et la perception douloureuse. Ce travail de thèse vise donc à identifier les mécanismes inflammatoires à l’origine du TDAH et de la sensibilisation douloureuse qui lui est associée, avec un intérêt porté sur le rôle du récepteur purinergique P2X4 dans cette comorbidité.Afin de répondre à cette question, nous avons généré un modèle de souris TDAH par injection unilatérale et intracérébroventriculaire de 6-hydroxydopamine (6-OHDA), à P5. D’une part, des souris sauvages mâles et femelles âgées de deux mois ont été sacrifiées, leurs cerveaux ont été extraits et leurs ACC et PI ont été disséqués. Des tissus fixés ont été utilisés pour des études morphologiques tandis que des tissus frais ont été utilisés pour des études transcriptomique, protéomique et phosphoprotéomique. D’autre part, des souris avec un knock-out total du récepteur P2X4 ont été soumises à des tests de sensibilisation à la douleur (thermique et mécanique) et d'hyperactivité. Les tissus provenant d’ACC fixés ont été utilisés afin d’étudier les changements morphologiques microgliaux tandis que des tissus provenant d’ACC et de PI fraîchement extraits ont été utilisés pour des analyses transcriptomiques.En ce qui concerne les marqueurs identifiés chez les souris modèles de TDAH, nos résultats démontrent (i) des changements dans la morphologie des cellules microgliale et astrocytaire, associés à une réactivité cellulaire, dans l'ACC des souris 6-OHDA, (ii) la présence d’un environnement pro-inflammatoire dans l'ACC et la PI des souris 6-OHDA, (iii) des modifications dans l'expression de multiples protéines et l’activité de plusieurs kinases (sérine-thréonine et tyrosine) dans l'ACC et la PI des souris 6-OHDA, associées à des altérations du guidage axonal, de l’apoptose, de la dynamique du cytosquelette, de cascades de signalisation, de neurotrophines et de neurotransmetteurs, et (iv) des variations des interactions neurones-glie, et en particulier de la communication entre les neurones et les astrocytes dans l'ACC des souris 6-OHDA. L'intégration des données a permis d'identifier quatre processus altérés dans l'ACC et la PI des souris mâles et femelles 6-OHDA : l'apoptose, le guidage axonal, la plasticité synaptique (potentialisation à long terme) et la croissance des prolongements neuronaux ; des processus précédemment associés au TDAH et aux douleurs chroniques. De plus, nos résultats suggèrent un effet délétère du récepteur P2X4 sur l’activité locomotrice des souris et la réactivité microgliale. Il exercerait néanmoins un effet protecteur en limitant l'expression de molécules pro-inflammatoires, probablement sécrétées par des cellules non-microgliales.En conclusion, nos travaux fournissent des pistes sur les mécanismes inflammatoires qui sous-tendent la comorbidité entre le TDAH et la sensibilisation à la douleur. Ces pistes devront ultérieurement être validées individuellement. Le maintien d’un environnement pro-inflammatoire dans l'ACC et la PI entraîne des changements dans certains processus synaptiques (potentialisation à long-terme, guidage axonal, croissance des composants neuronaux) et apoptotiques. Ces altérations modifieraient la connectivité cellulaire et l'activité neuronale, participant ainsi à la pathogenèse du TDAH et de la douleur chronique
Attention deficit/hyperactivity disorder (ADHD) and chronic pain are two complex conditions of multifactorial origins. Clinical and preclinical studies support an association between these two syndromes. However, the mechanisms underlying their comorbidity are not well understood. Previous findings from our team demonstrated a hyperactivity of the neurons of the anterior cingulate cortex (ACC) and a deregulation of the ACC-posterior insula (PI) pathway in ADHD-like conditions. Growing evidence also suggests a role for neuroinflammation in this concomitance. Our hypothesis thus suggests that neuroinflammation triggers an enhanced neuronal activity in the ACC that sensitizes pathways involved in ADHD symptoms and pain perception. Therefore, this Ph.D. work aims to elucidate the inflammatory mechanisms that may underlie ADHD and its associated pain sensitization, with an interest in the role of the purinergic P2X4 receptor.To address this question, we generated an ADHD-like mouse model through the unilateral intracerebroventricular injection of 6-hydroxydopamine (6-OHDA) at P5. Two-month-old wild-type male and female mice were sacrificed, their brains were extracted, and their ACC and PI were dissected. Fixed tissues were used to study microglial and astrocytic morphology while fresh tissues were utilized for transcriptomic, proteomic, and phosphoproteomic investigations. Moreover, mice with a total knock-out of the P2X4 receptor were tested for thermal and mechanical pain sensitization, in addition to hyperactivity. Fixed tissues of the ACC were used to study changes in microglial morphology while fresh tissues of the ACC and PI were utilized for transcriptomic analyses.Regarding the identification of inflammatory mechanisms in our ADHD-like mouse model, our results report (i) changes in microglial and astrocytic morphology, associated with cellular reactivity, in the ACC of 6-OHDA mice, (ii) the presence of a pro-inflammatory environment in the ACC and PI of 6-OHDA mice, (iii) modifications in protein expression and kinase (serine-threonine and tyrosine) activity in the ACC and PI of 6-OHDA mice, and correlated with impairments in axon guidance, apoptosis, cytoskeleton dynamics, signaling cascades, neurotrophins, and neurotransmitter systems, and (iv) alterations in protein interactions and, therefore, neuronal-astrocytic communication in the ACC of 6-OHDA mice. Finally, data integration identified four processes impaired in the ACC and PI of 6-OHDA males and females: apoptosis, axon guidance, synaptic plasticity (long-term potentiation), and growth of neuronal components. Interestingly, alterations in these processes were not only linked to ADHD and chronic pain conditions but also associated with Eph/ephrin bidirectional signaling cascades. Our findings also indicate a role for the P2X4 receptor in the worsening of ADHD hyperactivity symptom and the induction of morphological changes in microglial cells that correlate with cellular reactivity. However, it exerts a protective effect by limiting the expression of pro-inflammatory molecules, possibly from non-microglial cells.In conclusion, our work provides interesting insights into the inflammatory mechanisms that may underpin the comorbidity between ADHD and pain sensitization. A mild and sustained pro-inflammatory environment in the ACC and PI drives changes in synaptic-related (long-term potentiation, axon guidance, outgrowth of neuronal components) and apoptotic processes. These impairments alter cell-cell connectivity and neuronal activity, thus participating in ADHD and chronic pain pathogenesis

Les malformations du développement cortical (MDC) résultent d’altérations au niveau de différentes étapes de la corticogénèse telles que la prolifération, la migration et la différenciation neuronale et sont généralement associées à des épilepsies pharmaco-résistantes et à des déficiences intellectuelles sévères. Les causes génétiques des MDC restent encore inconnues dans de nombreux cas, nous avons donc réalisé le séquençage de l’exome entier de nombreux patients présentant des MDC et les analyses ont permis de mettre en évidence l’implication des gènes KIF2A et NEDD4L dans les MDC. Dans le cadre de ma thèse, nous proposons de focaliser sur les conséquences cellulaires et neurodéveloppementales résultant des mutations dans les gènes KIF2A et NEDD4L retrouvées chez les patients atteints de MDC. KIF2A code pour une kinésine-13 qui a pour fonction de réguler la dynamique des microtubules (MT) via son activité MT dépolymérase ATP-dépendante aux niveaux des extrémités des MT. L’approche basée sur la technique d’électroporation in utero nous a permis de mettre en évidence le rôle crucial joué par KIF2A dans la régulation de la neurogénèse, la migration neuronale et le positionnement des neurones dans le cortex. En particulier, nos données révèlent que l’expression des mutants KIF2A responsables de MDC entraîne une augmentation du nombre de cellules à l’état de progéniteurs qui est conséquente à un allongement du temps passé dans le cycle cellulaire. Nos premières données cellulaires et au cours du développement montrent que l’expression des mutants KIF2A induit des altérations dans l’intégrité du fuseau mitotique, dans la progression mitotique et également une localisation anormale de KIF2A au niveau du cil primaire. NEDD4L code pour une E3 ubiquitine ligase qui joue un rôle dans l’ubiquitination de nombreux substrats permettant la régulation de leur dégradation et de leur localisation subcellulaire. Dans un premier temps, nos données cellulaires ont montré que les mutants associées à des MDC ont une sensibilité accrue pour la dégradation par le protéasome. De plus, l’approche d’électroporation in utero a permis de montrer que l’expression des mutants NEDD4L ainsi qu’un excès de NEDD4L WT dérégulent la neurogenèse, le positionnement des neurones et le processus de translocation terminal. Des études complémentaires, incluant le traitement à la rapamycine, ont révélé qu’un excès de NEDD4L WT mène à la dérégulation des voies de signalisations mTORC1 et Dab1 tandis que l’expression des mutants est associée à une dérégulation des voies mTORC1 et Akt. L’ensemble de ces résultats renforce donc dans un premier temps l’importance des protéines liées aux MT dans le développement cortical en décrivant le rôle crucial de la kinésine KIF2A dans des mécanismes tels que la dynamique de migration neuronale et dans la régulation du cycle cellulaire des progéniteurs neuronaux. D’autre part, nous fournissons également de nouvelles données permettant de mieux comprendre le rôle critique de NEDD4L dans la régulation des voies mTOR et de leurs contributions dans le développement cortical
Malformations of cortical development (MCD) result from alterations in different stages of corticogenesis such as proliferation, migration and neuronal differentiation, and are generally associated with drug-resistant epilepsy and severe intellectual disabilities. The genetics causes of MCD remain largely unknown, we have thus performed the whole-exome sequencing of many patients with MCD and reported the identification of multiple pathogenic missense mutations in KIF2A and NEDD4L genes. Within the frame of my thesis project, we propose to focus on the cellular and neurodevelopmental consequences resulting from KIF2A and NEDD4L mutations shown to be involved in MCD. KIF2A is a member of the kinesin-13 family, which rather than regulating cargos transport along microtubules (MT), regulates MT dynamics by depolymerizing MTs. The in utero electroporation approach allowed us to highlight the crucial role of KIF2A in the regulation neurogenesis, neuronal migration and the neuronal positioning in the cortex. Particularly, our data show that the expression of the KIF2A mutants involved in MDC lead to an increase in the number of cells in proliferative state which is a consequence of a prolonged time spent in the cell cycle. Our first cellular data and during development show that the expression of pathogenic KIF2A mutations induce alterations in the mitotic spindle integrity, in the mitotic progression and also an abnormal localization of KIF2A in the primary cilium. NEDD4L encodes a member of the NEDD4 family of HECT-type E3 ubiquitin ligases known to regulate the turnover and function of a number of proteins involved in fundamental cellular pathways and processes. Firstly, cellular and expression data showed sensitivity of MCD-associated mutants to proteasome degradation. Moreover, the in utero electroporation approach showed that PNH-related mutants and excess wild-type NEDD4L affect neurogenesis, neuronal positioning and terminal translocation. Further investigations, including rapamycin-based experiments, found differential deregulation of pathways involved. Excess wild-type NEDD4L leads to disruption of Dab1 and mTORC1 pathways, while MCD-related mutations are associated with deregulation of mTORC1 and AKT activities. Altogether, these results reinforce the importance of MT-related proteins in cortical development describing the crucial role of KIF2A kinesin in mechanisms such as neuronal migration dynamics and neuronal progenitor’s cell cycle regulation. On the other hand, we also provide new data to better understand the critical role of NEDD4L in the regulation of mTOR pathways and their contributions in cortical development

Afin d'avancer sur la fonction du sommeil paradoxal, il est nécessaire d'étudier son impact sur le fonctionnement cortical. Nous avons ainsi comparé l'expression génique corticale à l'aide de puces à ADN chez trois groupes de rats présentant différentes quantités de sommeil paradoxal (SP) : témoins, privé de SP ou en hypersomnie de SP. 71 et 83 transcrits montrent un niveau d'expression modifié par notre protocole dans le néocortex et l'hippocampe, respectivement. Ces résultats moléculaires ont été confirmés par PCR quantitative. Dans l'hippocampe l'expression des gènes de plasticité (Fos, Arc, Cox2, Homer1...) augmente en hypersomnie de SP. Au contraire, dans le néocortex le niveau d'expression de ces gènes augmente après privation de SP. Au niveau systémique, les aires limbiques (le gyrus dentelé, le cortex cingulé antérieur et rétrosplénial et le claustrum) contiennent un nombre de neurones immunoréactifs au FOS, un marqueur d'activation indirect, élevé après hypersomnie de sommeil paradoxal. En revanche, le nombre de neurones immunoréactifs au FOS dans les cortex sensoriels est diminué après hypersomnie par rapport à la privation de sommeil paradoxal L'éjection de traceurs rétrogrades dans le gyrus dentelé, le cortex rétrosplénial et le cortex cingulaire antérieur des rats en hypersomnie de SP a permis d'observer des neurones afférents et actifs dans les noyaux supramamillaires et le claustrum. Nous avons ensuite observé que le nombre de neurones immunoréactifs pour FOS, ARC dans le gyrus dentelé, le claustrum et certaines structures limbiques est fortement diminué pendant l'hypersomnie de SP chez des rats porteurs d'une lésion des noyaux supramamillaires. De plus, la lésion du Sum est accompagnée d'une diminution de la puissance du thêta enregistrée par l'électroencéphalogramme pendant le sommeil paradoxal en hypersomnie. Il semble donc que les projections des noyaux supramamillaires soient responsables de l'activation des régions limbiques corticales pendant le SP
To move forward on the PS function, it is necessary to study its impact on the cortical functioning. We so compared the cortical genic expression by using DNA microarrays in three groups of rats with different PS amounts: control, deprived of PS and in PS hypersomnia. 71 and 83 transcripts have an expression level modified by our protocol in the neocortex and the hippocampal formation, respectively. These molecular results were confirmed by quantitative PCR. In the hippocampal formation the genes involved in synaptic plasticity (Fos, Arc, Cox2, Homer1) have an expression level increased after PS hypersomnia. In the contrary, in the neocortex the expression level of these genes increases after PS deprivation. At the systemic level, limbic areas (the dentate gyrus, anterior cingulate and retrosplenial cortex and claustrum) contain a number of FOS immunoreactive neurons, an indirect marker of neuronal activation, increased after PS hypersomnia. On the other hand, the number of FOS immunoreactive neurons in the sensory-motor cortices is decreased after PS hypersomnia compare to PS deprivation. The ejection of retrograde tracers in the dentate gyrus, retrosplenial and anterior cingulate cortex in PS hypersomniac rats showed that active neurons project to the supramammillary nucleus and claustrum. We then observed that the number of FOS and ARC immunoreactive neurons in the dentate gyrus, claustrum and limbic structures is strongly decreased during PS hypersomnia in rats bearing a supramammillary nucleus lesion. Furthermore, the supramammillary nucleus lesion leads to a decrease of the theta power recorded by electroencephalogram during PS in hypersomnia. It thus seems that the supramammillary nucleus projections are responsible for the limbic cortical regions activation during PS

Les cellules de glie radiaire apicale (RG) sont des cellules clés du développement cortical, capables d'auto-renouvellement ou de génération neuronale, possédant un noyau restreint à la zone ventriculaire (VZ) qui migre en fonction des phases du cycle cellulaire via un phénomène nommé migration nucléaire intercinétique (MNI). Les RG ont une forme bipolaire, avec un long processus basal soutenant la migration neuronale et un court processus apical faisant face au ventricule où un cil primaire (PC), ancré à un centrosome modifié (‘corps basal’), émerge et sert de plateforme de signalisation. Des mutations génétiques peuvent altérer le fonctionnement des RG, affectant le développement cortical et conduisant à des malformations corticales. Ces malformations sont associées chez les patients à de l’épilepsie et à des déficiences intellectuelles. Il est donc important de déterminer comment les processus moléculaires et cellulaires mis en jeu au niveau des RG peuvent être perturbés par des mutations génétiques. Mon travail de thèse a porté sur l’étude de deux gènes mutés conduisant à deux malformations corticales rares. Tout d’abord, le gène codant pour la chaine lourde de la protéine motrice dynéine (DYNC1H1) a été retrouvé muté chez des patients présentant une malformation corticale complexe avec une microcéphalie (petit cerveau) et une dysgyrie (défauts de gyrifications). Lors de mon travail de thèse, j’ai étudié les RG à la mi-corticogenèse dans un modèle murin Knock-In (KI) pour ce gène, reproduisant une mutation faux sens retrouvée chez un patient, en le comparant avec un modèle murin muté pour ce même gène mais conduisant à des neuropathies périphériques. Nous avons découvert des anomalies de MNI, de cycle cellulaire et de migration neuronale. Également, des défauts d’organelles tels que les mitochondries et l’appareil de Golgi ont été identifiés dans les RG, et sont spécifiques à la mutation faux-sens conduisant à la malformation corticale. Deuxièmement, l'hétérotopie sous-corticale (SH) est une malformation caractérisée par la présence anormale de neurones dans la substance blanche. Le gène codant pour EML1 (Echinoderm microtubule associated protein like 1) a été retrouvé muté chez certains patients SH. Lorsqu’Eml1 est muté chez la souris, une proportion de RG se retrouvent en dehors de la VZ, suggérant qu’elles se détachent coté apical. Au niveau apical, des anomalies de PC et des corps basaux ont été décrits. En étudiant un nouveau modèle de souris mutant, inactivé pour Eml1, mon travail s'est concentré sur les altérations subcellulaires et cellulaires des RG afin de comprendre les mécanismes pathogéniques conduisant à leur détachement et donc à la formation de SH. Etudiant les RG en interphase, en analysant les centrosomes, j’ai déterminé que leur structure est affectée dans les cellules de patients et de souris mutante, et ces défauts sont résolus par la stabilisation des microtubules. Le recrutement de protéines aux centrosomes est altéré et la protéine centrosomale Cep170 s'est avérée être un partenaire d'interaction spécifique d’EML1, cette interaction étant perdue quand EML1 présente une mutation SH. Les centrosomes et le PC étant intimement liés au cycle cellulaire, j’ai poursuivi par l'analyse du cycle cellulaire des RG et identifié des altérations de sa cinétique à deux stades de développement. Le séquençage de l'ARN des cellules uniques a permis d'identifier des dérèglements dans l'expression des gènes du cycle cellulaire. Le détachement anormal des RG est plus massif au début du développement que plus tard, ce qui suggère que les altérations de centrosomes et du cycle cellulaire à ce stade peuvent être en amont du détachement anormal des RG. Mon travail de thèse apporte ainsi de nouveaux éléments essentiels à la compréhension des mécanismes altérés dans les progéniteurs neuronaux dans le contexte de malformations corticales rares
In mammals, cortical development is a finely regulated process that leads to the formation of a functional cortex. Apical radial glial cells (RG) are key progenitor cells du ring cortical development, capable of self-renewal or neuronal generation, with a soma restricted to the ventricular zone (VZ) in rodents. Their nucleus migrates according to the phases of the cell cycle by a process called interkinetic nuclear migration (INM). RG have a bipolar shape, with a long basal process supporting neuronal migration and a short apical process facing the ventricle where a primary cilium (PC), anchored to a modified centrosome (‘basal body’), emerges and detects molecules present in the embryonic cerebrospinal fluid. Genetic mutations can alter the function of RG, affecting cortical development and leading to cortical malformations. These malformations are associated in patients with epilepsy, intellectual disabilities and also neuropsychiatric disorders. It is therefore important to determine how the molecular and cellular processes involving RG can be disrupted by genetic mutations. Thus, my thesis work focused on the study of mutations affecting two different genes in the context of two rare cortical malformations. First, the gene encoding for the motor protein dynein heavy chain (DYNC1H1) was found mutated in patients with a complex cortical malformation associated with microcephaly (small brain) and dysgyria (gyri defects). We generated a Knock-In (KI) mouse model for this gene, reproducing a missense mutation found in a patient. During my thesis, I studied RG at mid-corticogenesis of this KI model and, by comparing it with a mouse model mutant for the same gene but leading to peripheral neuropathies, we showed RG alterations specific to the KI model. We found abnormalities in INM, cell cycle and neuronal migration. Also, defects of key organelles, such as mitochondria and Golgi apparatus were identified in progenitors and are specific in the cortical malformation KI model. Secondly, subcortical heterotopia (SH) is a cortical malformation characterized by the abnormal presence of neurons in the white matter. Mutations in the gene coding for EML1 (Echinoderm microtubule associated protein like 1) were identified in certain SH patients. When Eml1 is mutated in mice, numerous RG are found in basal positions of the cortical wall outside the VZ, suggesting that they detach apically. Within the apical process, abnormal PC formation and basal bodies were described. By studying a new mutant mouse model where Eml1 is inactivated, my work focused on subcellular and cellular alterations of RG to understand the pathogenic mechanisms leading to their detachment and thus to SH formation. In interphase RG, focusing on mechanisms upstream of PC formation, I analyzed centrosomes and determined that their structure is affected in patient and mouse mutant cells, and these defects are rescued by stabilizing microtubules. Recruitment of key centrosomal proteins is altered early in development, and the centrosomal protein Cep170 was found to be a specific interacting partner of EML1, this interaction being lost when EML1 carries a patient mutation. Because centrosomes and cilia are intimately linked to the cell cycle, I proceeded to analyze the RG cell cycle and identified alterations in cell cycle kinetics during early and mid-development. Single-cell RNA sequencing at two key developmental stages identified deregulations in cell cycle gene expression. Abnormal RG detachment appears greater in early compared to mid-development, suggesting that centrosomal and cell cycle alterations at this stage may be upstream of abnormal RG detachment. My thesis work thus brings new elements essential to the understanding of the altered mechanisms in neural progenitors related to rare cortical malformations

Cette thèse traite de la problématique de l'unification de différents flux d'informations modales qui peuvent provenir des senseurs d'un agent. Cette unification, inspirée des expériences psychologiques comme l'effet ventriloque, s'appuie sur la détection de corrélations, définies comme des motifs spatiaux qui apparaissent régulièrement dans les flux d'entrée. L'apprentissage de l'espace des corrélations du flux d'entrée échantillonne cet espace et généralise les échantillons appris. Cette thèse propose des principes fonctionnels pour le traitement multimodal de l'information qui ont aboutit à l'architecture connexionniste, générique, modulaire et cortico-inspirée SOMMA (Self-Organizing Maps for Multimodal Association). Dans ce modèle, le traitement de chaque modalité s'effectue au sein d'une carte corticale. L'unification multimodale de l'information est obtenue par la mise en relation réciproque de ces cartes. L'échantillonnage et la généralisation des corrélations reposent sur une auto-organisation contrainte des cartes. Ce modèle est caractérisé par un apprentissage progressif de ces propriétés fonctionnelles: les propriétés monomodales amorcent l'émergence des propriétés multimodales et, dans le même temps, l'apprentissage de certaines corrélations par chaque carte est un préalable à l'auto-organisation de ces cartes. Par ailleurs, l'utilisation d'une architecture connexionniste et d'un apprentissage continu et non supervisé fournit au modèle des propriétés de robustesse et d'adaptabilité qui sont généralement absentes des approches informatiques classiques.

Cette thèse traite de la problématique de l'unification de différents flux d'informations modales qui peuvent provenir des senseurs d'un agent. Cette unification, inspirée des expériences psychologiques comme l'effet ventriloque, s'appuie sur la détection de corrélations, définies comme des motifs spatiauxqui apparaissent régulièrement dans les flux d'entrée. L'apprentissage de l'espace des corrélations du flux d'entrée échantillonne cet espace et généralise les échantillons appris. Cette thèse propose des principes fonctionnels pour le traitement multimodal de l'information qui ont aboutit à l'architectureconnexionniste, générique, modulaire et cortico-inspirée SOMMA (Self-Organizing Maps for Multimodal Association). Dans ce modèle, le traitement de chaque modalité s'effectue au sein d'une carte corticale. L'unification multimodale de l'information est obtenue par la mise en relation réciproque de ces cartes.L'échantillonnage et la généralisation des corrélations reposent sur une auto-organisation contrainte des cartes. Ce modèle est caractérisé par un apprentissage progressif de ces propriétés fonctionnelles : les propriétés monomodales amorcent l'émergence des propriétés multimodales et, dans le même temps, l'apprentissagede certaines corrélations par chaque carte est un préalable à l'auto-organisation de ces cartes. Par ailleurs, l'utilisation d'une architecture connexionniste et d'un apprentissage continu et non supervisé fournit au modèle des propriétés de robustesse et d'adaptabilité qui sont généralement absentes des approches informatiques classiques
This thesis focuses on unifying multiple modal data flows that may be provided by sensors of an agent. This unification, inspired by psychological experiments like the ventriloquist effect, is based on detecting correlations which are defined as temporally recurrent spatial patterns that appear in the input flows. Learning of the input flow correlations space consists on sampling this space and generalizing theselearned samples. This thesis proposed some functional paradigms for multimodal data processing, leading to the connectionist, generic, modular and cortically inspired architecture SOMMA (Self-Organizing Maps for Multimodal Association). In this model, each modal stimulus is processed in a cortical map. Interconnectionof these maps provides an unifying multimodal data processing. Sampling and generalization of correlations are based on the constrained self-organization of each map. The model is characterised by a gradual emergence of these functional properties : monomodal properties lead to the emergence of multimodal ones and learning of correlations in each map precedes self-organization of these maps.Furthermore, the use of a connectionist architecture and of on-line and unsupervised learning provides plasticity and robustness properties to the data processing in SOMMA. Classical artificial intelligence models usually miss such properties

Cette thèse vise à réaliser un asservissement sensori-moteur, en vue
de l'employer dans le domaine de la robotique, en utilisant des
algorithmes s'inspirant de la biologie corticale. Nous espérons, en
agissant ainsi, reproduire au mieux les qualités de robustesse,
d'uniformité de structure et d'adaptabilité dont le cortex est
pourvu. Nous avons basé notre modèle, au niveau computationnel, sur le
principe des automates cellulaires étendus, ce qui nous amène à
programmer des unités au sein de cartes, qui représentent chacune
l'équivalent, en biologie, d'une carte corticale. Nous orientons
l'évolution de ces unités afin d'obtenir des effets émergents, au
niveau des cartes, qui les amènent à former une boucle
perceptivo-motrice.

Par ailleurs, nous considérons que percevoir, c'est se préparer à
agir. Cela nous conduit à devoir concilier notre conception holistique
de la perception avec le fait que les multiples modalités de la
perception sont chacune représentées par une carte séparée dans notre
modèle, comme dans le cortex. Le c{\oe}ur de cette thèse est ainsi
consacré à la réalisation d'une liaison entre modalités, qui doit
\^{e}tre limitée afin de préserver la faisabilité computationnelle de
notre modèle, ce qui nous amène à contraindre fortement l'organisation
et l'apprentissage dans nos modules modaux. Tout en employant des
calculs locaux, nous nous sommes attachés à ce que chaque unité, dans
chaque carte de notre modèle, réalise un compromis entre les
influences propres à la modalité à laquelle elle appartient et les
influences des autres cartes permettant de maintenir la cohérence
multimodale de notre modèle.

Les mouvements sont le résultat de contractions musculaires dont l’organisation spatio-temporelle est régie par des structures cérébrales et médullaires. Etudier les circuits qui les sous-tendent est une étape indispensable pour renforcer nos connaissances des mécanismes à l’origine de la commande des mouvements volontaires et pour mieux comprendre la pathophysiologie des mouvements anormaux. Les muscles squelettiques sont innervés par les motoneurones alpha de la moelle épinière qui à leur out sont influencés par des neurones des aires corticales motrices. Cette voie descendante constitue la voie corticomotoneuronale (CM) et est responsable de l’exécution des mouvements volontaires. Le cortex moteur primaire est considéré comme une structure clé, au cœur du système, permettant l’intégration complexe de nombreuses influences multi-régions pour conduire aux comportements moteurs adéquats. Les interactions qui existent entre les différents groupes de neurones au sein de M1 influent en dernier lieu sur la sortie motrice. De la balance complexe entre ces influences inhibitrices et excitatrices, locales ou à distance va dépendre l’état d’excitabilité des cellules CM contrôlant les différents muscles. L'objectif de ce travail de thèse était d'étudier comment évoluent certains de ces mécanismes excitateurs ou inhibiteurs du cortex moteur primaire lorsque la commande motrice volontaire d’un muscle de l’index est modifiée. Nous avons étudié le rôle de ces mécanismes dans les changements d’excitabilité de la voie CM qui accompagnent la contraction tonique volontaire du muscle premier interosseus dorsalis (FDI) en comparant une tâche simple mais peu naturelle : l’abduction de l'index, une tâche naturelle plus complexe: la pince pouce-index et la condition de repos musculaire. Nous avons également étudié l’effet de la commande motrice sur l’interaction entre deux de ces mécanismes inhibiteurs l’un à longue latence, la LICI, l’autre à courte latence, la SICI. Enfin nous avons souhaité évaluer le décours temporel de ces mécanismes dans un cadre pathologique tâche-dépendant: la crampe de l’écrivain. Pour cela, nous avons utilisé la technique d’electromyographie de surface pour enregistrer les potentiels moteurs évoqués par la Stimulation Magnétique Transcrânienne. Nous avons mis en évidence une modulation tâche-dépendante de la LICI. Par rapport à la tâche d’abduction simple, la LICI s’estompait plus tôt lors de la tâche de pince pouce-index, traduisant une désinhibition plus précoce lors d’un mouvement plus complexe. Nous avons observé, et ce pour la première fois dans la littérature, une phase de facilitation nette qui suivait cette désinhibition, et qui était absente lorsque le muscle était au repos. Ces résultats sont également visibles dans un muscle voisin du FDI, non engagé dans la tâche; cela suggère que les mécanismes à l’origine de la facilitation sont impliqués dans l’activité volontaire sans spécificité topographique. L’interaction entre la LICI et la SICI n’a pas été modifiée par la tâche effectuée, laissant penser qu’elle n’est pas impliquée dans les changements d’excitabilité tâche-dépendants. Enfin, il apparaît que la désinhibition est retardée chez les sujets dystoniques quand le muscle est engagé dans un mouvement complexe de pince pouce-index mais pas dans une tâche simple d’abduction de l’index en comparaison à des sujets contrôles. Ces résultats illustrent le fait que lors d’un mouvement plus complexe, l’efficacité des circuits inhibiteurs du cortex moteur primaire est modifiée, ce qui permet de réguler l’activité des cellules CM, afin d’adapter la commande motrice au mouvement souhaité. Le fait que cette désinhibition soit retardée dans une tâche complexe (proche de la tâche affectée) mais pas dans une tâche simple chez les patients atteints d’une crampe de l’écrivain suggère que les mécanismes à l’origine de la désinhibition pourraient participer aux troubles moteurs qui caractérisent la maladie
Movements are evoked by muscles contractions whose spatial organization is mediated by both spinal and cortical components. It is important to investigate the underlying circuitry of movements to extend our knowledge on how voluntary movement are controlled and to better understand the pathophysiology of movements disorders. The spinal alpha motoneurons innervating distal muscles are controlled at least in parts by corticomotoneuronal neurons located in the motor cortical areas. Among them, the primary motor cortex is considered as a key structure, performing a complex integration of multi-regional influences leading to appropriate motor behaviors. Axons from corticomotoneuronal (CM) cells of the primary motor cortex reach the spinal cord via descending motor pathway. CM neurons are influenced by local or distant, inhibitory and excitatory components which determine the balance of excitability. The aim of this thesis was to explore changes of some of the excitatory and inhibitory mechanisms of motor cortex as a function of the task being performed. We assessed the time course of Long-interval Intracortical Inhibition (LICI), Late Cortical Disinhibition (LCD) and Long interval Intracortical Facilitation (LICF), which are mechanisms that potentially act to modulate the output of CM controlling the first dorsal interosseus (FDI) muscle. We compared three conditions : index finger abduction (a simple but not natural task), precision grip between index and thumb ( amore natural and complex task), and rest. We also evaluated the effect of task on interaction between LICI and Short Interval Intracortical Inhibition (SICI). Finally, we assessed the time course of LICI in patients suffering from writer’s cramp. For this purpose, we used surface electromyography to record motor potentials evoked by Transcranial Magnetic Stimulation.We showed a task-dependent change in late inhibitory and disinhibitory components. Compared with abduction task, the LICI induced during precision grip was shorter, suggesting an early disinhibition in more complex task. The disinhibition was followed by a period of facilitation only during the active tasks, i.e. facilitation was not observed when all muscles were at restat rest. However, long interval intracortical facilitation can be observed in a muscle at rest not engaged in an active task if a neighboring muscle is activated. It is therefore likely that mechanisms underlying facilitation are associated with voluntary contraction albeit with lack of topographic specificity. Interaction between LICI and SICI was not modified between tasks, suggesting that it was not involved in task-dependent changes of cortical excitability. Lastly, disinhibition was shown to be delayed in dystonic patients when the FDI was actively engaged in a precision grip but not in index abduction, compared with control subjects. An explanation might be that mechanisms underlying disinhibition are impaired in thumb-index precision grip (a task similar to that inducing unwanted contractions in writer’s cramp). Task-specidic disruption of LICI and late cortical disinhibition may therefore be at least in part responsible for pathophysiology of dystonia. It is likely that during complex task, the efficacy of LICI, and more generally of motor cortex inhibitory mechanisms, is modified to allow adaptation of CM neurons activity to the functional requirements of the motor task being performed

Le fonctionnement cérébral est régit par deux grandes forces : un système excitateur, principalement supporté par la transmission gluue,tamatergiq qui s'oppose à un système inhibiteur, principalement supporté par la transmission GABAergique. L'influence mutuelle et équilibrée de ces deux forces est déterminante pour établir et maintenir une activité neuronale physiologique au sein des réseaux neuronaux. Le récepteur métabotropique du glutamate de type 7, mGlu7, est capable de moduler à la fois la transmission glutamatergique et GABAergique, mais sa localisation et son rôle synaptique précis restent largement méconnus à l'heure actuelle. Il semble important pour contrôler le fonctionnement d'une circuiterie particulière supportant notamment la perception sensorielle lors de l'éveil ou la perte de conscience lors de l'endormissement, mais aussi les crises épileptiques d'absence lors d'un dysfonctionnement : le circuit thalamo-cortical. Cette thèse porte sur l'étude des fonctions physiologiques médiées par le récepteur mGlu7a au sein du réseau thalamo-cortical chez la souris. Pour cela, j'ai décortiqué la localisation et les processus électrophysiologiques engendrés par le récepteur dans les synapses thalamiques constituant la circuiterie thalamo-corticale. Le récepteur mGlu7a s'estavéré essentiel dans le contrôle des rythmes oscillatoires au sein du thalamus, associés à la fois au sommeil (les fuseaux de sommeil) et aux épilepsies de type absence.Ce récepteur était présumé ne fonctionner que lors d'activités neuronales intenses. Cette étude complète ce tableau. Elle met en évidence une activité constitutive du récepteur mGlu7a au sein des synapses excitatrices et inhibitrices. Il exerce donc un frein permanent sur l’entrée de Ca2+ dans les présynapses, un acteur crucial pour le développement du système nerveux, la transmission synaptique, l'excitabilité et la plasticité neuronales. Je montre que cette activitémodule la libération de glutamate et de GABA, mais aussi la plasticité à court terme dans certaines synapses du circuit. De plus, le récepteur mGlu7a limite le tonus inhibiteur au sein du thalamus et ainsi l'excitabilité globale thalamique.De façon surprenante pour un récepteur du glutamate, l'ensemble de ces résultats suggère une action physiologique du récepteur mGlu7a particulièrement impliquée dans le contrôle de l'état d'excitabilité des neurones GABAergiques thalamiques et corticaux. En limitant l'apparition d'activités synchrones au sein de la circuiterie, son action abouti in fine au maintien d'un état conscient de l'individu, nécessaire aux traitements des informations sensorielles, mais aussi à l'apprentissage et la mémoire
Brain functionning is gouverned by two master forces : excitation, mainly supported by glutamatergic transmission, and inhibition, mainly supported by GABAergic transmission. The mutual and balanced influence of these two forces is instrumental to establish and maintain a physiological neuronal activity, particulary in neuronal networks involving several interconnected brain area and neuron types. The metabotropic glutamate receptor type 7, mGlu7, modulates both glutamatergic and GABAergic transmission, but its precise localization andsynaptic role are still widly unknown. Recently, a genetic mouse model has highlighted mGlu7a receptor's involvement into the functionning of a particular network supporting somatosensory perception during arousal and loss of consciousness during sleep, as well as absence epileptic seizures : the thalamo-cortical network. This thesis aims at understanding physiological functions mediated by the mGlu7a receptor in the thalamo-cortical circuit. I have dissected localization and electrophysiologicalprocesses triggered by the receptor in thalamic synapses. The mGlu7a receptor was proved as essential to control oscillatory rythmes in the thalamus, associated with both sleep-related waves (spindles) and absence epileptic seizures.This receptor was supposed to function only during high neuronal activities. In addition, our study highlights a constitutive activity of mGlu7a receptor in excitatory and inhibitory synapses. It thus exerts a permanent brake on Ca2+ presynaptic entry, which is crucial for neuronal developpement, synaptic transmission, excitability and plasticity. I found that this mechanism modulates glutamate and GABA release, but also short term plasticity in thestudied network. Moreover, mGlu7a receptor slows down the inhibitory tonus in the thalamus and thalamic excitability.Surprisingly for a glutamate receptor, these data suggest that the physiological action of mGlu7a receptor is highly involved in the control of the excitability of inhibitory thalamic and cortical neurons. By decreasing synchronous activities of the network, its action leads in fine to the maintenance of a conscious, awake state of a subject, that is necessary for sensorial informations processing, learning and memory

La stimulation cérébrale profonde (DBS) du gyrus cingulaire subgénual est actuellement en coursd'évaluation comme nouvelle cible thérapeutique chez les patients souffrant de dépression majeure.Afin de caractériser les mécanismes sous-jacents l'action de la DBS, et plus particulièrement, lapossible implication du système glial, les effets de la stimulation du cortex préfrontal infralimbique surplusieurs marqueurs précliniques de la réponse antidépressive ont été évalués chez le rat. Ce travailde thèse, en utilisant des approches électrophysiologiques, immunohistochimiques etcomportementales, montre que la DBS aigue (130 Hz, 150 μA) induit des comportements pseudoantidépresseurs(évalués dans le test de nage forcée) qui sont associés à une augmentation del'activité des neurones 5-HT du raphé dorsal et de la neurogenèse du gyrus denté. De plus, la DBSaigue est capable de renverser les effets du stress sur la métaplasticité synaptique hippocampique.Par ailleurs, la DBS à plus faible intensité (20 μA, 130 Hz) induit des effets pro-cognitifs, i.e. unefacilitation de la plasticité synaptique au sein de l'hippocampe dorsal et une amélioration desperformances mnésiques des rats dans le test de reconnaissance d'objet. De façon importante, ceseffets neurobiologiques sont prévenus par une lésion pharmacologique gliale avec la gliotoxine Lalpha-aminoadipic acid. Ensemble, nos données in vitro et in vivo soulignent pour la première fois lerôle crucial des astrocytes dans les mécanismes d'action de la DBS. Cette étude propose donc quel'intégrité du système glial au niveau le site de stimulation est un pré-requis majeur afin d'optimiserl'efficacité de la DBS

La rotation corticale dans l'œuf de xénope établit le centre organisateur de l'embryon. La translocation du cortex par rapport au cytoplasme commence lorsqu'un réseau sous cortical végétatif de microtubules dont l'extrémité + est dirigée dans la direction de la translocation se met en place. Le cortex est déplacé par l'action de moteurs moléculaires dépendants des microtubules, les protéines de la famille de la kinésine (Kinesin Related Proteins) et de la dynéine cytoplasmique. La participation des KRP au mécanisme de la rotation corticale a été démontrée par l'injection dans l'œuf d'un anticorps inhibiteur des KRP qui a provoqué l'inhibition de la rotation corticale, la désorganisation du réseau sous cortical de microtubules et une perturbation du comportement des microtubules du réseau. La participation de la dynéine a d'abord été suggérée par l'observation que l'inhibition des KRP in vivo n'arrêtait pas le mouvement des microtubules. L'inhibition du mouvement des microtubules, réactivé sur cortex isolés par la perfusion d'ATP et extraits interphasiques d'œuf de xénope, provoquée par l'ajout d'anticorps anti-dynéine conbiné avec l'anti-KRP a conforté cette hypothèse. L'injection précoce de la dynamitine, un inhibiteur des transports dynéine dépendants, a perturbé l'organisation du réseau de microtubules tandis que l'injection tardive de dynamitine ne pertubait pas la translocation du cortex. Ces résultats indiquent que la dynéine transporte les microtubules jusqu'au cortex puis maintient le réseau de microtubules au début de la rotation corticale. Ensuite la dynéine n'est plus nécessaire indiquant que les KRP transportent le cortex sur les microtubules du réseau
The cortical rotation in Xenopus eggs establishes the dorso-anterior organising center of the embryo. This translocation of the cortex relative to the cytoplasm starts when an array of aligned microtubules forms under the vegetal cortex, the plus ends of microtubules pointing in the direction of cortical displacement. The cortical rotation mechanism involves the two families of microtubule-dependant molecular motors, Kinesin Related Proteins and cytoplasmic dynein. The involvement of KRPs in cortical rotation mechanism was shown by the injection of a KRP inhibitory antibody which locally blocked cortical rotation, desorganised the subcortical array of microtubules and perturbed microtubule movement. The persistance of microtubule movement in the presence of the anti-KRP antibody in vivo, and the arrest of microtubule movement, reactivated by perfusion of ATP and interphase Xenopus egg extracts, provoked by simultaneous perfusion of anti-KRP and anti-dynein antibodies on isolated cortices led us to propose that dynein was also involved in the cortical rotation mechanism. Early injection of dynamitin, an inhibitor of dynein dependant transport, perturbed the organisation of sub-cortical microtubules while late injection did not arrest cortical translocation. These results indicate that dynein transports microtubules towards the cortex and maintains the microtubule array during an early period of the cortical rotation. Later, dynein activity becomes uneccessary, indicating that KRPs probably drive the cortical rotation. These findings led us to propose an integrated model for the mechanism of cortical rotation, in which dynein and KRPs have complementary actions

La Dépression Corticale Envahissante (Cortical Spreading Depression) est une vague de dépolarisation neuronale qui se propage lentement à travers le cortex cérébral. Elle génère une phase rapide d’hyperactivité neuronale suivie d’une phase plus lente de silence électrique des cellules du cortex. Il est possible d’induire expérimentalement la DCE sur différents modèles animaux, in vivo ou sur tranches de néocortex, par application locale de Glutamate, d’Acétylcholine ou d’une solution hautement concentrée en potassium, ou par stimulation électrique. La DCE est largement étudiée comme mécanisme physio-pathologique de la migraine avec aura, mais aussi de l’ischémie. Les études sur la DCE expérimentale ont montré l’implication de nombreuses substances biologiques dans la génération et la propagation de cette vague, comprenant le Potassium, le Calcium, le Glutamate et d’autres neurotransmetteurs. L’approche pharmacologique permet de placer d’acteurs dans ce phénomène électrique, les canaux dépendant du potentiel, les récepteurs ionotropes du glutamate (NMDA et AMPA-kainate), les astroctyes et les pompes et échangeurs Na-K. Il existe une forme monogénique de Migraine avec Aura, la Migraine Hémiplégique Familiale, où la crise de migraine est associée à des troubles moteurs d’intensité variable, qui a permis d’identifier des mutations génétiques, donc des dysfonctions à niveau moléculaire. A ce jour trois types principaux, donc trois gènes mutés, de cette MHF sont décrits et étudiés. L’étude des modèles de souris de MHF 1 (mutation gain de fonction du Cav2.1) et de MHF 2 (mutation perte de fonction de Na-K-ATPase), confirme l’implication primordiale du Glutamate et du Potassium dans l’initiation de la DCE. Le type 3 de MHF est du à des mutations du Nav1.1, un canal sodique dépendant du potentiel, majoritairement exprimé dans les neurones GABAergiques où ils sont très importants pour leur excitabilité. Notre laboratoire a montré sur neurones transfectés en culture qu’il s’agissait d’une mutation gain de fonction, entrainant une augmentation de l’excitabilité des neurones. Cependant, le lien entre cette mutation, l’hyperexcitabilité corticale et la facilitation de la DCE – déjà observée dans les autres modèles de FHM – ou le phénotype de Migraine FHM reste inconnu. Notre hypothèse de travail, et la base de mon sujet de thèse, est que l’augmentation de l’activité des canaux Nav1.1 ou des neurones GABAergiques, déclencherait une hyperexcitabilité corticale et une DCE. Pour éprouver cette hypothèse, mes travaux de thèse ont nécessité une approche expérimentale ex vivo, sur tranches de néocortex de souris sauvages et transgéniques, associée à de l’électrophysiologie extracellulaire, imagerie IOS, pharmacologie et/ou optogénétique. L’activation des canaux Nav1.1 par une toxine activatrice sélective, ou la stimulation optogénétique des neurones GABAergiques, est capable d’induire une DCE, confirmant notre hypothèse initiale et ajoutant un nouveau modèle d’induction. Mes travaux de thèse ont permis d’identifier et de caractériser ce nouveau modèle de DCE où l’hyperexcitabilité des neurones GABAergiques conduit à une accumulation initiale de potassium dans le milieu extracellulaire, qui dépolarise et active de plus en plus de neurones excitateurs Glutamatergiques. Ceci entraine une libération soutenue de potassium jusqu’à atteindre un seuil critique pour le déclenchement de la DCE. Dans un second temps, mes travaux de thèse se sont orientés vers une modulation pharmacologique de l’activité de réseau, avec pour objectif de trouver un nouvel élément permettant de diminuer la susceptibilité à la DCE. Pour cela, par la même approche expérimentale, j’ai utilisé un agent cholinergique, le Carbachol, connu et utilisé pour moduler l’activité de réseau
Cortical Spreading Depression is a wave of neuronal depolarization that spread slowly across cerebral cortex. It generates a rapid phase of neuronal hyperactivity, followed by a slower phase of electrical silence of cortical cells. It is possible to experimentally induce CSD on several animal models, in vivo or on neocortical slices, by focal application of Glutamate, Acetylcholine or highly concentrated KCl solution, or by electrical stimulation.CSD is widely studied as the pathophysiological mechanism of migraine with aura, but also ischemia. Studies of experimental CSD have shown involvement of numerous biological substances in the wave generation and propagation, including Potassium, Calcium, Glutamate, and other neurotransmitters. The pharmacological approach allows to identify actors of this electrical phenomenon: voltage gated channel, ionotropic glutamate receptors (NMDA & AMPRA-kainate), astrocytes and Na-K pumps.Familial Hemiplegic Migraine is a monogenic form of migraine with aura; the migraine attack is associated with variable motor disorders. Genetic mutations have been described leading to molecular dysfunctions. Nowadays three main forms of this pathology caused by three mutated genes, have been described and studied. FHM type 1 (Cav2.1 gain of function) and FH% type 2 (NaK ATPase pump loss of function) mouse models studies confirmed the important involvement of Glutamate and Potassium in CSD initiation.Type 3 of FHM is caused by Nav1.1 mutations, a voltage gated sodium channel that is widely expressed in GABAergic neurons in which they are essential for excitability. Our team showed on transfected neurons in culture that he mutation is a gain of function, leading to an increased neuronal excitability. However, the link between the mutation, cortical hyperexcitability and CSD facilitation or FHM phenotype, remains unknown.Our work hypothesis and the base of my research project, is that the increasing Nav1.1 channel or GABAergic neurons’ activity, triggers a cortical hyperexcitability and CSD. To confirm this hypothesis, my work required a ex vivo experimental approach, on acute neocortical slices of wild-type and transgenic mice, associated with extracellular electrophysiology, IOS imaging, pharmacology and/or optogenetics. Nav1.1 channel activation by a selective activator (spider toxin), or GABAergic neurons stimulation by optogenetics, can trigger CSD, validating our initial hypothesis and identify a new model of CSD.My work allow us to highlight and characterised a new model of CSD by GABAergic neuron hyperexcitability leading to an initial build up of extracellular potassium, that depolarizes and activates more and more excitatory neurons. This leads to a sustained potassium release until a critical threshold of CSD triggering.In a second time, my thesis work explored a pharmacologic modulation of network excitability, to find new elements that could decrease the CSD susceptibility. To do so, with the same experimental approach, I used a cholinergic agonist, Carbachol, known for modulation the network activity. The results showed that even if Carbachol increases network excitability, it inhibits CSD induction, likely through the muscarinic pathway.In conclusion, during my thesis I identified a new mechanism of CSD induction, and a une inhibitory pathway of CSD by cholinergic modulation

Les malformations du développement du cortex sont associées à des troubles de la prolifération des progéniteurs et de la migration neuronale. Les glies radiaires basales (bRGs), un type de progéniteur, sont limités dans les espèces lissencéphaliques mais abondants dans les cerveaux gyrencéphaliques. Le gène LIS1, codant pour un régulateur de la dynéine, est muté dans la lissencéphalie humaine. LIS1 a un rôle dans la division cellulaire et la migration neuronale. Dans cette étude, nous avons généré des cellules bRG-like dans le cerveau embryonnaire murin, pour étudier le rôle de Lis1 dans leur production. Ceci fut réalisé par électroporation in utero du gène hominoïde-spécifique TBC1D3 au jour embryonnaire (E) 14.5. Nous avons confirmé que l’expression de TBC1D3 dans des cerveaux WT induit un grand nombre de cellules bRG-like basales. Puis, nous avons étudié la production des bRGs-like dans des cerveaux murins hétérozygotes pour Lis1. Nos résultats novateurs montrent que la déplétion de Lis1 à partir de E9.5 empêche la production de cellules bRG-like induites par TBC1D3. La déplétion de Lis1 change l’orientation du fuseau mitotique, accroit le nombre de mitoses abventriculaires et altère l’expression de N-Cadhérine. Nous concluons que la perturbation du dosage de Lis1 pourrait perturber le nombre et la position corrects des progéniteurs, contribuant à la pathogenèse de Lis1
Human cortical malformations are associated with progenitor proliferation and neuronal migration abnormalities. Basal radial glia (bRGs), a type of progenitor cells, are limited in lissencephalic species (e.g. the mouse) but abundant in gyrencephalic brains. The LIS1 gene coding for a dynein regulator, is mutated in human lissencephaly, associated also in some cases with microcephaly. LIS1 was shown to be important during cell division and neuronal migration. Here, we generated bRG-like cells in the mouse embryonic brain, investigating the role of Lis1 in their formation. This was achieved by in utero electroporation of a hominoid-specific gene TBC1D3 at mouse embryonic day (E) 14.5. We first confirmed that TBC1D3 overexpression in WT brain generates numerous Pax6+ bRG-like cells that are basally localized. Second, we assessed the formation of these cells in heterozygote Lis1 mutant brains. Our novel results show that Lis1 depletion in the forebrain from E9.5 prevented subsequent TBC1D3-induced bRG-like cell amplification. Lis1 depletion changed mitotic spindle orientations at the ventricular surface, increased the proportion of abventricular mitoses, and altered N-Cadherin expression, altering TBC1D3 function. We conclude that perturbation of Lis1/LIS1 dosage is likely to be detrimental for appropriate progenitor number and position, contributing to lissencephaly pathogenesis

Afin de clarifier les modes d'action des stimulations corticales à visée antalgique, ce travail a étudié les effets de stimulations transcrâniennes sur le réflexe d'ouverture de la gueule (ROG) et sur potentiels évoqués corticaux somato-sensitifs après stimulation de la pulpe dentaire chez le rat. Les résultats obtenus montrent notamment : - l'existence d'un lien entre les différentes composantes du ROG et les potentiels évoqués corticaux. - pour le ROG, l'existence de phases d'excitation/inhibition dépendant directement de l'état d'excitabilité des neurones participant à la voie réflexe et des contrôles pré-synaptiques des afférences parodontales. - l'existence de phénomènes de plasticité synaptique au niveau des interneurones du ROG. - un effet de type anti nociceptif, sur les potentiels évoqués corticaux, provoqué par la stimulation du cortex somatosensitif Ce travail à permis de mettre en évidence des phénomènes de plasticité neuronale, au niveau des circuits impliqués dans le ROG chez le rat. Ces phénomènes de plasticité sont également présents au niveau central, après des stimulations répétées du cortex sensorimoteur pour lesquels la durée de stimulation constitue un facteur essentiel. Ils pourraient être à l'origine des effets anti nociceptifs observés chez l'homme, après stimulation transcrânienne et supportent ainsi l'hypothèse d'une neuroplasticité induite par les stimulations transcrâniennes
About to clarify the pathway of antalgic cortical stimulation, this work discussed the effects of transcranial stimulation on the jaw opening reflex (JOR) and somatosensory tooth pulp evoked potentials (TPEP). Mainfindings showed: - a relation between the components of the JOR and the TPEP. - JOR excitatory and inhibitory effects directly depending from the neurons involved in this reflex and from the pre-synaptic controls of the periodontal afferent inputs. -a synaptic neuroplasticity phenomenon at the level of JOR inter neurons;- a anti nociceptive like effect on the cortical evoked potentials after the stimulation of the somatosensory cortex. This work underline the presence of neuroplasticity phenomenons, at the different levels of neuronal circuit involved in the JOR, in rat. Results showed that similar phenomenon could be present at the brain nervous central System level after repeated stimulations of the sensorymotor cortex to which the stimulation duration is the most important paradigm. This could be similar to the anti nociceptive effects observed in man after transcranial stimulations and underlies the hypothesis of a induced neuroplasticity after transcranial stimulation

Ll est maintenant acquis que les cartes corticales de représentation topographique ne sont pas figées chez l'adulte mais peuvent au contraire se réorganiser en réponse à une modification de l'expérience sensorielle. L'objectif de ce travail a été de caractériser la plasticité corticale induite par une privation sensorielle de 14 jours et d'aborder les mécanismes impliqués dans ce processus. Cette privation est obtenue par la suspension du train postérieur chez le rat. Dans ces conditions, les pieds ne sont plus en contact avec le sol et les récepteurs cutanés ne sont plus activés. Dans un premier temps, nous avons réalisé des enregistrementsélectrophysiologiques extracellulaires dans la couche IV dans l'aire de représentation somatotopique du pied du cortex somesthésique primaire (Sml). La privation sensorielle induit une réduction de la représentation corticale du pied et un élargissement des champs récepteurs cutanés. Ces changements sont réversiblesà, court terme: ± 6h). En outre, le seuil d'excitation des neurones est réduit et l'amplitude de la réponse à la stimulation cutanée est augmentée. Dans un second temps, nous avons étudié les mécanismes à l'origine de cette plasticité. Nous avons montré que: (1) la réorganisation des cartes corticales est soustendue par des mécanismes cholinergiques: l'application d'un antagoniste muscarinique empêche en effet la réorganisation corticale; (2) l'activité des interneurones GABAergiques est diminuée; et (3) les taux d'ARNm et de protéines de NGF sont accrus dans le Sml. Pour le BDNF, seuls les taux ARNm sont augmentés. Ces données soulignent une différence dans la régulation pré-'ou post-traductionnelle de ces neurotrophines. L'ensemble de ces données suggère qu'une modification de l'expérience sensorielle induit un déséquilibre entre influx excitateurs et inhibiteurs au niveau cortical, qui, en association avec une régulation des taux neurotrophiques, favorise l'expression de la plasticité corticale.

Les mutants tonneau sont caractérisés par des anomalies morphologiques, causées par des défauts d’organisation de cytosquelette cortical. Ce sont les seuls mutants décrits à ce jour incapables de former la bande de préprophase (PPB), structure spécifique des cellules végétales, qui marque la position des plans de division. Les protéines TON1 interagissent avec une nouvelle famille de protéines décrite au laboratoire et appelée TIM, comprenant 31 membres, et dont certaines TIM1 sont des MAPs (microtubules associated protein). La localisation de TON1 au cytosquelette est en partie déépendante de TIM1. Le gène FASS code une protéine qui présente des similarités avec les sous unités régulatrices des complexes phosphatase PP2A. Nous avons pu montrer que FASS est associée à la PPB, interagit avec TON1 in vivo et est recrutée au cytosquelette par l’intermédiaire de TIM1. FASS interagit avec RCN1 sous unités structurale des complexes PP2A et permet son recrutement au cytosquelette, par l’intermédiaire de TIM1. L’étude de l’homologue de TON1 chez P. Patents a révélé la conservation de la fonction de TON1 dans l’organisation du cytosquelette cortical des cellules à croissance diffuse, mais a aussi révélé un rôle de PpTON1 dans la perception de la gravité des cellules à croissance apicale de mousse, fonction jusqu’à présent ignorée chez Arabidopsis. Nos résultats permettent de mettre en évidence la conservation des évènements de régulation du cytosquelette au sein de la lignée verte et suggèrent que malgré la divergence évolutive, des fonctions impliquées dans l’organisation des microtubules, similaires à celles qui existent au sein des centrosomes animaux, sont conservées
The tonneau1 and fass mutants display considerable morphologic alterations associated with abnomalities in microtubules organisation at the plant cell’s cortex. These are the only mutants that are unable to form the preprophase band (PPB), a ring of microtubules that appears at G2/M transition and forecasts the future division site. TON1 proteins interact with a new family of 31 proteins named TIM, among which some, as the TIM1 protein, are MAPs (Microtubulus associated proteins). TON1 localization on cortical arrays seems to depend on TIM1. The FASS gene encodes a protein that shares similarities with a regulatory subunit of phosphatase PP2A complex. We showed that FASS localizes at the PPB, interacts with TON1 in vivo, and is targeted to the cytoskeleton via its interaction with TON1 and TIM1. FASS also interacts with RCN1, a scaffolding subunits of PP2A complex in A. Thaliana. RCN1 is targeted to the cytoskeleton through its interaction with FASS. Our working model is that the PP2A complex targeted to the cytoskeleton controls the phosphorylation status of MAPs and regulated microtubules organisation. The study of TON1 homolog in P. Patens reveals that TON1 function in the organisation of cortical microtubules arrays is conserved and reveals that PpTON1 is implicated in gravi-perception, a function not described in A. Thaliana. Ours results help to clarify cortical cytoskeleton regulation events and highlight their conservation among land plants and suggest that despites the evolutive divergence, functions that are implicated in microtubules organisation, similar to those usually associated with animal’s centrosome are conserved

La formation et le stockage à long terme des souvenirs mettent en jeu le processus de consolidation mnésique. S’il est maintenant bien admis que ce processus requiert une interaction entre la formation hippocampique et différentes régions corticales dépositaires des souvenirs, les mécanismes qui sous-tendent ce dialogue restent encore mal connus. En combinant chez le rat des approches comportementale, d’imagerie cellulaire et d’inactivations pharmacologiques des voies de signalisation intracérébrales impliquées dans l’épigenèse, nous avons cherché dans ce travail de thèse à élucider certains des mécanismes responsables de la formation des souvenirs au niveau cortical. Dans la perspective de pouvoir appréhender de façon temporellement précise le dialogue hippocampo-cortical au cours du processus de consolidation à l’échelle systémique, notre premier objectif a été de valider une épreuve comportementale adaptée à l’étude de ce processus, la transmission sociale de préférence alimentaire. Nos résultats ont montré que cette tâche, qui ne nécessite qu’une phase d’acquisition ponctuelle, induit une mémoire robuste et durable. Cette mémoire s’appuie sur des stimuli olfactifs de nature non spatiale. Son caractère associatif nécessite l’implication fonctionnelle de l’hippocampe et de régions corticales spécifiques comme le cortex orbitofrontal qui joue un rôle crucial dans le traitement d’informations de nature olfactive. Dans une deuxième série d’expériences, une approche d’imagerie cellulaire utilisant le facteur de transcription c-fos couplée à une approche pharmacologique d’inactivation transitoire région-spécifique a révélé le rôle crucial du cortex orbitofrontal dans le rappel d’informations anciennes (délai de 30 jours) mais pas récentes (délai de 1 jour). Nous avons par ailleurs mis en évidence que la consolidation des informations dans cette structure s’accompagnait de changements progressifs de l’architecture des réseaux neuronaux comme la formation de nouvelles synapses (synaptogénèse) ou l’augmentation du nombre d’épines dendritiques. En accord avec le modèle standard de la consolidation mnésique, ce recrutement cortical était associé à un désengagement de l’hippocampe, confirmant le rôle transitoire de cette structure dans le rappel à long terme d’informations olfactives associatives. Dans une troisième série d’expériences, nous nous sommes intéressés aux mécanismes pouvant sous-tendre l’établissement de la mémoire à long terme au niveau cortical. Nos résultats apportent un éclairage nouveau sur la dynamique des interactions hippocampo-corticales pendant la consolidation systémique en démontrant la nécessité d’un étiquetage des assemblées neuronales du cortex orbitofrontal dès l’encodage des informations. Un blocage de cet étiquetage par une inactivation de ce cortex au moment de l’interaction sociale (phase d’acquisition) a perturbé le rappel à long terme et empêché les modifications de l’architecture des réseaux neuronaux corticaux normalement associés au stockage à long terme des informations olfactives. Sur le plan cellulaire, cet étiquetage requiert l’activation des récepteurs NMDA et de la voie des MAPK, ainsi que l’acétylation des protéines histones impliquées dans la régulation de l’état transcriptionnel de la chromatine. En modifiant leur état d’acétylation, nous avons pu moduler positivement ou négativement le rappel à long terme des informations olfactives relatives à la préférence alimentaire. Ainsi, nos données soulignent l’importance du dialogue hippocampo-cortical dans l’établissement de la mémoire à long terme
Abstract :

Chez le rongeur, lorsque l'expression d'une peur conditionnée au contexte s'appuie sur un souvenir ancien, des réponses de peur importantes sont souvent rapportées lors de l'exposition à un contexte différent de celui dans lequel les chocs électriques ont été administrés. Cette généralisation des réponses de peur serait liée à une réorganisation concomitante des réseaux sous-tendant l'expression de la peur, en particulier à un " désengagement " de l'hippocampe dans le rappel des informations contextuelles. Cependant, d'autres études suggèrent que des modifications dans les traitements amenant à l'expression de comportements défensifs, liés à la peur ou l'anxiété, puissent également se mettre en place avec le temps suite à un conditionnement. Ainsi, une incubation des réponses de peur, correspondant à une augmentation globale des niveaux de peur avec le temps, pourrait contribuer à la généralisation de ces réponses. Nos travaux, par une approche d'imagerie de gènes précoces immédiats ainsi que d'évaluation comportementale, ont visé à démêler les mécanismes impliqués dans la généralisation de la peur conditionnée au contexte accompagnant sa consolidation à long terme. Nos résultats suggèrent que la généralisation soit moins liée à une altération du souvenir du contexte qu'à des modifications portant sur le traitement et / ou l'expression des émotions. La nature de ces dernières modifications semble dépendre du statut prédictif initial du contexte (en avant- ou en arrière-plan). De manière cohérente avec l'observation d'une absence de dégradation de la trace du contexte avec le temps, le rôle de l'hippocampe dans le rappel de l'information contextuelle nous est apparu maintenu au cours du temps. Les réorganisations observées dans les réseaux sous-tendant l'expression des réponses de peur concerneraient plutôt des modifications liées au traitement associatif et / ou émotionnel des informations contextuelles. Dans leur ensemble, nos résultats soulèvent la nécessaire prise en compte du haut degré de complexité des traitements amenant à l'expression d'une peur conditionnée, pour qui souhaite évaluer la qualité de la représentation contextuelle sur la base de réponses de peur discriminantes.

Malgré plus de deux décennies de recherches intensives, les accidents vasculaires cérébraux (AVC) demeurent l'une des principales causes de décès et d'invalidité dans le monde. À ce jour, les seules thérapies admises pour le traitement des AVC ischémiques sont les techniques de reperfusion,restreintes à une très courte fenêtre thérapeutique, puis ensuite la rééducation neurologique. Bien que ces interventions améliorent grandement le devenir des patients, le nombre de personnes éligibles à la reperfusion et la récupération fonctionnelle post-ischémique induite par des exercices de rééducation sont limités. Dans ce contexte de thérapies alternatives limitées, les cellules souches mésenchymateuses (MSC) réduisent de façon significative les déficits fonctionnels dans des modèles expérimentaux d’AVC ischémique, particulièrement celles purifiées du tissu adipeux. Chez l'homme, les MSC améliorent également la récupération fonctionnelle, même si l'effet apparait moins prononcé. Nous proposons donc d'essayer d’augmenter le potentiel thérapeutique de ces cellules MSC en utilisant le pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide (PACAP) connu pour ses propriétés protectrices, neurotrophiques et immunomodulatrices dans le cadre de l’ischémie cérébrale. Au cours de cette étude, nous avons développé et évalué le potentiel thérapeutique de MSC purifiées du tissu adipeux (hADSC) et génétiquement modifiées pour exprimer le PACAP, en utilisant un baculovirus recombinant, permettant l’obtention des hADSC-PACAP. Dans un modèle d’occlusion permanente de l’artère cérébrale moyenne, la transplantation différée de hADSC-PACAP améliore, de façon rapide, la récupération fonctionnelle. Celle-ci est associée à une redirection efficace de la réponse inflammatoire microgliale vers un phénotype protecteur de type M2, susceptible de soutenir les mécanismes de réparation tissulaire. En complément de ces observations, une augmentation de la survie à long terme des neuroblastes et une réorganisation précoce des connexions corticales interhémisphériques est aussi observée. Parallèlement à la réduction globale des connexions interhémisphériques vers le cortex controlésionnel induite par la transplantation des hADSC-PACAP, une augmentation sélective de projections interhémisphériques provenant de la zone périlésionnelle et allant vers le cortex somatosensoriel dédié aux vibrisses, situé dans l’hémisphère controlésionnel, a été constatée. Ainsi, malgré l'absence de différences significatives entre les hADSC et les hADSC-PACAP, ces dernières en modulant la réponse inflammatoire vers un phénotype de type M2c/M2d renforcent la récupération fonctionnelle post-ischémique en créant un environnement propice aux mécanismes de réparation tissulaire et de neuroplasticité. Au regard de nos résultats, la transplantation de ces cellules semble favoriser l’établissement ou le réarrangement des connexions neuronales entre certaines aires cérébrales au détriment d’autres régions
Despite more than two decades of intense research, stroke remains a leading cause of death and long-term disabilities worldwide. To date, the only available treatments for ischemic stroke are reperfusion intervention,carried out in a narrow therapeutic window,and then rehabilitation.While these interventions significantly improve patient outcomes, the number of eligible stroke victims to reperfusion and the functional improvement induced by rehabilitation exercises are limited. In this context of restricted therapeutic alternatives, mesenchymal stem cells (MSC) exhibit a significant therapeutic potential in experimental models of ischemic stroke, notably when purified from adipose tissue.In human, MSC also improve functional recovery even if the effect is less pronounced. Thus, we proposed to increase their therapeutic potential using the pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide (PACAP) known for its protective, neurotrophic and immunomodulatory properties inexperimental stroke models. In the present study, we developed and evaluated the therapeutic potential of human MSC purified from adipose tissue (hADSC) and genetically modified to express PACAP, using recombinant baculovirus, named hADSC-PACAP. In a mice model of permanent middle cerebral artery occlusion,delayed transplantation of hADSC and hADSC-PACAP promotes rapid functional recovery that correlates with efficient redirection of microglial inflammatory response toward a protective M2 like phenotype prone to support self-repair mechanism. In connection with these effects, we found an increase of neuroblasts survival and a nearly rewiring of cortical interhemispheric connections. In parallel with an overall reduction of interhemispheric connections toward the contralesional cortex, caused by hADSC-PACAP transplantation, a selective increase of projections coming from the peri-lesional area and going to the contralesional barrel cortex is observed. Thus, despite the absence of significant differences between hADSC and hADSC-PACAP, hADSC-PACAP through modulation of the inflammatory response toward aM2c/M2d phenotype improved post-ischemic functional recovery by setting up a conducive environment to favor self-repair and neuroplasticity mechanisms.Based on these results, the transplantation of these cells seems to promote the establishment or strengthening of neuronal connections between specific brain areas to the detriment of other regions

Bien que l’anesthésie générale soit un outil indispensable dans la chirurgie médicale d’aujourd’hui, ses mécanismes sous-jacents précis sont encore inconnus. Au cours de la sédation induite par le propofol les actions anesthésiques à l’échelle microscopique du neurone isolé conduisent à des changements spécifiques à l’échelle macroscopique qui sont observables comme les signaux électroencéphalogrammes (EEG). Pour une concentration faible en propofol, ces changements caractéristiques comprennent une augmentation de l’activité dans les bandes de fréquence delta (0.5-4 Hz) et alpha (8 13 Hz) dans la région frontal, une l’activité augmentée de delta et une l’activité diminuée de alpha dans la région occipitale. Dans cette thèse, nous utilisons des modèles de populations neuronales thalamo-corticales basés sur des données expérimentales. Les effets de propofol sur les synapses et sur les récepteurs extra-synaptiques GABAergiques situés dans le cortex et le thalamus sont modélisés afin de comprendre les mécanismes sous-jacents aux changements observés dans certaines puissances de l’EEG spectrale. Il est démontré que les modèles reproduisent bien les spectrales caractéristiques observées expérimentalement. Une des conclusions principales de ce travail est que l’origine des delta rythmes est fondamentalement différente de celle des alpha rythmes. Nos résultats indiquent qu’en fonction des valeurs moyennes des potentiels de l’état du système au repos, une augmentation ou une diminution des fonctions de gain thalamo-corticale résulte respectivement en une augmentation ou une diminution de alpha puissance. En revanche, l’évolution de la delta puissance est plutôt indépendant de l’état du système au repos; l'amélioration de la puissance spectrale de delta bande résulte de l’inhibition GABAergique synaptique ou extra-synaptique pour les fonctions de gain non linéaire à la fois croissante et décroissante. De plus, nous cherchons à identifier les paramètres d’un modèle de thalamo-corticale en ajustant le spectre de puissance de modèle pour les enregistrements EEG. Pour ce faire, nous considérons la tâche de l’estimation des paramètres dans les modèles qui sont décrits par un ensemble d’équations différentielles ordinaires ou bien stochastiques avec retard. Deux études de cas portant sur des données pseudo-expérimentales bruyantes sont d’abord effectuées pour comparer les performances des différentes méthodes d’optimisation. Les résultats de cette élaboration montrent que la méthode utilisée dans cette étude est capable d’estimer avec précision les paramètres indépendants du modèle et cela nous permet d’éviter les coûts de calcul des intégrations numériques. En considérant l’ensemble, les conclusions de cette thèse apportent de nouveaux éclairages sur les mécanismes responsables des changements spécifiques qui sont observées pendant la sédation propofol-induite dans les modèles de EEG
Although general anaesthesia is an indispensable tool in today’s medical surgery, its precise underlying mechanisms are still unknown. During the propofol-induced sedation, the anaesthetic actions on the microscopic single neuron scale lead to specific changes in macroscopic-scale observables such as electroencephalogram (EEG) signals. For low concentration of propofol these characteristic changes comprised increased activity in the delta (0.5-4 Hz) and alpha (8-13 Hz) frequency bands over the frontal head region, but increased delta and decreased alpha power activity over the occipital region. In this thesis, we employ thalamo-cortical neural population models, and based on the experimental data, the propofol effects on the synaptic and extrasynaptic GABAergic receptors located in the cortex and thalamus are modelized to understand the mechanisms underlying the observed certain changes in EEG-spectral power. It is shown that the models reproduce well the characteristic spectral features observed experimentally. A key finding of this work is that the origin of delta rhythm is fundamentally different from the alpha rhythm. Our results indicate that dependent on the mean potential values of the system resting states, an increase or decrease in the thalamo-cortical gain functions results in an increase or decrease in the alpha power, respectively. In contrast, the evolution of the delta power is rather independent of the system resting states; the enhancement of spectral power in the delta band results from the increased synaptic or extra-synaptic GABAergic inhibition for both increasing and decreasing nonlinear gain functions. Furthermore, we aim to identify the parameters of a thalamo-cortical model by fitting the model power spectrum to the EEG recordings. To this end, we address the task of parameter estimation in the models that are described by a set of stochastic ordinary or delay differential equations. Two case studies dealing with noisy pseudo-experimental data are first carried out to compare the performance of different optimization methods. The results of this elaboration show that the method used in this study is able to accurately estimate the independent model parameters while it allows us to avoid the computational costs of the numerical integrations. Taken together, the findings of this thesis provide new insights into the mechanisms responsible for the specific changes in EEG patterns that are observed during propofol-induced sedation

Bien que l’anesthésie générale soit un outil indispensable dans la chirurgie médicale d’aujourd’hui, ses mécanismes sous-jacents précis sont encore inconnus. Au cours de la sédation induite par le propofol les actions anesthésiques à l’échelle microscopique du neurone isolé conduisent à des changements spécifiques à l’échelle macroscopique qui sont observables comme les signaux électroencéphalogrammes (EEG). Pour une concentration faible en propofol, ces changements caractéristiques comprennent une augmentation de l’activité dans les bandes de fréquence delta (0.5-4 Hz) et alpha (8 13 Hz) dans la région frontal, une l’activité augmentée de delta et une l’activité diminuée de alpha dans la région occipitale. Dans cette thèse, nous utilisons des modèles de populations neuronales thalamo-corticales basés sur des données expérimentales. Les effets de propofol sur les synapses et sur les récepteurs extra-synaptiques GABAergiques situés dans le cortex et le thalamus sont modélisés afin de comprendre les mécanismes sous-jacents aux changements observés dans certaines puissances de l’EEG spectrale. Il est démontré que les modèles reproduisent bien les spectrales caractéristiques observées expérimentalement. Une des conclusions principales de ce travail est que l’origine des delta rythmes est fondamentalement différente de celle des alpha rythmes. Nos résultats indiquent qu’en fonction des valeurs moyennes des potentiels de l’état du système au repos, une augmentation ou une diminution des fonctions de gain thalamo-corticale résulte respectivement en une augmentation ou une diminution de alpha puissance. En revanche, l’évolution de la delta puissance est plutôt indépendant de l’état du système au repos; l'amélioration de la puissance spectrale de delta bande résulte de l’inhibition GABAergique synaptique ou extra-synaptique pour les fonctions de gain non linéaire à la fois croissante et décroissante. De plus, nous cherchons à identifier les paramètres d’un modèle de thalamo-corticale en ajustant le spectre de puissance de modèle pour les enregistrements EEG. Pour ce faire, nous considérons la tâche de l’estimation des paramètres dans les modèles qui sont décrits par un ensemble d’équations différentielles ordinaires ou bien stochastiques avec retard. Deux études de cas portant sur des données pseudo-expérimentales bruyantes sont d’abord effectuées pour comparer les performances des différentes méthodes d’optimisation. Les résultats de cette élaboration montrent que la méthode utilisée dans cette étude est capable d’estimer avec précision les paramètres indépendants du modèle et cela nous permet d’éviter les coûts de calcul des intégrations numériques. En considérant l’ensemble, les conclusions de cette thèse apportent de nouveaux éclairages sur les mécanismes responsables des changements spécifiques qui sont observées pendant la sédation propofol-induite dans les modèles de EEG
Although general anaesthesia is an indispensable tool in today’s medical surgery, its precise underlying mechanisms are still unknown. During the propofol-induced sedation, the anaesthetic actions on the microscopic single neuron scale lead to specific changes in macroscopic-scale observables such as electroencephalogram (EEG) signals. For low concentration of propofol these characteristic changes comprised increased activity in the delta (0.5-4 Hz) and alpha (8-13 Hz) frequency bands over the frontal head region, but increased delta and decreased alpha power activity over the occipital region. In this thesis, we employ thalamo-cortical neural population models, and based on the experimental data, the propofol effects on the synaptic and extrasynaptic GABAergic receptors located in the cortex and thalamus are modelized to understand the mechanisms underlying the observed certain changes in EEG-spectral power. It is shown that the models reproduce well the characteristic spectral features observed experimentally. A key finding of this work is that the origin of delta rhythm is fundamentally different from the alpha rhythm. Our results indicate that dependent on the mean potential values of the system resting states, an increase or decrease in the thalamo-cortical gain functions results in an increase or decrease in the alpha power, respectively. In contrast, the evolution of the delta power is rather independent of the system resting states; the enhancement of spectral power in the delta band results from the increased synaptic or extra-synaptic GABAergic inhibition for both increasing and decreasing nonlinear gain functions. Furthermore, we aim to identify the parameters of a thalamo-cortical model by fitting the model power spectrum to the EEG recordings. To this end, we address the task of parameter estimation in the models that are described by a set of stochastic ordinary or delay differential equations. Two case studies dealing with noisy pseudo-experimental data are first carried out to compare the performance of different optimization methods. The results of this elaboration show that the method used in this study is able to accurately estimate the independent model parameters while it allows us to avoid the computational costs of the numerical integrations. Taken together, the findings of this thesis provide new insights into the mechanisms responsible for the specific changes in EEG patterns that are observed during propofol-induced sedation

Dans le cortex visuel des mammifères, une cellule à panier (BC) qui représente un sous-type majoritaire d’interneurones GABAergiques, innerve une centaine de neurones par une multitude de synapses localisées sur le soma et sur les dendrites proximales de chacune de ses cibles. De plus, ces cellules sont importantes pour la génération des rythmes gammas, qui régulent de nombreuses fonctions cognitives, et pour la régulation de la plasticité corticale. Bien que la fonction des BC au sein des réseaux corticaux est à l'étude, les mécanismes qui contrôlent le développement de leur arborisation complexe ainsi que de leurs nombreux contacts synaptiques n’ont pas été entièrement déterminés. En utilisant les récepteurs allatostatines couplés aux protéines G de la drosophile (AlstR), nous démontrons in vitro que la réduction de l'excitation ainsi que la réduction de la libération des neurotransmetteurs par les BCs corticales individuelles des souris, diminuent le nombre de cellules innervées sans modifier le patron d'innervation périsomatique, durant et après la phase de prolifération des synapses périsomatiques. Inversement, lors de la suppression complète de la libération des neurotransmetteurs par les BCs individuelles avec l’utilisation de la chaîne légère de la toxine tétanus, nous observons des effets contraires selon le stade de développement. Les BCs exprimant TeNT-Lc pendant la phase de prolifération sont caractérisées par des arborisations axonales plus denses et un nombre accru de petits boutons homogènes autour des somas innervés. Toutefois, les cellules transfectées avec TeNT-Lc après la phase de la prolifération forment une innervation périsomatique avec moins de branchements terminaux d’axones et un nombre réduit de boutons avec une taille irrégulière autour des somas innervés. Nos résultats révèlent le rôle spécifique des niveaux de l’activité neuronale et de la neurotransmission dans l'établissement du territoire synaptique des cellules GABAergiques corticaux. Le facteur neurotrophique dérivé du cerveau (BDNF) est un modulateur puissant de la maturation activité-dépendante des synapses GABAergiques. Grâce à l'activation et à la signalisation de son récepteur tyrosine kinase B (TrkB), la liaison de mBDNF module fortement la prolifération des synapses périsomatiques GABAergiques formés par les BCs. Par contre, le rôle du récepteur neurotrophique de faible affinité, p75NTR, dans le développement du territoire synaptique des cellules reste encore inconnu. Dans ce projet, nous démontrons que la suppression de p75NTR au niveau des BCs individuelles in vitro provenant de souris p75NTRlox induit la formation d'une innervation périsomatique exubérante. BDNF est synthétisé sous une forme précurseur, proBDNF, qui est par la suite clivée par des enzymes, y compris la plasmine activée par tPA, pour produire une forme mature de BDNF (m)BDNF. mBDNF et proBDNF se lient avec une forte affinité à TrkB et p75NTR, respectivement. Nos résultats démontrent qu’un traitement des cultures organotypiques avec la forme résistante au clivage de proBDNF (mut-proBDNF) réduit fortement le territoire synaptique des BCs. Les cultures traitées avec le peptide PPACK, qui inactive tPA, ou avec tPA altèrent et favorisent respectivement la maturation de l’innervation synaptique des BCs. Nous démontrons aussi que l’innervation exubérante formée par les BCs p75NTR-/- n’est pas affectée par un traitement avec mut-proBDNF. L’ensemble de ces résultats suggère que l'activation de p75NTR via proBDNF régule négativement le territoire synaptique des BCs corticaux. Nous avons ensuite examiné si mut-proBDNF affecte l’innervation périsomatique formée par les BCs in vivo, chez la souris adulte. Nous avons constaté que les boutons GABAergiques périsomatiques sont significativement diminués dans le cortex infusé avec mut-proBDNF par rapport à l’hémisphère non-infusé ou traité avec de la saline. En outre, la plasticité de la dominance oculaire (OD) est rétablie par ce traitement chez la souris adulte. Enfin, en utilisant des souris qui ne possèdent pas le récepteur p75NTR dans leurs BCs spécifiquement, nous avons démontré que l'activation de p75NTR via proBDNF est nécessaire pour induire la plasticité de la OD chez les souris adultes. L’ensemble de ces résultats démontre un rôle critique de l'activation de p75NTR dans la régulation et le maintien de la connectivité des circuits GABAergiques, qui commencent lors du développement postnatal précoce jusqu’à l'âge adulte. De plus, nous suggérons que l'activation contrôlée de p75NTR pourrait être un outil utile pour restaurer la plasticité dans le cortex adulte.
Cortical GABAergic basket cells (BC) innervate hundreds of postsynaptic targets with synapses clustered around the soma and proximal dendrites. They are important for gamma oscillation generation, which in turn regulate many cognitive functions, and for the regulation of developmental cortical plasticity. Although the function of BC within cortical networks is being explored, the mechanisms that control the development of their extensive arborisation and synaptic contacts have not been entirely resolved. By using the Drosophila allatostatin G-protein-coupled receptors (AlstR), we show that reducing excitation, and thus neurotransmitter release, in mouse cortical single BC in slice cultures decreases the number of innervated cells without changing the pattern of perisomatic innervation, both at the peak and after the proliferation phase of perisomatic synapse formation. Conversely, suppressing neurotransmitter release in single BCs by using the tetanus toxin light-chain can have completely opposite effects depending on the developmental stage. Basket cells expressing TeNT-Lc during the peak of the proliferation were characterized by denser axonal arbors and an increased number of smaller, homogenous boutons around the innervated somatas compared with control cells. However, after the peak of the synapse proliferation, TeNT-Lc transfected BCs formed perisomatic innervation with fewer terminal axon branches and fewer irregular-sized boutons around innervated somatas. Our results reveal a remarkably specific and age-dependent role of neural activity and neurotransmission levels in the establishment of the synaptic territory of cortical GABAergic cells. Brain derived neurotrophic factor (BDNF) has been shown to be a strong modulator of activity-dependent-maturation of GABAergic synapses. Through the activation and signaling of their receptor Tropomyosin-related kinase B (TrkB), mBDNF binding strongly modulates the proliferation of GABAergic perisomatic synapses formed by BCs. Whether the low-affinity neurotrophin-receptor p75NTR also play a role in the development of basket cell synaptic territory is unknown. Here, we show that single-cell deletion of p75NTR in BCs in cortical organotypic cultures from p75NTRlox mice induce the formation of exuberant perisomatic innervations by the mutant basket cells, in a cell-autonomous fashion. BDNF is synthesized as a precursor, proBDNF, which is cleaved by enzymes, including tPA-activated plasmin, to produce mature (m)BDNF. mBDNF and proBDNF bind with high-affinity to TrkB and p75NTR, respectively. Our results show that treating organotypic cultures with cleavage-resistant proBDNF (mut-proBDNF) strongly reduces the synaptic territory of BCs. Treating cultures with the tPA-inactivating peptide PPACK or with tPA impairs and promotes the maturation of BC synaptic innervations, respectively. We further show that the exuberant innervations formed by p75NTR-/- basket cells are not affected by mut-proBDNF treatment. All together, these results suggest that proBDNF-mediated p75NTR activation negatively regulates the synaptic territory of BCs. We next examined if mut-proBDNF affects perisomatic innervation formed by BCs in vivo, in the adult mouse. We found that perisomatic GABAergic boutons are significantly decreased in the cortex infused with mut-proBDNF as compared to non-infused or saline-treated hemispheres. Further, ocular dominance (OD) plasticity is restored by this treatment in adult mice. Finally, we found that proBDNF-mediated activation of p75NTR is necessary to induce OD plasticity in the adult mice, by using mice that lack p75NTR specifically in BCs. All together, these results demonstrate a critical role of p75NTR activation in regulating and maintaining GABAeric circuit connectivity from early postnatal development to adulthood. Further, we suggest that controlled activation of p75NTR could be a useful tool to restore plasticity in adult cortex.

Bien que le passage du temps altère le cerveau, la cognition ne suit pas nécessairement le même destin. En effet, il existe des mécanismes compensatoires qui permettent de préserver la cognition (réserve cognitive) malgré le vieillissement. Les personnes âgées peuvent utiliser de nouveaux circuits neuronaux (compensation neuronale) ou des circuits existants moins susceptibles aux effets du vieillissement (réserve neuronale) pour maintenir un haut niveau de performance cognitive. Toutefois, la façon dont ces mécanismes affectent l’activité corticale et striatale lors de tâches impliquant des changements de règles (set-shifting) et durant le traitement sémantique et phonologique n’a pas été extensivement explorée. Le but de cette thèse est d’explorer comment le vieillissement affecte les patrons d’activité cérébrale dans les processus exécutifs d’une part et dans l’utilisation de règles lexicales d’autre part. Pour cela nous avons utilisé l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) lors de la performance d’une tâche lexicale analogue à celle du Wisconsin. Cette tâche a été fortement liée à de l’activité fronto-stritale lors des changements de règles, ainsi qu’à la mobilisation de régions associées au traitement sémantique et phonologique lors de décisions sémantiques et phonologiques, respectivement. Par conséquent, nous avons comparé l’activité cérébrale de jeunes individus (18 à 35 ans) à celle d’individus âgés (55 à 75 ans) lors de l’exécution de cette tâche. Les deux groupes ont montré l’implication de boucles fronto-striatales associées à la planification et à l’exécution de changements de règle. Toutefois, alors que les jeunes semblaient activer une « boucle cognitive » (cortex préfrontal ventrolatéral, noyau caudé et thalamus) lorsqu’ils se voyaient indiquer qu’un changement de règle était requis, et une « boucle motrice » (cortex postérieur préfrontal et putamen) lorsqu’ils devaient effectuer le changement, les participants âgés montraient une activation des deux boucles lors de l’exécution des changements de règle seulement. Les jeunes adultes tendaient à présenter une augmentation de l’activité du cortex préfrontal ventrolatéral, du gyrus fusiforme, du lobe ventral temporale et du noyau caudé lors des décisions sémantiques, ainsi que de l’activité au niveau de l’aire de Broca postérieur, de la junction temporopariétale et du cortex moteur lors de décisions phonologiques. Les participants âgés ont montré de l’activité au niveau du cortex préfrontal latéral et moteur durant les deux types de décisions lexicales. De plus, lorsque les décisions sémantiques et phonologiques ont été comparées entre elles, les jeunes ont montré des différences significatives au niveau de plusieurs régions cérébrales, mais pas les âgés. En conclusion, notre première étude a montré, lors du set-shifting, un délai de l’activité cérébrale chez les personnes âgées. Cela nous a permis de conceptualiser l’Hypothèse Temporelle de Compensation (troisième manuscrit) qui consiste en l’existence d’un mécanisme compensatoire caractérisé par un délai d’activité cérébrale lié au vieillissement permettant de préserver la cognition au détriment de la vitesse d’exécution. En ce qui concerne les processus langagiers (deuxième étude), les circuits sémantiques et phonologiques semblent se fusionner dans un seul circuit chez les individus âgés, cela représente vraisemblablement des mécanismes de réserve et de compensation neuronales qui permettent de préserver les habilités langagières.
As the one’s brain is structurally altered by the passage of time, cognition does not have to suffer the same faith, at least not to the same extent. Indeed, age-related compensatory mechanisms allow for some cognitive preservation. The elderly can therefore use new compensatory neuronal networks (neural compensation) or flexible pathways that are less susceptible to disruption (neural reserve) in order to maintain high levels of performance (cognitive reserve) during cognitive tasks. However, how these mechanisms affect cortical and striatal activity during set-shifting as well as during semantic and phonological processing has not been extensively explored. The purpose of this thesis was therefore to investigate how aging affects patterns of neural activity related to executive processes on the one hand and the use of lexical rules on the other. To this end we used functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) during the performance of a lexical analogue of the Wisconsin Card-Sorting Test. This task has been shown to strongly depend on fronto-striatal activity during set-shifting as well as on regions associated with semantic and phonological processing during semantic and phonological decisions, respectively. Two groups participated in our fMRI protocol: young individuals (18 to 35 years old) and older individuals (55 to 75 years old). Both younger and older individuals revealed significant fronto-striatal loop activity associated with planning and execution of set-shifts. However, while the younger group showed the involvement of a “cognitive loop” (including the ventrolateral prefrontal cortex, the caudate nucleus and the thalamus) when instructed that a set-shift would be required on following trial, and the involvement of a “motor loop” (including the posterior prefrontal cortex and the putamen) when the set-shift had to be performed, the older participants showed significant activation of both loops during the execution of the set-shift (matching periods) only. Young adults tended to present increased activity in the ventrolateral prefrontal cortex, the dorsolateral prefrontal cortex, the fusiform gyrus, the ventral temporal lobe and the caudate nucleus during semantic decisions and in the posterior Broca’s area, the temporoparietal junction and the motor cortical regions during phonological decisions, older individuals showed increased activity in the lateral prefrontal cortex and motor cortical regions during both semantic and phonological decisions. Furthermore, when semantic and phonological decisions were contrasted with each other, younger individuals showed significant brain activity differences in several regions while older individuals did not. In conclusion, our first study showed an age-related delayed cerebral activation phenomenon during set-shifting (previously observed only in few memory and language tasks). Based on those findings, we conceptualised the Temporal Hypothesis of Compensation (third manuscript) which is the existence of a compensatory mechanism characterised by age-related delayed cerebral activation allowing for cognitive performance to be preserved at the expense of speed processing. Regarding language processing (second study), semantic and phonological routes seem to merge into a single pathway in the elderly; these findings represent most probably neural reserve/compensation mechanisms on which the elderly rely to maintain an adequate level of performance.

La division cellulaire asymétrique (DCA) consiste en une division pendant laquelle des déterminants cellulaires sont distribués préférentiellement dans une des deux cellules filles. Par l’action de ces déterminants, la DCA générera donc deux cellules filles différentes. Ainsi, la DCA est importante pour générer la diversité cellulaire et pour maintenir l’homéostasie de certaines cellules souches. Pour induire une répartition asymétrique des déterminants cellulaires, le positionnement du fuseau mitotique doit être très bien contrôlé. Fréquemment ceci génère deux cellules filles de tailles différentes, car le fuseau mitotique n’est pas centré pendant la mitose, ce qui induit un positionnement asymétrique du sillon de clivage. Bien qu’un complexe impliquant des GTPases hétérotrimériques et des protéines liant les microtubules au cortex ait été impliqué directement dans le positionnement du fuseau mitotique, le mécanisme exact induisant le positionnement asymétrique du fuseau durant la DCA n'est pas encore compris. Des études récentes suggèrent qu’une régulation asymétrique du cytosquelette d’actine pourrait être responsable de ce positionnement asymétrique du faisceau mitotique. Donc, nous émettons l'hypothèse que des contractions asymétriques d’actine pendant la division cellulaire pourraient déplacer le fuseau mitotique et le sillon de clivage pour créer une asymétrie cellulaire. Nos résultats préliminaires ont démontré que le blebbing cortical, qui est une indication de tension corticale et de contraction, se produit préférentiellement dans la moitié antérieure de cellule précurseur d’organes sensoriels (SOP) pendant le stage de télophase. Nos données soutiennent l'idée que les petites GTPases de la famille Rho pourraient être impliqués dans la régulation du fuseau mitotique et ainsi contrôler la DCA des SOP. Les paramètres expérimentaux développés pour cette thèse, pour étudier la régulation de l’orientation et le positionnement du fuseau mitotique, ouvrirons de nouvelles avenues pour contrôler ce processus, ce qui pourrait être utile pour freiner la progression de cellules cancéreuses. Les résultats préliminaires de ce projet proposeront une manière dont les petites GTPases de la famille Rho peuvent être impliqués dans le contrôle de la division cellulaire asymétrique in vivo dans les SOP. Les modèles théoriques qui sont expliqués dans cette étude pourront servir à améliorer les méthodes quantitatives de biologie cellulaire de la DCA.
Asymmetric cell division (ACD) consists in a cellular division during which specific cell fate determinants are distributed preferentially in one daughter cell, which then differentiate from its sibling. Hence, ACD is important to generate cell diversity and is used to regulate stem cells homeostasis. For proper asymmetric distribution of cell fate determinants, the positioning of the mitotic spindle has to be tightly controlled. Frequently, this induces a cell size asymmetry, since the spindle is then not centered during mitosis, leading to an asymmetric positioning of the cleavage furrow. Although small small GTPases have been shown to act directly on the spindle, the exact mechanism controlling spindle positioning during ACD is not understood. Recent studies suggest that an independent, yet uncharacterized pathway is involved in spindle positioning, which is likely to involve an asymmetric regulation of the actin cytoskeleton. Indeed, actin enables spindle anchoring to the cortex. Hence we hypothesize that asymmetric actin contractions during cytokinesis might displace the mitotic spindle and the cleavage furrow, leading to cell size asymmetry. Interestingly, from our preliminary results we observed that cortical blebbing, which is a read-out of cortical tension/contraction, preferentially occurs on the anterior side of the dividing sensory organ precursor (SOP) cells at telophase. Our preliminary data support the idea that Rho small GTPases might be implicated in regulation of the mitotic spindle hence controlling asymmetric cell division of SOP cells. The experimental settings developed for this thesis, for studying regulation of the mitotic spindle orientation and positioning will serve as proof of concept of how geneticist and biochemist experts could design ways to control such process by different means in cancerous cells. The preliminary results from this project open novel insights on how the Rho small GTPases might be implicated in controlling asymmetric cell division hence their dynamics in vivo of such process during SOP development. Furthermore, the assays and the theoretical model developed in this study can be used as background that could serve to design improved quantitative experimental methods for cell biology synchronizing sub-networks of ACD mechanism.