La recherche au sein des hautes écoles spécialisées 2012: descriptions, analyses, conclusions

Résumé Contexte et objectifs Les activités de recherche appliquée et développement (Ra&D) font partie du mandat de prestations des hautes écoles spécialisées (HES) prescrit par la loi. Néanmoins la tradition, le type et l'importance de la recherche varient fortement en fonction des domaines d'études. Il en va de même pour les liens avec les autres domaines de prestations que sont l'enseignement, la formation continue et les prestations de services. Les activités de Ra&D dans chaque HES s'inscrivent dans la tension entre l'orientation pratique (qui signifie le plus souvent une orientation vers le marché économique) et l'orientation vers la science (signe de leur rattachement au système scientifique). Il en découle des conflits d'intérêts entre les critères de qualité du « succès sur le marché » et de la « réputation scientifique ». En 2005, sur mandat de la Commission pour la technologie et l'innovation (CTI), B. Lepori et L. Attar (2006) ont mené une étude visant à examiner plus particulièrement les stratégies de recherche et l'organisation de la recherche au sein des hautes écoles spécialisées. Aujourd'hui, six ans plus tard, la phase de mise sur pied est en grande partie terminée. En lançant une nouvelle étude, l'Office fédéral de la formation professionnelle et de la technologie (OFFT) et la Commission fédérale des hautes écoles spécialisées (CFHES) souhaitaient faire le point sur les activités de recherche des HES, c'està- dire examiner les résultats des stratégies et de l'organisation de cette phase. Cette étude s'articule principalement autour de l'état actuel de la recherche, de ses problèmes et de ses perspectives. Structure de l'étude La recherche dans les HES se caractérise par différents facteurs d'influence (cultures disciplinaires, traditions, ancrage dans les régions linguistiques, structures organisationnelles, gouvernance, stratégies de positionnement, personnel, etc.). Dans la présente étude, ces facteurs sont systématiquement examinés selon deux dimensions: le « domaine d'études » et la « haute école spécialisée». L'analyse repose notamment sur l'exploitation de documents et de données. Mais cette étude se fonde principalement sur les entretiens menés avec les représentants des HES à différents niveaux de responsabilités. Les hautes écoles spécialisées (HES) Les entretiens avec les directions des HES ainsi que l'exploitation des données et des documents mettent en évidence la grande diversité des sept HES suisses de droit public dans leur structure, leurs combinaisons de domaines d'études et leurs orientations. Les modes de financement de la recherche varient fortement entre les HES. Concrètement, les sources de financement ne sont pas les mêmes d'une HES à l'autre (contributions des organes responsables, fonds de tiers, etc.). Les degrés et formes du pilotage concernant les contenus de la recherche diffèrent également dans une large mesure (définition de pôles de recherche, soutien cumulatif à l'acquisition de fonds de tiers), de même que les stratégies en matière de recrutement et d'encouragement du personnel. La politique de chaque HES implique des tensions et des problèmes spécifiques. Les domaines d'études Sur les dix domaines d'études, quatre ont été choisis à titre d'exemples pour des études approfondies : Technique et technologies de l'information (TI), Economie et services, Travail social, Musique, arts de la scène et autres arts. Chaque domaine d'études a été examiné à chaque fois dans deux HES. Cette méthode permet de relever les différences et les similitudes. Les résultats confirment qu'il existe des différences importantes à bien des égards entre les domaines d'études évalués. Ces différences concernent la position dans le système des hautes écoles, le volume des activités de recherche, l'importance de la recherche au sein des HES, la tradition, l'identité et l'orientation. Elles se retrouvent par ailleurs dans les buts et la place de la Ra&D dans les domaines d'études concernés. Il ressort toutefois qu'il n'y a pas lieu de parler d'une dichotomie entre les « anciens » et les « nouveaux » domaines d'études : Technique, économie et design (TED) d'une part et Santé, social et arts (SSA) d'autre part. Il semble plus pertinent de désigner le domaine d'études 4/144 Technique et TI comme le domaine dominant auquel se référent le pilotage et le financement des HES, que ce soit implicitement ou explicitement. Cadre homogène et espaces hétérogènes Le pilotage et le financement de la Ra&D au sein des hautes écoles spécialisées s'inscrivent dans un modèle-cadre fixé à l'échelle fédérale et principalement axé sur le domaine d'études Technique. Ce modèle-cadre se caractérise par un apport élevé de fonds de tiers (notamment les subventions de la CTI et les fonds privés) et des incitations en faveur de ce mode de financement, par une orientation vers le marché et par un haut degré d'autonomie des établissements partenaires/départements et instituts. Par comparaison avec les hautes écoles universitaires, les HES affichent notamment un faible niveau de financement de base dans le secteur Ra&D. Cet état de fait est certes compatible avec la forme actuelle du financement par la CTI, mais pas avec les règles de financement du Fonds national suisse (FNS). Un financement principalement basé sur les fonds de tiers signifie par ailleurs que l'orientation du contenu de la recherche et la définition de critères de qualité sont confiées à des instances externes, notamment aux mandants et aux institutions d'encouragement de la recherche. Il apparaît en dernier lieu qu'un tel modèle-cadre ne favorise pas les politiques visant à la constitution de pôles de recherche, l'obtention d'une taille critique, et la mise en place d'une coordination. Ces résultats concernent tous les domaines d'études sans avoir pour autant les mêmes conséquences : les domaines d'études se prêtant dans une faible mesure à l'acquisition de fonds de tiers sur des marchés économiques (dans cette étude, il s'agit essentiellement de la Musique, arts de la scène et autres arts, mais également du Travail social dans certains cas) ont plus de difficultés à répondre aux attentes énoncées en termes de succès et de profit. Les HES modifient plus ou moins le modèle-cadre en élaborant elles-mêmes des modèles d'organisation qui prennent en compte leur combinaison de domaines d'études et soutiennent leurs propres orientations et positionnements stratégiques. La combinaison de domaines d'études hétérogènes et de politiques différentes au sein des HES se traduit par une complexité du système des HES, beaucoup plus importante que ce que généralement supposée. De plus, au regard des connaissances lacunaires sur les structures « réelles » de gouvernance des HES, il n'est quasiment pas possible de comparer directement les hautes écoles spécialisées entre elles. Conclusions et recommandations Le principal constat qui ressort d'un ensemble de conclusions et de recommandations des auteurs est que le secteur Ra&D dans les HES doit être plus explicitement évalué en fonction des spécificités des domaines d'études, à savoir du rôle de la recherche pour l'économie et la société, des différences entre les marchés (économiques) correspondants et de l'importance de la Ra&D pour les objectifs visés. L'étude montre clairement qu'il n'y a pas à proprement parler une seule et unique recherche au sein des hautes écoles spécialisées et que la notion de « recherche appliquée » ne suffit ni comme description ni, par conséquence, comme critère d'identité commun. Partant de ce constat, nous recommandons de revoir le mode de financement de la recherche dans les HES et d'approfondir le débat sur les structures de gouvernance sur l'orientation de la Ra&D (et notamment sur les critères de qualité appliqués), de même que sur l'autonomie et la coordination. Les recommandations constituent des points de discussion et n'engagent aucunement l'OFFT ou la CFHES.

Molecular mechanisms for the transcriptional regulation of the Connexin36 gene expression in insulin-secreting cells

Résumé Régulation de l'expression de la Connexin36 dans les cellules sécrétrices d'insuline La communication intercellulaire est en partie assurée via des jonctions communicantes de type "gap". Dans la cellule ß pancréatique, plusieurs observations indiquent que le couplage assuré par des jonctions gap formées parla Connexine36 (Cx36) est impliqué dans le contrôle de la sécrétion de l'insuline. De plus, nous avons récemment démontré qu'un niveau précis d'expression de la Cx36 est nécessaire pour maintenir une bonne coordination de l'ensemble des cellules ß, et permettre ainsi une sécrétion synchrone et contrôlée d'insuline. Le développement du diabète et du syndrome métabolique est partiellement dû à une altération de la capacité des cellules ß à sécréter de l'insuline en réponse à une augmentation de la glycémie. Cette altération est en partie causée par l'augmentation prolongée des taux circulant de glucose, mais aussi de lipides, sous la forme d'acides gras libres, et de LDL (Low Density Lipoproteins), particules assurant le transport des acides gras et du cholestérol dans le sang. Nous avons étudié la régulation de l'expression de la Cx36 dans différentes conditions reflétant la physiopathologie du diabète de type 2 et du syndrome métabolique et démontré qu'une exposition prolongée à des concentrations élevées de glucose, de LDL, ainsi que de palmitate (acide gras saturé le plus abondant dans l'organisme), inhibent l'expression de la Cx36 dans les cellules ß. Cette inhibition implique l'activation de la PKA (Proteine Kinase A), qui stimule à son tour l'expression du facteur de transcription ICER-1 (Inductible cAMP Early Repressor-1). Ce puissant répresseur se fixe spécifiquement sur un motif CRE (cAMP Response Element), situé dans le promoteur du gène de la Cx36, inhibant ainsi son expression. Nous avons de plus démontré que des cytokines pro-inflammatoires, qui pourraient contribuer au développement du diabète, inhibent également l'expression de la Cx36. Cependant, les cytokines agissent indépendamment du répresseur ICER-1, mais selon un mécanisme requérant l'activation de l'AMPK (AMP dependant protein kinase). Sachant qu'un contrôle précis des niveaux d'expression de la Cx36 est un élément déterminant pour une sécrétion optimale de l'insuline, nos résultats suggèrent que la Cx36 pourrait être impliquée dans l'altération de la sécrétion de l'insuline contribuant à l'apparition du diabète de type 2. Summary A particular way by which cells communicate with each other is mediated by gap junctions, transmembrane structures providing a direct pathway for the diffusion of small molecules between adjacent cells. Gap junctional communication is required to maintain a proper functioning of insulin-secreting ß-cells. Moreover, the expression levels of connexin36 (Cx36), the sole gap junction protein expressed in ß-cells, are critical in maintaining glucose-stimulated insulin secretion. Chronic hyperglycemia and hyperlipidemia exert deleterious effects on insulin secretion and may contribute to the progressive ß-cell failure linked to the development of type 2 diabetes and metabolic syndrome. Since modulations of the Cx36 levels might impair ß-cell function, the general aim of this work was to elucidate wether elevated levels of glucose and lipids affect Cx36 expression. The first part of this work was dedicated to the study of the effect of high glucose concentrations on Cx36 expression. We demonstrated that glucose transcriptionally down-regulates the expression of Cx36 in insulin-secreting cells through activation of the protein kinase A (PKA), which in turn stimulates the expression of the inducible cAMP early repressor-1 (ICER-1). This repressor binds to a highly conserved cAMP response element (CRE) located in the Cx36 promoter, thereby inhibiting Cx36 expression. The second part of this thesis consisted in studying the effects of sustained exposure to free fatty acids (FFA) and human lipoproteins on Cx36 levels. The experiments revealed that the most abundant FFA, palmitate, as well as the atherogenic low density lipoproteins (LDL), also stimulate ICER-1 expression, resulting in Cx36 down-regulation. Finally, the third part of the work focused on the consequences of long-term exposure to proinflammatory cytokines on Cx36 content. Interleukin-1 ß (IL-1 ß) inhibits Cx36 expression and its effect is potentialized by tumor necrosis factor α (TNFα) and interferon γ (IFNγ). We further unveiled that the cytokines effect on Cx36 levels requires activation of the AMP dependent protein kinase (AMPK). Prolonged exposures to glucose, palmitate, LDL, and pro-inflammatory cytokines have all been proposed to contribute to the development of diabetes and metabolic syndrome. Since Cx36 expression levels are critical to maintain ß-cell function, Cx36 down-regulation by glucose, lipids, and cytokines might participate to the ß-cell failure associated with diabetes development.

The interaction of human pathogenic arena viruses with the host cell

SummaryResearch projects presented in this thesis aimed to investigate two major aspects of the arenaviruses life cycle in the host cell: viral entry and the biosynthesis of the viral envelope glycoprotein.Old World arenaviruses (OWAV), such as Lassa virus (LASV) and lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV), attach to the cell by binding to their receptor, alpha-dystroglycan. Virions are then internalized by a largely unknown pathway of endocytosis and delivered to the late endosome/lysosome where fusion occurs at low pH. In the major project of my thesis, we sought to identify cellular factors involved in OWAV cell entry. Our work indicates that OWAV cell entry requires microtubular transport and a functional multivesicular body (MVB) compartment. Infection indeed depends on phosphatidyl inositol 3-kinase (PI3K) activity and lysobisphosphatidic acid (LBPA), a lipid found in membranes of intraluminal vesicles (ILVs) of the MVB. We further found a requirement of factors that are part of the endosomal sorting complex required for transport (ESCRT), involved in the formation of ILVs. This suggests an ESCRT-mediated sorting of virus- receptor complex during the entry process.During viral replication, biosynthesis of viral glycoprotein takes place in the endoplasmic reticulum (ER) of the host cell. When protein load exceeds the folding capacity of the ER, the accumulation of unfolded proteins is sensed by three ER resident proteins, activating transcription factor 6 (ATF6), inositol-requiring enzyme 1 (IRE1) and PKR-like ER kinase (PERK), whose signaling induces the cellular unfolded protein response (UPR). Our results indicate that acute LCMV infection transiently induces the activation of the ATF6 branch of the UPR, whereas the PERK, and IRE1 axis of UPR are neither triggered nor blocked during infection. Our data also demonstrate that activation of ATF6 pathway is required for optimal viral replication during acute infection.The formation of the mature, fusion-active form of arenaviruses glycoproteins requires proteolytic cleavage mediated by the cellular protease subtilisin kexin isozyme-1 (SKI-l)/site-l protease (SIP). We show that targeting the SKI-1/S1P enzymatic activity with specific inhibitors is a powerful strategy to block arenaviruses productive infection. Moreover, characterization of protease function highlights differences in processing between cellular and viral substrates, opening new possibilities in term of drug development against human pathogenic arenaviruses.RésuméLes projets de recherche présentés dans cette thèse visaient à étudier deux aspects du cycle de vie des arenavirus: l'entrée du virus dans la cellule hôte et la biosynthèse de la glycoprotéine durant la réplication virale.Les arenavirus du vieux monde (OWAV), tels que le virus de Lassa (LASV) et le virus de la chorioméningite lymphocytaire (LCMV) s'attachent à la cellule hôte en se liant à leur récepteur, l'alpha-dystroglycane. Les virions sont ensuite intemalisés par une voie d'endocytose inconnue et livrés à l'endosome tardif/lysosome, où le pH acide permet la fusion entre l'enveloppe virale et la membrane du compartiment. Le projet principal de ma thèse consistait à identifier les facteurs cellulaires impliqués dans l'entrée des OWAV dans la cellule hôte. Nos résultats indiquent que l'entrée des OWAV nécessite le transport microtubulaire et la présence d'un corps multivésiculaire (MVB) fonctionnel. L'infection dépend en effet de l'activité de phosphatidyl inositol 3-kinase (PI3K) et de lysobisphosphatidic acid (LBPA), un lipide présent dans les membranes des vésicules intraluminales (ILVs) du MVB. Nous avons également trouvé l'implication de facteurs constituant l'endosomal sorting complex required for sorting (ESCRT) qui joue un rôle dans la formation des ILVs. Ces donnés suggèrent l'incorporation du complexe virus-récepteur dans des ILVs durant le processus d'entrée.Lors de la réplication virale, la biosynthèse de la glycoprotéine virale a lieu dans le réticulum endoplasmique (ER) de la cellule hôte. Lorsque la charge de protéines nouvellement synthétisées excède la capacité de pliage des protéines dans le ER, l'accumulation de protéines mal pliées est détectée par trois facteurs: activating transcription factor 6 (ATF6), inositol-requiring enzyme 1 (IRE1) et PKR-like ER kinase (PERK). Leur signalisation constitue la réponse cellulaire face aux protéines mal pliées (UPR). Nos résultats montrent que l'infection aiguë avec LCMV induit transitoirement l'activation de la voie de signalisation ATF6 alors que les axes PERK et IRE1 de l'UPR ne sont ni induits ni bloqués pendant l'infection. Nos données prouvent également que l'activation de la voie ATF6 est nécessaire à une réplication virale optimale lors de l'infection aiguë avec LCMV.La maturation des glycoprotéines des arenavirus nécessite un clivage protéolytique par la protéase cellulaire subtilisin kexin isozyme-1 (SKI-l)/site-l protease (SIP). Nous avons démontré que le ciblage de l'activité enzymatique de SKI-1/SIΡ avec des inhibiteurs spécifiques est une stratégie prometteuse pour bloquer l'infection par les arenavirus. La caractérisation du mécanisme d'action de la protéase a, par ailleurs, révélé des différences au niveau du clivage entre les substrats cellulaires et viraux, ce qui ouvre de nouvelles perspectives en terme de développement de médicaments contre les arenavirus pathogènes pour l'homme.

Characterization of high osmolarity-induced vacuole fragmentation in "Saccharomyces c."

La majorité des organelles d'une cellule adaptent leur nombre et leur taille pendant les processus de division cellulaire, de trafic vésiculaire ou suite à des changements environnementaux par des processus de fusion et de fragmentation membranaires. Ceci est valable notamment pour le golgi, les mitochondries, les péroxisomes et les lysosomes. La vacuole est le compartiment terminal de la voie endocytaire dans la levure Saccharomyces cerevisiae\ elle correspond aux lysosomes des cellules mammifères. Suite à un choc hyperosmotique, la vacuole se fragmente en plusieurs petites vésicules. Durant ce projet, cette fragmentation a été étudiée en utilisant la technique de microscopie confocale in vivo. J'ai observé que la division de la vacuole se produit d'une façon asymétrique. La première minute après le choc osmotique, les vacuoles rétrécissent et forment des longues invaginations tubulaires. Cette phase est dépendante de la protéine Vps1, un membre de la famille des protéines apparentées à la dynamine, ainsi que d'un gradient transmembranaire de protons. Pendant les 10-15 minutes qui suivent, des vésicules se détachent dans les régions où l'on observe les invaginations pendant la phase initiale. Cette deuxième phase qui mène à la fission des nouveaux compartiments vacuolaires dépend de la production du lipide PI(3,5)P2 par la protéine Fab1. J'ai établi la suite des événements du processus de fragmentation des vacuoles et propose la possibilité d'un rôle régulateur de la protéine kinase cycline-dépendante Pho85.¦En outre, j'ai tenté d'éclaircir plus spécifiquement le rôle de Vps1 pendant la fusion et fission des vacuoles. J'ai trouvé que tous les deux processus sont dépendants de l'activité GTPase de cette protéine. De plus l'association avec la membrane vacuolaire paraît régulée par le cycle d'hydrolyse du GTP. Vps1 peut lier la membrane sans la présence d'un autre facteur protéinique, ce qui permet de conclure à une interaction directe avec des lipides de la membrane. Cette interaction est au moins partiellement effectuée par le domaine GTPase, ce qui est une nouveauté pour un membre de cette famille de protéines. Une deuxième partie de Vps1, nommée insert B, est impliquée dans la liaison à la vacuole, soit par interaction directe avec la membrane, soit par régulation du domaine GTPase. En assumant que Vps1 détienne deux régions capables de liaison aux membranes, je conclus qu'elle pourrait fonctionner comme facteur de « tethering » lors de la fusion des vacuoles.¦-¦La cellule contient plusieurs sous-unités, appelées organelles, possédant chacune une fonction spécifique. Dépendant des processus qui s'y déroulent à l'intérieur, un environnement chimique spécifique est requis. Pour maintenir ces différentes conditions, les organelles sont séparées par des membranes. Lors de la division cellulaire ou en adaptation à des changements de milieu, les organelles doivent être capables de modifier leur morphologie. Cette adaptation a souvent lieu par fusion ou division des organelles. Le même principe est valable pour la vacuole dans la levure. La vacuole est une organelle qui sert principalement au stockage des aliments et à la dégradation des différents composants cellulaires. Alors que la fusion des vacuoles est un processus déjà bien décrit, la fragmentation des vacuoles a jusqu'ici été peu étudiée. Elle peut être induit par un choc osmotique: à cause de la concentration de sel élevé dans le milieu, le cytosol de la levure perd de l'eau. Par un flux d'eau de la vacuole au cytosol, la cellule est capable d'équilibrer celui-ci. Quand la vacuole perd du volume, elle doit réadapter le rapport entre surface membranaire et volume, ce qui se fait efficacement par une fragmentation d'une grande vacuole en plusieurs petites vésicules. Comment ce processus se déroule d'un point de vue morphologique n'a pas été décrit jusqu'à présent. En analysant la fragmentation vacuolaire par microscopie, j'ai trouvé que celle-ci se déroule en deux phases. Pendant la première minute suivant le choc osmotique, les vacuoles rétrécissent et forment des longues invaginations tubulaires. Cette phase dépend de la protéine Vps1, un membre de la famille des protéines apparentées à la dynamine, ainsi que du gradient transmembranaire de protons. Ce gradient s'établit par une pompe membranaire, la V-ATPase, qui transporte des protons dans la vacuole en utilisant l'énergie libérée par hydrolyse d'ATP. Après cette phase initiale, la formation de nouvelles vésicules vacuolaires dépend de la synthèse du lipide PI(3,5)P2.¦Dans la deuxième partie de l'étude, j'ai tenté de décrire comment Vps1 lie la membrane pour effectuer un remodelage de la vacuole. Vps1 est nécessaire pour la fusion et la fragmentation des vacuoles. J'ai découvert que tous les deux processus dépendent de sa capacité d'hydrolyser du GTP. Ainsi l'association avec la membrane est couplée au cycle d'hydrolyse du GTP. Vps1 peut lier la membrane sans la présence d'une autre protéine, et interagit donc très probablement avec les lipides de la membrane. Deux parties différentes de la protéine sont impliquées dans la liaison, dont une, inattendue, le domaine GTPase.¦-¦Numerous organelles undergo membrane fission and fusion events during cell division, vesicular traffic, or in response to changes in environmental conditions. Examples include Golgi (Acharya et al., 1998) mitochondria (Bleazard et al., 1999) peroxisomes (Kuravi et al., 2006) and lysosomes (Ward et al., 1997). In the yeast Saccharomyces cerevisiae the vacuole is the terminal component of the endocytic pathway and corresponds to lysosomes in mammalian cells. Yeast vacuoles fragment into multiple small vesicles in response to a hypertonic shock. This rapid and homogeneous reaction can serve as a model to study the requirements of the fragmentation process. Here, I investigated osmotically induced fragmentation by time-lapse microscopy. I observe that the small fragmentation products originate directly from the large central vacuole by asymmetric scission rather than by consecutive equal divisions and that fragmentation occurs in two distinct phases. During the first minute, vacuoles shrink and generate deep invaginations, leaving behind tubular structures. This phase requires the dynamin-like GTPase Vps1 and the vacuolar proton gradient. In the subsequent 10-15 minutes, vesicles pinch off from the tubular structures in a polarized fashion, directly generating fragmentation products of the final size. This phase depends on the production of phosphatidylinositol- 3,5-bisphosphate by the Fab1 complex. I suggest a possible regulation of vacuole fragmentation by the CDK Pho85. Based on my microscopy study I established a sequential involvement of the different fission factors.¦In addition to the morphological description of vacuole fragmentation I more specifically aimed to shed some light on the role of Vps1 in vacuole fragmentation and fusion. I find that both functions are dependent on the GTPase activity of the protein and that also the membrane association of the dynamin-like protein is coupled to the GTPase cycle. I found that Vps1 has the capacity for direct lipid binding on the vacuole and that this lipid binding is at least partially mediated through residues in the GTPase domain, a complete novelty for a dynamin family member. A second stretch located in the region of insert Β has also membrane-binding activity or regulates the association with the vacuole through the GTPase domain. Under the assumption of two membrane-binding regions I speculate on Vps1 as a possible tethering factor for vacuole fusion.

De l'IRM de diffusion au connectome.

Objectifs: Comprendre les principes physique de la diffusion. Comprendre le principe de mesure de la diffusion par IRM. Ccomprendre la relation entre la diffusion de l'eau en milieu biologique et l'organisation de la matière blanche. Comprendre comment cartographier la connectivité cérébrale par irm de diffusion. Messages à retenir: Les propriétés de diffusion du tissu cérébral sont conditionnées par l'architecture axonale. La mesure de la diffusion par IRM permet de cartographier les trajectoires de fibres nerveuses et donc la connectivité cérébrale. La connectivité cérébrale peut être mesurés de manière non-invasive. Résumé: La "connectomique" est un domaine émergeant et prometteur des neurosciences qui utilise l'IRM de diffusion en combinaison avec des traitements algorithmiques avancés afin de mesurer les trajectoires de faisceaux de fibres et la connectivité cérébrale permettant d'étudier l'organisation de la structure du réseau neuronal cérébral dans son ensemble. Lors de ce cours nous reverrons les méthodes rendant cette cartographie possible et exposerons les techniques d'analyse utilisées pour obtenir de nouvelles informations sur l'architecture cérébrale. Nous reverrons également un certains nombre d'exemple d'applications où la connectomique offre une nouvelle manière d'analyser et de comprendre le fonctionnement du cerveau normal ou malade.

Role of genetic and social factors in modulating the efficiency of division of labour in social insects

Summary : Division of labour is one of the most fascinating aspects of social insects. The efficient allocation of individuals to a multitude of different tasks requires a dynamic adjustment in response to the demands of a changing environment. A considerable number of theoretical models have focussed on identifying the mechanisms allowing colonies to perform efficient task allocation. The large majority of these models are built on the observation that individuals in a colony vary in their propensity (response threshold) to perform different tasks. Since individuals with a low threshold for a given task stimulus are more likely to perform that task than individuals with a high threshold, infra-colony variation in individual thresholds results in colony division of labour. These theoretical models suggest that variation in individual thresholds is affected by the within-colony genetic diversity. However, the models have not considered the genetic architecture underlying the individual response thresholds. This is important because a better understanding of division of labour requires determining how genotypic variation relates to differences in infra-colony response threshold distributions. In this thesis, we investigated the combined influence on task allocation efficiency of both, the within-colony genetic variability (stemming from variation in the number of matings by queens) and the number of genes underlying the response thresholds. We used an agent-based simulator to model a situation where workers in a colony had to perform either a regulatory task (where the amount of a given food item in the colony had to be maintained within predefined bounds) or a foraging task (where the quantity of a second type of food item collected had to be the highest possible). The performance of colonies was a function of workers being able to perform both tasks efficiently. To study the effect of within-colony genetic diversity, we compared the performance of colonies with queens mated with varying number of males. On the other hand, the influence of genetic architecture was investigated by varying the number of loci underlying the response threshold of the foraging and regulatory tasks. Artificial evolution was used to evolve the allelic values underlying the tasks thresholds. The results revealed that multiple matings always translated into higher colony performance, whatever the number of loci encoding the thresholds of the regulatory and foraging tasks. However, the beneficial effect of additional matings was particularly important when the genetic architecture of queens comprised one or few genes for the foraging task's threshold. By contrast, higher number of genes encoding the foraging task reduced colony performance with the detrimental effect being stronger when queens had mated with several males. Finally, the number of genes determining the threshold for the regulatory task only had a minor but incremental effect on colony performance. Overall, our numerical experiments indicate the importance of considering the effects of queen mating frequency, genetic architecture underlying task thresholds and the type of task performed when investigating the factors regulating the efficiency of division of labour in social insects. In this thesis we also investigate the task allocation efficiency of response threshold models and compare them with neural networks. While response threshold models are widely used amongst theoretical biologists interested in division of labour in social insects, our simulation reveals that they perform poorly compared to a neural network model. A major shortcoming of response thresholds is that they fail at one of the most crucial requirement of division of labour, the ability of individuals in a colony to efficiently switch between tasks under varying environmental conditions. Moreover, the intrinsic properties of the threshold models are that they lead to a large proportion of idle workers. Our results highlight these limitations of the response threshold models and provide an adequate substitute. Altogether, the experiments presented in this thesis provide novel contributions to the understanding of how division of labour in social insects is influenced by queen mating frequency and genetic architecture underlying worker task thresholds. Moreover, the thesis also provides a novel model of the mechanisms underlying worker task allocation that maybe more generally applicable than the widely used response threshold models. Resumé : La répartition du travail est l'un des aspects les plus fascinants des insectes vivant en société. Une allocation efficace de la multitude de différentes tâches entre individus demande un ajustement dynamique afin de répondre aux exigences d'un environnement en constant changement. Un nombre considérable de modèles théoriques se sont attachés à identifier les mécanismes permettant aux colonies d'effectuer une allocation efficace des tâches. La grande majorité des ces modèles sont basés sur le constat que les individus d'une même colonie diffèrent dans leur propension (inclination à répondre) à effectuer différentes tâches. Etant donné que les individus possédant un faible seuil de réponse à un stimulus associé à une tâche donnée sont plus disposés à effectuer cette dernière que les individus possédant un seuil élevé, les différences de seuils parmi les individus vivant au sein d'une même colonie mènent à une certaine répartition du travail. Ces modèles théoriques suggèrent que la variation des seuils des individus est affectée par la diversité génétique propre à la colonie. Cependant, ces modèles ne considèrent pas la structure génétique qui est à la base des seuils de réponse individuels. Ceci est très important car une meilleure compréhension de la répartition du travail requière de déterminer de quelle manière les variations génotypiques sont associées aux différentes distributions de seuils de réponse à l'intérieur d'une même colonie. Dans le cadre de cette thèse, nous étudions l'influence combinée de la variabilité génétique d'une colonie (qui prend son origine dans la variation du nombre d'accouplements des reines) avec le nombre de gènes supportant les seuils de réponse, vis-à-vis de la performance de l'allocation des tâches. Nous avons utilisé un simulateur basé sur des agents pour modéliser une situation où les travailleurs d'une colonie devaient accomplir une tâche de régulation (1a quantité d'une nourriture donnée doit être maintenue à l'intérieur d'un certain intervalle) ou une tâche de recherche de nourriture (la quantité d'une certaine nourriture doit être accumulée autant que possible). Dans ce contexte, 'efficacité des colonies tient en partie des travailleurs qui sont capable d'effectuer les deux tâches de manière efficace. Pour étudier l'effet de la diversité génétique d'une colonie, nous comparons l'efficacité des colonies possédant des reines qui s'accouplent avec un nombre variant de mâles. D'autre part, l'influence de la structure génétique a été étudiée en variant le nombre de loci à la base du seuil de réponse des deux tâches de régulation et de recherche de nourriture. Une évolution artificielle a été réalisée pour évoluer les valeurs alléliques qui sont à l'origine de ces seuils de réponse. Les résultats ont révélé que de nombreux accouplements se traduisaient toujours en une plus grande performance de la colonie, quelque soit le nombre de loci encodant les seuils des tâches de régulation et de recherche de nourriture. Cependant, les effets bénéfiques d'accouplements additionnels ont été particulièrement important lorsque la structure génétique des reines comprenait un ou quelques gènes pour le seuil de réponse pour la tâche de recherche de nourriture. D'autre part, un nombre plus élevé de gènes encodant la tâche de recherche de nourriture a diminué la performance de la colonie avec un effet nuisible d'autant plus fort lorsque les reines s'accouplent avec plusieurs mâles. Finalement, le nombre de gènes déterminant le seuil pour la tâche de régulation eu seulement un effet mineur mais incrémental sur la performance de la colonie. Pour conclure, nos expériences numériques révèlent l'importance de considérer les effets associés à la fréquence d'accouplement des reines, à la structure génétique qui est à l'origine des seuils de réponse pour les tâches ainsi qu'au type de tâche effectué au moment d'étudier les facteurs qui régulent l'efficacité de la répartition du travail chez les insectes vivant en communauté. Dans cette thèse, nous étudions l'efficacité de l'allocation des tâches des modèles prenant en compte des seuils de réponses, et les comparons à des réseaux de neurones. Alors que les modèles basés sur des seuils de réponse sont couramment utilisés parmi les biologistes intéressés par la répartition des tâches chez les insectes vivant en société, notre simulation montre qu'ils se révèlent peu efficace comparé à un modèle faisant usage de réseaux de neurones. Un point faible majeur des seuils de réponse est qu'ils échouent sur un point crucial nécessaire à la répartition des tâches, la capacité des individus d'une colonie à commuter efficacement entre des tâches soumises à des conditions environnementales changeantes. De plus, les propriétés intrinsèques des modèles basés sur l'utilisation de seuils conduisent à de larges populations de travailleurs inactifs. Nos résultats mettent en évidence les limites de ces modèles basés sur l'utilisation de seuils et fournissent un substitut adéquat. Ensemble, les expériences présentées dans cette thèse fournissent de nouvelles contributions pour comprendre comment la répartition du travail chez les insectes vivant en société est influencée par la fréquence d'accouplements des reines ainsi que par la structure génétique qui est à l'origine, pour un travailleur, du seuil de réponse pour une tâche. De plus, cette thèse fournit également un nouveau modèle décrivant les mécanismes qui sont à l'origine de l'allocation des tâches entre travailleurs, mécanismes qui peuvent être appliqué de manière plus générale que ceux couramment utilisés et basés sur des seuils de réponse.