Phenotypic plasticity in salmonid embryos : characterizing pathogen-induced stress effects on heritable variation in traits and reaction norms

Les pressions écologiques peuvent varier tant en nature qu'en intensité dans le temps et l'espace. C'est pourquoi, un phénotype unique ne peut pas forcément conférer la meilleure valeur sélective. La plasticité phénotypique peut être un moyen de s'accommoder de cette situation, en augmentant globalement la tolérance aux changements environnementaux. Comme pour tout trait de caractère, une variation génétique doit persister pour qu'évoluent les traits plastiques dans une population donnée. Cependant, les pressions extérieures peuvent affecter l'héritabilité, et la direction de ces changements peut dépendre du caractère en question, de l'espèce mais aussi du type de stress. Dans la présente thèse, nous avons cherché à élucider les effets des pressions pathogéniques sur les phénotypes et la génétique quantitative de plusieurs traits plastiques chez les embryons de deux salmonidés, la palée (Coregonus palaea), et la truite de rivière (Salmo trutta). Les salmonidés se prêtent à de telles études du fait de leur extraordinaire variabilité morphologique, comportementale et des traits d'histoire de vie. Par ailleurs, avec le déclin des salmonidés dans le monde, il est important de savoir combien la variabilité génétique persiste dans les normes de réaction afin d'aider à prédire leur capacité à répondre aux changements de leur milieu. Nous avons observé qu'une augmentation de la croissance des communautés microbiennes symbiotiques entraînait une mortalité accrue et une éclosion précoce chez la palée, et dévoilait la variance génétique additive pour ces deux caractères (Chapitres 1-2). Bien qu'aucune variation génétique n'ait été trouvée pour les normes de réaction, nous avons observé une variabilité de la plasticité d'éclosion. Néanmoins, on a trouvé que les temps d'éclosion étaient corrélés entre les environnements, ce qui pourrait limiter l'évolution de la norme de réaction. Le temps d'éclosion des embryons est lié à la taille des géniteurs mâles, ce qui indique des effets pléiotropiques. Dans le Chapitre 3, nous avons montré qu'une interaction triple entre la souche bactérienne {Pseudomonas fluorescens}, l'état de dévelopement de l'hôte ainsi que ses gènes ont une influence sur la mortalité, le temps d'éclosion et la taille des alevins de la palée. Nous avons démontré qu'une variation génétique subsistait généralement dans les normes de réaction des temps d'éclosion, mais rarement pour la taille des alevins, et jamais pour la mortalité. Dans le même temps, nous avons exhibé que des corrélations entre environnements dépendaient des caractères phénotypiques, mais contrairement au Chapitre 2, nous n'avons pas trouvé de preuve de corrélations transgénérationnelles. Le Chapitre 4 complète le chapitre précédent, en se plaçant du point de vue moléculaire, et décrit comment le traitement d'embryons avec P. fluorescens s'est traduit par une régulation négative d'expression du CMH-I indépendemment de la souche bactérienne. Nous avons non seulement trouvé une variation génétique des caractères phénotypiques moyens, mais aussi de la plasticité. Les deux derniers chapitres traitent de l'investigation, chez la truite de rivière, des différences spécifiques entre populations pour des normes de réaction induites par les pathogènes. Dans le Chapitre 5, nous avons illustré que le métissage entre des populations génétiquement distinctes n'affectait en rien la hauteur ou la forme des normes de réaction d'un trait précoce d'histoire de vie suite au traitement pathogénique. De surcroît, en dépit de l'éclosion tardive et de la réduction de la taille des alevins, le traitement n'a pas modifié la variation héritable des traits de caractère. D'autre part, dans le Chapitre 6, nous avons démontré que le traitement d'embryons avec des stimuli contenus dans l'eau de conspécifiques infectés a entraîné des réponses propre à chaque population en terme de temps d'éclosion ; néanmoins, nous avons observé peu de variabilité génétique des normes de réaction pour ce temps d'éclosion au sein des populations. - Ecological stressors can vary in type and intensity over space and time, and as such, a single phenotype may not confer the highest fitness. Phenotypic plasticity can act as a means to accommodate this situation, increasing overall tolerance to environmental change. As with any trait, for plastic traits to evolve in a population, genetic variation must persist. However, environmental stress can alter trait heritability, and the direction of this shift can be trait, species, and stressor-dependent. In this thesis, we sought to understand the effects of pathogen stressors on the phenotypes and genetic architecture of several plastic traits in the embryos of two salmonids, the whitefish (Coregonus palaea), and the brown trout (Salmo trutta). Salmonids lend themselves to such studies because their extraordinary variability in morphological, behavioral, and life-history traits. Also, with declines in salmonids worldwide, knowing how much genetic variability persists in reaction norms may help predict their ability to respond to environmental change. We found that increasing growth of symbiotic microbial communities increased mortality and induced hatching in whitefish, and released additive genetic variance for both traits (Chapters 1-2). While no genetic variation was found for survival reaction norms, we did find variability in hatching plasticity. Nevertheless, hatching time was correlated across environments, which could constrain evolution of the reaction norm. Hatching time in the induced environment was also correlated to sire size, indicating pleiotropic effects. In Chapter 3 we report that a three-way interaction between bacterial strain (Pseudomonas fluorescens), host developmental stage, and host genetics impacted mortality, hatching time, and hatchling size in whitefish. We also showed that genetic variation generally persisted in hatching age reaction norms, but rarely for hatchling length, and never for mortality. At the same time, we demonstrated that cross-environmental correlations were trait-dependent, and unlike Chapter 2, we found no evidence of cross-generational correlations. Chapter 4 expands on the previous chapter, moving to the molecular level, and describes how treatment of embryos with P. fluorescens resulted in strain-independent downregulation of MHC class I. Genetic variation was evident not only in trait means, but also in plasticity. In the last two chapters, we investigated population level differences in pathogen- induced reaction norms in brown trout. In Chapter 5, we found that interbreeding between genetically distinct populations did not affect the elevation or shapes of the reaction norms of early life-history traits after pathogen challenge. Moreover, despite delaying hatching and reducing larval length, treatment produced no discernable shifts in heritable variation in traits. On the other hand, in Chapter 6, we found that treatment of embryos with water-borne cues from infected conspecifics elicited population-specific responses in terms of hatching time; however, we found little evidence of genetic variability in hatching reaction norms within populations. We have made considerable progress in understanding how pathogen stressors affect various early life-history traits in salmonid embryos. We have demonstrated that the effect of a particular stressor on heritable variation in these traits can vary according to the trait and species under consideration, in addition to the developmental stage of the host. Moreover, we found evidence of genetic variability in some, but not all reaction norms in whitefish and brown trout.

The neuronal monocarboxylate transporter MCT2: its regulation by BDNF and its role in learning and memory

Glucose has been considered the major, if not the exclusive, energy substrate for the brain. But under certain physiological and pathological conditions other substrates, namely monocarboxylates (lactate, pyruvate and ketone bodies), can contribute significantly to satisfy brain energy demands. These monocarboxylates need to be transported across the blood-brain barrier or out of astrocytes into the extracellular space and taken up into neurons. It has been shown that monocarboxylates are transported by a family of proton-linked transporters called monocarboxylate transporters (MCTs). In the central nervous system, MCT2 is the predominant neuronal isoform and little is known about the regulation of its expression. Noradrenaline (NA), insulin and IGF-1 were previously shown to enhance the expression of MCT2 in cultured cortical neurons via a translational mechanism. Here we demonstrate that the well known brain neurotrophic factor BDNF enhances MCT2 protein expression in cultured cortical neurons and in synaptoneurosome preparations in a time- and concentrationdependent manner without affecting MCT2 mRNA levels. We observed that BDNF induced MCT2 expression by activation of MAPK as well as PI3K/Akt/mTOR signaling pathways. Furthermore, we investigated the possible post-transcriptional regulation of MCT2 expression by a neuronal miRNA. Then, we demonstrated that BDNF enhanced MCT2 expression in the hippocampus in vivo, in parallel with some post-synaptic proteins such as PSD95 and AMPA receptor GluR2/3 subunits, and two immediate early genes Arc and Zif268 known to be expressed in conditions related to synaptic plasticity. In the last part, we demonstrated in vivo that a downregulation of hippocampal MCT2 via silencing with an appropriate lentiviral vector in mice caused an impairment of working memory without reference memory deficit. In conclusion, these results suggest that regulation of neuronal monocarboxylate transporter MCT2 expression could be a key event in the context of synaptic plasticity, allowing an adequate energy substrate supply in situations of altered synaptic efficacy. - Le glucose représente le substrat énergétique majeur pour le cerveau. Cependant, dans certaines conditions physiologiques ou pathologiques, le cerveau a la capacité d'utiliser des substrats énergéiques appartenant à la classe des monocarboxylates (lactate, pyruvate et corps cétoniques) afin de satisfaire ses besoins énergétiques. Ces monocarboxylates doivent être transportés à travers la barrière hématoencéphalique mais aussi hors des astrocytes vers l'espace extracellulaire puis re-captés par les neurones. Leur transport est assuré par une famillle de transporteurs aux monocarboxylates (MCTs). Dans le système nerveux central, les neurones expriment principalement l'isoforme MCT2 mais peu d'informations sont disponibles concernant la régulation de son expression. Il a été montré que la noradrénaline, l'insuline et l'IGF-1 induisent l'expression de MCT2 dans des cultures de neurones corticaux par un mécanisme traductionnel. Dans cette étude nous démontrons dans un premier temps que le facteur neurotrophique BDNF augmente l'expression de MCT2 à la fois dans des cultures de neurones corticaux et dans les préparations synaptoneurosomales selon un décours temporel et une gamme de concentrations propre. Aucun changement n'a été observé concernant les niveaux d'ARNm de MCT2. Nous avons observé que le BDNF induisait l'expression de MCT2 par l'activation simultanée des voies de signalisation MAPK et PI3K/Akt/mTOR. De plus, nous nous sommes intéressés à une potentielle régulation par les micro-ARNs de la synthèse de MCT2. Ensuite, nous avons démontré que le BDNF induit aussi l'expression de MCT2 dans l'hippocampe de la souris en parallèle avec d'autres protéines post-synaptiques telles que PSD95 et GluR2/3 et avec deux « immediate early genes » tels que Arc et Zif268 connus pour être exprimés dans des conditions de plasticité synaptique. Dans un dernier temps, nous avons démontré qu'une diminution d'expression de MCT2 induite par le biais d'un siRNA exprimé via un vecteur lentiviral dans l'hippocampe de souris générait des déficits de mémoire de travail sans affecter la mémoire de référence. En conclusion, ces résultats nous suggèrent que le transporteur aux monocarboxylates neuronal MCT2 serait essentiel pour l'apport énergétique du lactate pour les neurones dans des conditions de haute activité neuronale comme c'est le cas pendant les processus de plasticité synaptique.

Neuronal expression of the ubiquitin ligase Nedd4-2 in rat dorsal root ganglia: modulation in the SNI model of neuropathic pain

La douleur neuropathique est une forme de douleur chronique apparaissant suite à des lésions du système nerveux somato-sensoriel. Caractérisée par une plasticité neuronale inadapté, elle est très souvent intense, invalidante, associe des symptômes comme l'allodynie ou l' hyperalgésie et reste difficile à traiter avec les agents thérapeutiques actuels. Le thème de mon travail de thèse se concentre sur des mécanismes moléculaires de modulation des canaux sodiques voltage-dépendants suite à une lésion du nerf périphérique. Dans l'article présenté en annexe, j'ai focalisé mon travail sur une protéine, Nedd4-2, qui est une ligase ubiquitine. Elle a pour rôle de réguler et d'internaliser dans la cellule des protéines membranaires dont les canaux sodiques. Suite aux lésions du système nerveux périphérique, il existe une hyperexcitabilité neuronale engendrée notamment par un surplus et une dysrégulation des canaux sodiques à la membrane cellulaire. Dans 1 'hypothèse que l'ubiquitine ligase Nedd4-2 soit présente dans les neurones sensitifs primaires et ait un rôle dans la régulation des canaux sodiques, nous avons identifié cette protéine dans les neurones nociceptifs primaires du rat. En utilisant des techniques de Western Blot et d'immunohistochimie, j'ai trouvé que Nedd4-2 est présente dans presque 50% des neurones du ganglion spinal et ces neurones sont principalement des neurones nociceptifs. Dans un modèle expérimental de douleur neuropathique (SN I, pour spared nerve injury), Nedd4-2 se retrouve significativement diminuée dans le tissu du ganglion spinal. J'ai également investigué 1' expression de 2 isoformes des canaux sodiques connues pour leur implication dans la douleur, Navl.7 et Navl.8, et ces 2 isoformes se retrouvent dans les mêmes neurones que Nedd4-2. La caractérisation détaillée est décrite dans le manuscrit: «Neuronal expression of the ubiquitin ligase Nedd4-2 in rat dorsal root ganglia: modulation in the SNI model of neuropathic pain; Cachemaille M, Laedermann CJ, Pertin M, Abriel H, Gasselin RD, Decosterd 1.» Les résultats obtenus indiquent que Nedd4-2, en étant downrégulé après une lésion nerveuse, pourrait ainsi contribuer à une augmentation des canaux sodiques fonctionnels à la membrane. Ainsi Nedd4-2 pourrait être proposée comme cible thérapeutique de manière alternative aux bloqueurs de canaux sodiques. Ce travail a permis l'initiation d'autres expériences. J'ai contribué activement à la construction de vecteurs viraux type adéno-associé recombinant (rAA V2/6) et surexprimé la protéine in vivo dans les ganglions spinaux. Cette partie de mon travail se trouve intégrée dans d'autres travaux de mon laboratoire d'accueil qui a pu démontrer les effets fonctionnels de cette approche sur les courants sodiques enregistrés par électrophysiologie et une diminution de la douleur neuropathique chez la souris. - Abstract-Neuronal hyperexcitability following peripheral nerve lesions may stem from altered activity of voltagegated sodium channels (VGSCs), which gives rise toallodynia or hyperalgesia. In vitro, the ubiquitin ligase Nedd4-2 is a negative regulator of VGSC a-subunits (Nav), in particular Nav1.7, a key actor in nociceptor excitability. We therefore studied Nedd4-2 in rat nociceptors, its co-expression with Nav1.7 and Nav1.8, and its regulation in pathology. Adult rats were submitted to the spared nerve injury (SNI) model of neuropathic pain or injected with complete Freund's adjuvant (CFA), a model of inflammatory pain. L4 dorsal root ganglia (DRG) were analyzed in shamoperated animals, seven days after SNI and 48 h after CFA with immunofluorescence and Western blot. We observed Nedd4-2 expression in almost 50% of DRG neurons, mostly small and medium-sized. A preponderant localization is found in the non-peptidergic sub-population. Additionally, 55.7± 2.7% and 55.0 ±3.6% of Nedd4-2-positive cells are co-labeled with Nav1.7 and Nav1.8 respectively. SNI significantly decreases the proportion of Nedd4-2-positive neurons from 45.9± 1.9% to 33.5± 0.7% (p < 0.01) and the total Nedd4-2 protein to 44%± 0.13% of its basal level (p <0.01, n = 4 animals in each group, mean± SEM). In contrast, no change in Nedd4-2 was found after peripheral inflammation induced by CFA. These results indicate that Nedd4-2 is present in nociceptive neurons, is downregulated after peripheral nerve injury, and might therefore contribute to the dysregulation of Navs involved in the hyperexcitability associated with peripheral nerve injuries.

Roles of astrocytic sodium dynamics in the neurometabolic coupling : a study by cellular imaging

RESUME LARGE PUBLIC Le système nerveux central est principalement composé de deux types de cellules :les neurones et les cellules gliales. Ces dernières, bien que l'emportant en nombre sur les neurones, ont longtemps été considérées comme des cellules sans intérêts par les neuroscientifiques. Hors, les connaissances modernes à leurs sujets indiquent qu'elles participent à la plupart des tâches physiologiques du cerveau. Plus particulièrement, elles prennent part aux processus énergétiques cérébraux. Ceux-ci, en plus d'être vitaux, sont particulièrement intrigants puisque le cerveau représente seulement 2 % de la masse corporelle mais consomme environ 25 % du glucose (substrat énergétique) corporel. Les astrocytes, un type de cellules gliales, jouent un rôle primordial dans cette formidable utilisation de glucose par le cerveau. En effet, l'activité neuronale (transmission de l'influx nerveux) est accompagnée d'une augmentation de la capture de glucose, issu de la circulation sanguine, par les astrocytes. Ce phénomène est appelé le «couplage neurométabolique » entre neurones et astrocytes. L'ion sodium fait partie des mécanismes cellulaires entrant en fonction lors de ces processus. Ainsi, dans le cadre de cette thèse, les aspects dynamiques de la régulation du sodium astrocytaire et leurs implications dans le couplage neurométabolique ont été étudiés par des techniques d'imagerie cellulaires. Ces études ont démontré que les mitochondries, machineries cellulaires convertissant l'énergie contenue dans le glucose, participent à la régulation du sodium astrocytaire. De plus, ce travail de thèse a permis de découvrir que les astrocytes sont capables de se transmettre, sous forme de vagues de sodium se propageant de cellules en cellules, un message donnant l'ordre d'accroître leur consommation d'énergie. Cette voie de signalisation leur permettrait de fournir de l'énergie aux neurones suite à leur activation. RESUME Le glutamate libéré dans la fente synaptique pendant l'activité neuronale, est éliminé par les astrocytes environnants. Le glutamate est co-transporté avec des ions sodiques, induisant une augmentation intracellulaire de sodium (Na+i) dans les astrocytes. Cette élévation de Na+i déclenche une cascade de mécanismes moléculaires qui aboutissent à la production de substrats énergétiques pouvant être utilisés par les neurones. Durant cette thèse, la mesure simultanée du sodium mitochondrial (Na+mit) et cytosolique par des techniques d'imagerie utilisant des sondes fluorescentes spécifiques, a indiqué que les variations de Na+i induites par le transport du glutamate sont transmises aux mitochondries. De plus, les voies d'entrée et de sortie du sodium mitochondrial ont été identifiées. L'échangeur de Na+ et de Ca2+ mitochondrial semble jouer un rôle primordial dans l'influx de Na+mit, alors que l'efflux de Na+mit est pris en charge par l'échangeur de Na+ et de H+ mitochondrial. L'étude du Na+mit a nécessité l'utilisation d'un système de photoactivation. Les sources de lumière ultraviolette (UV) classiques utilisées à cet effet (lasers, lampes à flash) ayant plusieurs désavantages, une alternative efficace et peu coûteuse a été développée. Il s'agit d'un système compact utilisant une diode électroluminescente (LED) à haute puissance et de longueur d'onde de 365nm. En plus de leurs rôles dans le couplage neurométabolique, les astrocytes participent à la signalisation multicellulaire en transmettant des vagues intercellulaires de calcium. Ce travail de thèse démontre également que des vagues intercellulaires de sodium peuvent être évoquées en parallèle à ces vagues calciques. Le glutamate, suite à sa libération par un mécanisme dépendent du calcium, est réabsorbé par les transporteurs au glutamate. Ce mécanisme a pour conséquence la génération de vagues sodiques se propageant de cellules en cellules. De plus, ces vagues sodiques sont corrélées spatialement avec une consommation accrue de glucose par les astrocytes. En conclusion, ce travail de thèse a permis de montrer que le signal sodique astrocytaire, déclenché en réponse au glutamate, se propage à la fois de façon intracellulaire aux mitochondries et de façon intercellulaire. Ces résultats suggèrent que les astrocytes fonctionnent comme un réseau de cellules nécessaire au couplage énergétique concerté entre neurones et astrocytes et que le sodium est un élément clé dans les mécanismes de signalisations cellulaires sous-jacents. SUMMARY Glutamate, released in the synaptic cleft during neuronal activity, is removed by surrounding astrocytes. Glutamate is taken-up with Na+ ions by specific transporters, inducing an intracellular Na+ (Na+i) elevation in astrocytes which triggers a cascade of molecular mechanisms that provides metabolic substrates to neurons. Thus, astrocytic Na+i homeostasis represents a key component of the so-called neurometabolic coupling. In this context, the first part of this thesis work was aimed at investigating whether cytosolic Na+ changes are transmitted to mitochondria, which could therefore influence their function and contribute to the overall intracellular Na+ regulation. Simultaneous monitoring of both mitochondrial Na+ (Na+mit) and cytosolic Na+ changes with fluorescent dyes revealed that glutamate-evoked cytosolic Na+ elevations are indeed transmitted to mitochondria. The mitochondrial Na+/Ca2+ exchangers have a prominent role in the regulation of Na+mit influx pathway, and Na+mit extrusion appears to be mediated by Na+/H+ exchangers. To demonstrate the implication of Na+/Ca2+ exchangers, this study has required the technical development of an UV-flash photolysis system. Because light sources for flash photolysis have to be powerful and in the near UV range, the use of UV lasers or flash lamps is usually required. As an alternative to these UV sources that have several drawbaks, we developped a compact, efficient and lowcost flash photolysis system which employs a high power 365nm light emitting diode. In addition to their role in neurometabolic coupling, astrocytes participate in multicellular signaling by transmitting intercellular Ca2+ waves. The third part of this thesis show that intercellular Na+ waves can be evoked in parallel to Ca2+ waves. Glutamate released by a Ca2+ wave-dependent mechanism is taken up by glutamate transporters, resulting in a regenerative propagation of cytosolic Na+ increases. Na+ waves in turn lead to a spatially correlated increase in glucose uptake. In conclusion, the present thesis demonstrates that glutamate-induced Na+ changes occurring in the cytosol of astrocytes propagate to both the mitochondrial matrix and the astrocytic network. These results furthermore support the view that astrocytic Na+ is a signal coupled to the brain energy metabolism.

Consommation de cannabis : quels sont les risques?

Résumé - Les cannabinoïdes contenus dans la plante de cannabis ont un double usage et possèdent des propriétés opposées suivant les circonstances et les doses employées. Les cannabinoïdes, essentiellement drogue récréative ou d'abus pourraient, pour certains d'entre eux, devenir des médicaments. Selon les conditions d'utilisation, ils peuvent être neurotoxiques ou neuroprotecteurs, carcinogènes ou anticancéreux, hyper-émétiques ou antiémétiques, pro-inflammatoires ou anti-inflammatoires. . . Les techniques de culture sous serre indoor ainsi que la sélection de variétés de cannabis à fort potentiel de production ont conduit à un accroissement notable des taux de THC. Le cannabis est la drogue illégale la plus fréquemment consommée en Suisse et ailleurs dans le monde occidental. Environ la moitié des jeunes ont déjà expérimenté le cannabis. Environ 10 % des consommateurs le fument quotidiennement et en sont devenus dépendants. Un tiers de ces usagers peut être considéré comme chroniquement intoxiqué. Le THC, la principale substance psychoactive du cannabis, interagit avec le « système endocannabinoïde ». Ce système est composé de récepteurs cellulaires, de ligands endogènes et d'un dispositif complexe de synthèse, de dégradation, de régulation et de messagers intra-cellulaires. Le système endocannabinoïde joue un rôle clé dans le réglage fin du système nerveux. Les endocannabinoïdes régulent la mémorisation, l'apprentissage moteur et la plasticité des liaisons nerveuses. À dose psychoactive, le THC réduit les performances psychomotrices et neurocognitives. Les facultés d'apprentissage et de mémorisation sont diminuées. Le risque d'être responsable d'un accident de circulation est augmenté après prise de cannabis, et ceci d'autant plus que de l'alcool aura été consommé parallèlement. À l'exception des jeunes enfants, la consommation de cannabis n'entraîne pas de risque potentiel d'intoxication mortelle. Toutefois, le cannabis pourrait agir comme facteur déclenchant d'accident cardiovasculaire chez de rares individus prédisposés. Les individus jeunes, et/ou vulnérables ont un risque significativement plus élevé de développer une psychose à l'âge adulte ou de devenir dépendant au cannabis. Des études épidémiologiques ont montré que le risque de développer une schizophrénie à l'âge adulte était augmenté pour les consommateurs de cannabis et ceci d'autant plus que l'âge de début de consommation était précoce. Il en va de même pour le risque de dépression. Les troubles respiratoires pourraient être exacerbés par la prise de cannabis. Les femmes enceintes et celles qui allaitent ne devraient pas consommer de cannabis car le THC traverse la barrière hémato-placentaire, en outre, il se concentre dans le lait maternel. La période de la vie la plus sensible aux effets néfastes du cannabis correspond à celle allant du foetus à l'adolescent. Le système endocannabinoïde sur lequel agit le THC serait en effet un acteur majeur orchestrant le développement des réseaux neuronaux dans le cerveau immature. La prise concomitante d'autres psychotropes comme l'alcool, les benzodiazépines ou la cocaïne conduit à des renforcements mutuels de leurs effets délétères. De plus, il a été montré l'existence d'une sensibilité croisée pour la majorité des psychotropes qui agissent sur le système de la récompense, le cannabis y compris, ce qui augmente ainsi le risque de pharmacodépendance. La prise régulière de doses élevées de cannabis entraîne l'apparition d'une tolérance et de symptômes de sevrage discrets à l'arrêt de la consommation. À part les effets négatifs mentionnés auparavant, le cannabis possède des propriétés médicales originales qui sont l'objet d'études attentives. Plusieurs cannabinoïdes mineurs naturels ou synthétiques, comme l'acide ajulémique, pourraient trouver un jour une place dans la pharmacopée. En usage thérapeutique, des variétés particulières de cannabis sont préférées, par exemple celles riches en cannabidiol non psychoactif. Le mode d'administration diffère de celui utilisé en mode récréatif. Par exemple, la vaporisation des cannabinoïdes à basse température est préférée à l'inhalation du « joint »

Organization and plasticity of auditory spatial representations

Spatial hearing refers to a set of abilities enabling us to determine the location of sound sources, redirect our attention toward relevant acoustic events, and recognize separate sound sources in noisy environments. Determining the location of sound sources plays a key role in the way in which humans perceive and interact with their environment. Deficits in sound localization abilities are observed after lesions to the neural tissues supporting these functions and can result in serious handicaps in everyday life. These deficits can, however, be remediated (at least to a certain degree) by the surprising capacity of reorganization that the human brain possesses following damage and/or learning, namely, the brain plasticity. In this thesis, our aim was to investigate the functional organization of auditory spatial functions and the learning-induced plasticity of these functions. Overall, we describe the results of three studies. The first study entitled "The role of the right parietal cortex in sound localization: A chronometric single pulse transcranial magnetic stimulation study" (At et al., 2011), study A, investigated the role of the right parietal cortex in spatial functions and its chronometry (i.e. the critical time window of its contribution to sound localizations). We concentrated on the behavioral changes produced by the temporarily inactivation of the parietal cortex with transcranial magnetic stimulation (TMS). We found that the integrity of the right parietal cortex is crucial for localizing sounds in the space and determined a critical time window of its involvement, suggesting a right parietal dominance for auditory spatial discrimination in both hemispaces. In "Distributed coding of the auditory space in man: evidence from training-induced plasticity" (At et al., 2013a), study B, we investigated the neurophysiological correlates and changes of the different sub-parties of the right auditory hemispace induced by a multi-day auditory spatial training in healthy subjects with electroencephalography (EEG). We report a distributed coding for sound locations over numerous auditory regions, particular auditory areas code specifically for precise parts of the auditory space, and this specificity for a distinct region is enhanced with training. In the third study "Training-induced changes in auditory spatial mismatch negativity" (At et al., 2013b), study C, we investigated the pre-attentive neurophysiological changes induced with a training over 4 days in healthy subjects with a passive mismatch negativity (MMN) paradigm. We showed that training changed the mechanisms for the relative representation of sound positions and not the specific lateralization themselves and that it changed the coding in right parahippocampal regions. - L'audition spatiale désigne notre capacité à localiser des sources sonores dans l'espace, de diriger notre attention vers les événements acoustiques pertinents et de reconnaître des sources sonores appartenant à des objets distincts dans un environnement bruyant. La localisation des sources sonores joue un rôle important dans la façon dont les humains perçoivent et interagissent avec leur environnement. Des déficits dans la localisation de sons sont souvent observés quand les réseaux neuronaux impliqués dans cette fonction sont endommagés. Ces déficits peuvent handicaper sévèrement les patients dans leur vie de tous les jours. Cependant, ces déficits peuvent (au moins à un certain degré) être réhabilités grâce à la plasticité cérébrale, la capacité du cerveau humain à se réorganiser après des lésions ou un apprentissage. L'objectif de cette thèse était d'étudier l'organisation fonctionnelle de l'audition spatiale et la plasticité induite par l'apprentissage de ces fonctions. Dans la première étude intitulé « The role of the right parietal cortex in sound localization : A chronometric single pulse study » (At et al., 2011), étude A, nous avons examiné le rôle du cortex pariétal droit dans l'audition spatiale et sa chronométrie, c'est-à- dire le moment critique de son intervention dans la localisation de sons. Nous nous sommes concentrés sur les changements comportementaux induits par l'inactivation temporaire du cortex pariétal droit par le biais de la Stimulation Transcrânienne Magnétique (TMS). Nous avons démontré que l'intégrité du cortex pariétal droit est cruciale pour localiser des sons dans l'espace. Nous avons aussi défini le moment critique de l'intervention de cette structure. Dans « Distributed coding of the auditory space : evidence from training-induced plasticity » (At et al., 2013a), étude B, nous avons examiné la plasticité cérébrale induite par un entraînement des capacités de discrimination auditive spatiale de plusieurs jours. Nous avons montré que le codage des positions spatiales est distribué dans de nombreuses régions auditives, que des aires auditives spécifiques codent pour des parties données de l'espace et que cette spécificité pour des régions distinctes est augmentée par l'entraînement. Dans « Training-induced changes in auditory spatial mismatch negativity » (At et al., 2013b), étude C, nous avons examiné les changements neurophysiologiques pré- attentionnels induits par un entraînement de quatre jours. Nous avons montré que l'entraînement modifie la représentation des positions spatiales entraînées et non-entrainées, et que le codage de ces positions est modifié dans des régions parahippocampales.

Characterization of the neuronal microtubule regulator SCG10 in transfected cells and " in vivo "

SUMMARY The ability of neuronal processes to find their way along complex paths and to establish appropriate connections depends on continual rearrangements of the cytoskeletal components. The regulation of microtubules plays an important role for morphological changes underlying nevrite outgrowth, axonal elongation, and growth cone steering. SCG10 (superior cervical ganglion clone 10) is a neuronal growthassociated protein developmentally regulated and highly enriched in the neuronal growth cones. SCG10 presents a microtubule destabilizing activity that could participate to the regulation of microtubule dynamics and thus explain microtubule behaviors in the growth cone during axonal elongation and turning. It is here suggested that a tight control of the opposite effects on microtubules of SCG10 and the stabilizing microtubule-associated protein MAP1B allows a fine tuning of cytoskeletal rearrangement and may provide the required microtubule dynamic instability to promote axonal growth. Moreover, antibodyblockade of SCG10 function, that leads to growth cone pauses similar as those triggered by the guidance molecule EphB, and the modulation of SCG10 activity by the Rho GTPase Rnd1 suggest a potential role for SCG10 in the signal transduction pathways of extracellular guidance cues. The identification of the active zone protein Bassoon as a potential interaction partner for the SCG10-related protein NPC2, using atomic force microscopy as well as COS-7 and neuronal cell cultures, also gives new insights for a role of this protein family into the processes of synapse genesis or plasticity. Finally, SCG10 mutant mice generated by gene targeting and expressing a soluble form of the protein have been characterized during early postnatal development and in the adulthood. Due to the deletion of its membrane binding domain, SCG10 specific subcellular targeting to growth cones is compromised and results in impairments of motor and coordination development. Further histological analysis in the sciatic nerve reveal that these symptoms are associated with neurodegenerative signs. RESUME Une navigation correcte des prolongements cellulaires neuronaux leur permettant de former des connections appropriées repose sur de continuels réarrangements des constituants de leur cytosquelette. La régulation des microtubules joue notamment un rôle important dans les changements morphologiques qui accompagnent la croissance axonale et les réorientations du cône de croissance. SCG10 (superior cervical ganglion clone 10) est une protéine étroitement associée à la croissance neuronale, hautement régulée durant le développement et abondante au niveau du cône de croissance. SCG10 présente une activité déstabilisatrice sur les microtubules qui pourrait permettre une régulation des paramètres dynamiques propres aux microtubules et ainsi expliquer leur comportement durant la navigation du cône de croissance. Il est ici proposé qu'un contrôle précis des effets opposés de SCG10 et d'une autre protéine stabilisante associée aux microtubules (MAP1 B) permette un réglage fin des réarrangements du cytosquelette et puisse ainsi produire l'instabilité dynamique nécessaire à la croissance anale. Par ailleurs, le blocage de la fonction de SCG10 par un anticorps spécifique, conduisant à des pauses du cônes de croissance similaires à celles provoquées par la molécule de guidage EphB, ainsi que la modulation de l'activité de SCG10 par la Rho GTPase Rnd1 suggèrent une potentielle implication de SCG10 dans les voies de transduction des signaux provenant de molécules de guidage extracellulaires. L'identification d'une interaction de la protéine synaptique Bassoon avec la protéine NPC2 apparentée à SCG10, au moyen de la microscopie à force atomique et dans des cultures de cellules neuronales et COS-7, ouvre des perspectives concernant ces protéines dans la formation et la plasticité synaptiques. Finalement, des souris mutantes pour SCG10 produites par ciblage de gène et exprimant une forme soluble de la protéine ont été caractérisées durant la phase précoce du développement et à l'âge adulte. La délétion du domaine permettant l'ancrage de SCG10 aux membranes compromet sa sub-localisation au niveau du cône de croissance et résulte en l'apparition de troubles moteurs et de la coordination. Des analyses histologiques complémentaires au niveau du nerf sciatique montrent que ces symptômes sont associés avec des signes neurodégénératifs.

Long-term changes in synaptic transmission of the lateral amygdala induced by strong "in vitro" activation

Résumé : L'amygdale latérale (AL) joue un .rôle essentiel dans la plasticité synaptique à la base du conditionnement de la peur. Malgré le faite que la majorité des cellules de l'AL reçoivent les afférentes nécessaires, une potentialisation dans seulement une partie d'entre elles est obligatoire afin que l'apprentissage de la peur ait lieu. Il a été montré que ces cellules expriment la forme active de CREB, et celui-ci a été associé aux cellules dites de type 'nonaccomrnodating' (nAC). Très récemment, une étude a impliqué les circuits récurrents de l'AL dans le conditionnement de la peur. Un lien entre ces deux observations n'a toutefois jamais été établi. t Nous avons utilisé un protocole in vitro de forte activation de l'AL, résultant dans l'induction de 'bursts' provenant de l'hippocampe et se propageant jusqu'à l'AL. Dans l'AL ces 'bursts' atteignent toutes les cellules et se propagent à travers plusieurs chemins. Utilisant ce protocole, nous avons, pour la première fois pu associer dans l'AL, des cellules connectées de manière récurrente avec des cellules de type nAC. Aussi bien dans ces dernières que dans les cellules de type 'accommodating' (AC), une diminution dans la transmission inhibitrice, à la fois exprimée de manière pré synaptique mais également indépendant de la synthèse de protéine a pu être observé. Au contraire, une potentialisation induite et exprimée au niveau pré synaptique ainsi que dépendante de la synthèse de protéine a pu être trouvé uniquement dans les cellules de type nAC. De plus, une hyperexcitabilité, dépendante des récepteurs NMDA a pu être observé, avec une sélection préférentielle des cellules du type nAC dans la génération de bursts. Nous avons également pu démontrer que la transformation d'un certain nombre de cellules de type AC en cellules dites nAC accompagnait cette augmentation générale de l'excitabilité de l'AL. Du faite da la grande quantité d'indices suggérant une connexion entre le système noradrénergique et les états de peur/d'anxiété, les effets d'une forte activation de l'AL sur ce dernier ont été investigués et ont révélés une perte de sa capacité de modulation du 'spiking pattern'. Finalement, des changements au niveau de l'expression d'un certain nombre de gènes, incluant celui codant pour le BDNF, a pu être trouvé à la suite d'une forte activation de l'AL. En raison du lien récemment décrit entre l'expression de la forme active de CREB et des cellules de type nAC ainsi que celui de l'implication des cellules de l'AL connectés de manière récurrente dans l'apprentissage de la peur, nos résultats nous permettent de suggérer un modèle expliquant comment la potentialisation des connections récurrentes entre cellules de type nAC pourrait être à la base de leur recrutement sélectif pendant le conditionnement de la peur. De plus, ils peuvent offrir des indices par rapport aux mécanismes à travers lesquels une sous population de neurones peut être réactivée par une stimulation externe précédemment inefficace, et induire ainsi un signal suffisamment fort pour qu'il soit transmit aux structures efférentes de l'AL. Abstract : The lateral nucleus of the amygdala (LA) is critically involved in the plasticity underlying fear-conditioned learning (Sah et al., 2008). Even though the majority of cells in the LA receive the necessary sensory inputs, potentiation in only a subset is required for fear learning to occur (Repa et al., 2001; Rumpel et al., 2005). These cells express active CREB (CAMP-responsive element-binding protein) (Han et al., 200, and this was related to the non-accommodating (nAC) spiking phenotype (Viosca et al., 2009; Zhou et al., 2009). In addition, a very recent study implicated recurrently connected cells of the LA in fear conditioned learning (Johnson et al., 2008). A link between the two observations has however never been made. In rats, we used an in vitro protocol of strong activation of the LA, resulting in bursting activity, which spread from the hippocampus to the LA. Within the LA, this activity reached all cells and spread via a multitude of pathways. Using this model, we were able to link, for the first time, recurrently connected cells in the LA with cells of the nAC phenotype. While we found a presynaptically expressed, protein synthesis independent decrease in inhibitory synaptic transmission in both nAC and accommodating (AC) cells, only nAC cells underwent a presynaptically induced and expressed, protein synthesis dependent potentiation. Moreover we observed an NMDA dependent hyperexcitability of the LA, with a preferential selection of nAC cells into burst generation. The transformation of a subset of AC cells into nAC cells accompanied this general increase in LA excitability. Given the considerable evidence suggesting a relationship between the central noradrenergic (NA) system and fear/anxiety states (Itoi, 2008), the effects of strong activation of the LA on the noradrenergic system were investigated, which revealed a loss of its modulatory actions on cell spiking patterns. Finally, we found changes in the expression levels of a number of genes; among which the one coding for $DNF, to be induced by strong activation of the LA. In view of the recently described link between nAC cells and expression of pCREB (phosphorylated cAMP-responsive element-binding protein) as well as the involvement of recurrently connected cells of the LA in fear-conditioned learning, our findings may provide a model of how potentiation of recurrent connections between nAC neurons underlies their recruitment into the fear memory trace. Additionally, they may offer clues as to the mechanisms through which a selected subset of neurons can be reactivated by smaller, previously ineffective external stimulations to respond with a sufficiently strong signal, which can be transmitted to downstream targets of the LA.

Ultrastructural analysis of neuronal plasticity in the adult mouse

ABSTRACT Adult neuronal plasticity is a term that corresponds to a set of biological mechanisms allowing a neuronal circuit to respond and adapt to modifications of the received inputs. Mystacial whiskers of the mouse are the starting point of a major sensory pathway that provides the animal with information from its immediate environment. Through whisking, information is gathered that allows the animal to orientate itself and to recognize objects. This sensory system is crucial for nocturnal behaviour during which vision is not of much use. Sensory information of the whiskers are sent via brainstem and thalamus to the primary somatosensory area (S1) of the cerebral cortex in a strictly topological manner. Cell bodies in the layer N of S 1 are arranged in ring forming structures called barrels. As such, each barrel corresponds to the cortical representation in layer IV of a single whisker follicle. This histological feature allows to identify with uttermost precision the part of the cortex devoted to a given whisker and to study modifications induced by different experimental conditions. The condition used in the studies of my thesis is the passive stimulation of one whisker in the adult mouse for a period of 24 hours. It is performed by glueing a piece of metal on one whisker and placing the awake animal in a cage surrounded by an electromagnetic coil that generates magnetic field burst inducing whisker movement at a given frequency during 24 hours. I analysed the ultrastructure of the barrel corresponding the stimulated whisker using serial sections electron microscopy and computer-based three-dimensional reconstructions; analysis of neighbouring, unstimulated barrels as well as those from unstimulated mice served as control. The following elements were structurally analyzed: the spiny dendrites, the axons of excitatory as well as inhibitory cells, their connections via synapses and the astrocytic processes. The density of synapses and spines is upregulated in a barrel corresponding to a stimulated whisker. This upregulation is absent in the BDNF heterozygote mice, indicating that a certain level of activity-dependent released BDNF is required for synaptogenesis in the adult cerebral cortex. Synpaptogenesis is correlated with a modification of the astrocytes that place themselves in closer vicinity of the excitatory synapses on spines. Biochemical analysis revealed that the astrocytes upregulate the expression of transporters by which they internalise glutamate, the neurotransmitter responsible for the excitatory response of cortical neurons. In the final part of my thesis, I show that synaptogenesis in the stimulated barrel is due to the increase in the size of excitatory axonal boutons that become more frequently multisynaptic, whereas the inhibitory axons do not change their morphology but form more synapses with spines apposed to them. Taken together, my thesis demonstrates that all the cellular elements present in the neuronal tissue of the adult brain contribute to activity-dependent cortical plasticity and form part of a mechanism by which the animal responds to a modified sensory experience. Throughout life, the neuronal circuit keeps the faculty to adapt its function. These adaptations are partially transitory but some aspects remain and could be the structural basis of a memory trace in the cortical circuit. RESUME La plasticité neuronale chez l'adulte désigne un ensemble de mécanismes biologiques qui permettent aux circuits neuronaux de répondre et de s'adapter aux modifications des stimulations reçues. Les vibrisses des souris sont un système crucial fournissant des informations sensorielles au sujet de l'environnement de l'animal. L'information sensorielle collectée par les vibrisses est envoyée via le tronc cérébral et le thalamus à l'aire sensorielle primaire (S 1) du cortex cérébral en respectant strictement la somatotopie. Les corps cellulaires dans la couche IV de S 1 sont organisés en anneaux délimitant des structures nommées tonneaux. Chaque tonneau reçoit l'information d'une seule vibrisse et l'arrangement des tonneaux dans le cortex correspond à l'arrangement des vibrisses sur le museau de la souris. Cette particularité histologique permet de sélectionner avec certitude la partie du cortex dévolue à une vibrisse et de l'étudier dans diverses conditions. Le paradigme expérimental utilisé dans cette thèse est la stimulation passive d'une seule vibrisse durant 24 heures. Pour ce faire, un petit morceau de métal est collé sur une vibrisse et la souris est placée dans une cage entourée d'une bobine électromagnétique générant un champ qui fait vibrer le morceau de métal durant 24 heures. Nous analysons l'ultrastructure du cortex cérébral à l'aide de la microscopie électronique et des coupes sériées permettant la reconstruction tridimensionnelle à l'aide de logiciels informatiques. Nous observons les modifications des structures présentes : les dendrites épineuses, les axones des cellules excitatrices et inhibitrices, leurs connections par des synapses et les astrocytes. Le nombre de synapses et d'épines est augmenté dans un tonneau correspondant à une vibrisse stimulée 24 heures. Basé sur cela, nous montrons dans ces travaux que cette réponse n'est pas observée dans des souris hétérozygotes BDNF+/-. Cette neurotrophine sécrétée en fonction de l'activité neuronale est donc nécessaire pour la synaptogenèse. La synaptogenèse est accompagnée d'une modification des astrocytes qui se rapprochent des synapses excitatrices au niveau des épines dendritiques. Ils expriment également plus de transporteurs chargés d'internaliser le glutamate, le neurotransmetteur responsable de la réponse excitatrice des neurones. Nous montrons aussi que les axones excitateurs deviennent plus larges et forment plus de boutons multi-synaptiques à la suite de la stimulation tandis que les axones inhibiteurs ne changent pas de morphologie mais forment plus de synapses avec des épines apposées à leur membrane. Tous les éléments analysés dans le cerveau adulte ont maintenu la capacité de réagir aux modifications de l'activité neuronale et répondent aux modifications de l'activité permettant une constante adaptation à de nouveaux environnements durant la vie. Les circuits neuronaux gardent la capacité de créer de nouvelles synapses. Ces adaptations peuvent être des réponses transitoires aux stimuli mais peuvent aussi laisser une trace mnésique dans les circuits.

Mechanisms underlying functional recovery after in vivo focal cerebral ischemia : from preconditioning to diffusion MRI

Version abregée L'ischémie cérébrale est la troisième cause de mort dans les pays développés, et la maladie responsable des plus sérieux handicaps neurologiques. La compréhension des bases moléculaires et anatomiques de la récupération fonctionnelle après l'ischémie cérébrale est donc extrêmement importante et représente un domaine d'intérêt crucial pour la recherche fondamentale et clinique. Durant les deux dernières décennies, les chercheurs ont tenté de combattre les effets nocifs de l'ischémie cérébrale à l'aide de substances exogènes qui, bien que testées avec succès dans le domaine expérimental, ont montré un effet contradictoire dans l'application clinique. Une approche différente mais complémentaire est de stimuler des mécanismes intrinsèques de neuroprotection en utilisant le «modèle de préconditionnement» : une brève insulte protège contre des épisodes d'ischémie plus sévères à travers la stimulation de voies de signalisation endogènes qui augmentent la résistance à l'ischémie. Cette approche peut offrir des éléments importants pour clarifier les mécanismes endogènes de neuroprotection et fournir de nouvelles stratégies pour rendre les neurones et la glie plus résistants à l'attaque ischémique cérébrale. Dans un premier temps, nous avons donc étudié les mécanismes de neuroprotection intrinsèques stimulés par la thrombine, un neuroprotecteur «préconditionnant» dont on a montré, à l'aide de modèles expérimentaux in vitro et in vivo, qu'il réduit la mort neuronale. En appliquant une technique de microchirurgie pour induire une ischémie cérébrale transitoire chez la souris, nous avons montré que la thrombine peut stimuler les voies de signalisation intracellulaire médiées par MAPK et JNK par une approche moléculaire et l'analyse in vivo d'un inhibiteur spécifique de JNK (L JNK) .Nous avons également étudié l'impact de la thrombine sur la récupération fonctionnelle après une attaque et avons pu démontrer que ces mécanismes moléculaires peuvent améliorer la récupération motrice. La deuxième partie de cette étude des mécanismes de récupération après ischémie cérébrale est basée sur l'investigation des bases anatomiques de la plasticité des connections cérébrales, soit dans le modèle animal d'ischémie transitoire, soit chez l'homme. Selon des résultats précédemment publiés par divers groupes ,nous savons que des mécanismes de plasticité aboutissant à des degrés divers de récupération fonctionnelle sont mis enjeu après une lésion ischémique. Le résultat de cette réorganisation est une nouvelle architecture fonctionnelle et structurelle, qui varie individuellement selon l'anatomie de la lésion, l'âge du sujet et la chronicité de la lésion. Le succès de toute intervention thérapeutique dépendra donc de son interaction avec la nouvelle architecture anatomique. Pour cette raison, nous avons appliqué deux techniques de diffusion en résonance magnétique qui permettent de détecter les changements de microstructure cérébrale et de connexions anatomiques suite à une attaque : IRM par tenseur de diffusion (DT-IR1V) et IRM par spectre de diffusion (DSIRM). Grâce à la DT-IRM hautement sophistiquée, nous avons pu effectuer une étude de follow-up à long terme chez des souris ayant subi une ischémie cérébrale transitoire, qui a mis en évidence que les changements microstructurels dans l'infarctus ainsi que la modification des voies anatomiques sont corrélés à la récupération fonctionnelle. De plus, nous avons observé une réorganisation axonale dans des aires où l'on détecte une augmentation d'expression d'une protéine de plasticité exprimée dans le cône de croissance des axones (GAP-43). En appliquant la même technique, nous avons également effectué deux études, rétrospective et prospective, qui ont montré comment des paramètres obtenus avec DT-IRM peuvent monitorer la rapidité de récupération et mettre en évidence un changement structurel dans les voies impliquées dans les manifestations cliniques. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons décrit la manière dont la DS-IRM peut être appliquée dans le domaine expérimental et clinique pour étudier la plasticité cérébrale après ischémie. Abstract Ischemic stroke is the third leading cause of death in developed countries and the disease responsible for the most serious long-term neurological disability. Understanding molecular and anatomical basis of stroke recovery is, therefore, extremely important and represents a major field of interest for basic and clinical research. Over the past 2 decades, much attention has focused on counteracting noxious effect of the ischemic insult with exogenous substances (oxygen radical scavengers, AMPA and NMDA receptor antagonists, MMP inhibitors etc) which were successfully tested in the experimental field -but which turned out to have controversial effects in clinical trials. A different but complementary approach to address ischemia pathophysiology and treatment options is to stimulate and investigate intrinsic mechanisms of neuroprotection using the "preconditioning effect": applying a brief insult protects against subsequent prolonged and detrimental ischemic episodes, by up-regulating powerful endogenous pathways that increase resistance to injury. We believe that this approach might offer an important insight into the molecular mechanisms responsible for endogenous neuroprotection. In addition, results from preconditioning model experiment may provide new strategies for making brain cells "naturally" more resistant to ischemic injury and accelerate their rate of functional recovery. In the first part of this work, we investigated down-stream mechanisms of neuroprotection induced by thrombin, a well known neuroprotectant which has been demonstrated to reduce stroke-induced cell death in vitro and in vivo experimental models. Using microsurgery to induce transient brain ischemia in mice, we showed that thrombin can stimulate both MAPK and JNK intracellular pathways through a molecular biology approach and an in vivo analysis of a specific kinase inhibitor (L JNK1). We also studied thrombin's impact on functional recovery demonstrating that these molecular mechanisms could enhance post-stroke motor outcome. The second part of this study is based on investigating the anatomical basis underlying connectivity remodeling, leading to functional improvement after stroke. To do this, we used both a mouse model of experimental ischemia and human subjects with stroke. It is known from previous data published in literature, that the brain adapts to damage in a way that attempts to preserve motor function. The result of this reorganization is a new functional and structural architecture, which will vary from patient to patient depending on the anatomy of the damage, the biological age of the patient and the chronicity of the lesion. The success of any given therapeutic intervention will depend on how well it interacts with this new architecture. For this reason, we applied diffusion magnetic resonance techniques able to detect micro-structural and connectivity changes following an ischemic lesion: diffusion tensor MRI (DT-MRI) and diffusion spectrum MRI (DS-MRI). Using DT-MRI, we performed along-term follow up study of stroke mice which showed how diffusion changes in the stroke region and fiber tract remodeling is correlating with stroke recovery. In addition, axonal reorganization is shown in areas of increased plasticity related protein expression (GAP 43, growth axonal cone related protein). Applying the same technique, we then performed a retrospective and a prospective study in humans demonstrating how specific DTI parameters could help to monitor the speed of recovery and show longitudinal changes in damaged tracts involved in clinical symptoms. Finally, in the last part of this study we showed how DS-MRI could be applied both to experimental and human stroke and which perspectives it can open to further investigate post stroke plasticity.

Neurophysiologic and proteomic investigations of experience-dependent plasticity in the somatosensory cortex of the adult mouse following chronic whisker stimulation

RESUME Les follicules des vibrisses des rongeurs sont représentés sous la forme d'une carte topographique dans le cortex à tonneaux. Lorsque un groupe de vibrisses est coupé pendant plusieurs jours chez un rongeur adulte, en laissant les autres vibrisses intactes, le champ réceptif des neurones du cortex à tonneaux est modifié, ce qui démontre que les cartes corticales sont plastiques. Dans notre étude, une expérience sensorielle a été induite chez une souris adulte se comportant librement en stimulant chroniquement une de ses vibrisses pendant 24h. Par une analyse des potentiels de champ locaux, nous démontrons que les caractéristiques spatiotemporelles du flux d'excitation évoqué par la vibrisse principale (VP) dans la colonne corticale correspondante à la vibrisse stimulée n'est pas altéré. Par contre, l'enregistrement des potentiels d'actions d'un total de 1041 neurones à travers le cortex à tonneaux révèlent plusieurs modifications de l'activité neuronale. L'activité spontanée ainsi que la réponse évoquée par la VP sont déprimées dans la colonne corticale stimulée (nombre moyen de potentiels d'action évoqués par la VP diminue de 25 % et 36% dans la couche IV et les couches II&III). La réponse des neurones à la vibrisse stimulée diminue également dans les colonnes corticales adjacentes, «non-stimulées». La dépression de l'activité spontanée et de la réponse à la VP est localisée à la colonne corticale stimulée. Dans le tonneau stimulé, la première partie de la réponse à la VP n'est pas affaiblie, démontrant que la dépression de la réponse n'est pas due à un phénomène de plasticité sous-corticale ou thalamocorticale. La stimulation chronique d'une vibrisse entraîne une augmentation du nombre de synapses GABAergiques dans la couche IV du tonneau correspondant (Knott et al, 2002). Dès lors, nos résultats suggèrent qu'une augmentation de l'inhibition dans le tonneau stimulé serait à l'origine de la diminution des potentiels d'action évoqués par la vibrisse stimulée et en conséquence de l'amplitude du flux d'excitation vers les couches II&III puis vers les colonnes corticales adjacentes. Toutes les réponses des neurones du tonneau stimulé ne sont pas déprimées. Les réponses des neurones à la vibrisse voisine caudale à VP diminuent dans la couche IV (42%) et dans les couches II&III (52%) mais pas les réponses aux 7 autres vibrisses voisines. Les entrées synaptiques en provenance de la vibrisse caudale pourraient avoir été spécifiquement déprimées en raison d'une décorrélation prolongée entre l'activité évoquée dans les chemins sensoriels relatifs à la vibrisse stimulée et à la vibrisse caudale, spécificité qui découlerait du fait que, parmi les vibrisses voisines à la VP, la vibrisse caudale génère les réponses les plus fortes dans la colonne corticale. Quatre jours après l'arrêt de la stimulation, l'activité neuronale n'est plus déprimée; au contraire, nous observons une potentiation des réponses à la VP dans la couche IV de la colonne corticale stimulée. De plus, nous montrons que l'expression des protéines GLT-1 et GLAST, deux transporteurs astrocytaires du glutamate, est augmentée de ~2.5 fois dans la colonne corticale stimulée, indiquant l'existence d'une «plasticité gliale» et suggérant que les cellules gliales participent activement à l'adaptation du cerveau à l'expérience. ABSTRACT In the barrel cortex, mystacial whisker follicles are represented in the form of a topographie map. The selective removal of a set of whiskers while sparing others for several days in an adult rodent alters receptive field of barrel cortex neurons, demonstrating experience-dependent plasticity of cortical maps. Here sensory experience was altered by chronic stimulation of a whisker for a 24h period in a freely behaving adult mouse. By means of an evoked local field potential analysis, we show that chronic stimulation does not alter the flow of excitation evoked by the principal whisker (PW) in the stimulated barrel column. However, the recording of neuronal firing from a total of 1041 single units throughout the barrel cortex reveals several changes in neuronal activity. Immediately after chronic stimulation, spontaneous activity as well as PW-responses are depressed in the stimulated barrel column (mean number of spikes per PW-deflection decreases by 25% and 36% in layer IV and layers II&III, respectively). Neuronal responses towards the chronically stimulated whisker are also significantly depressed in layers II&III of the adjacent "non-stimulated" barrel' columns. The depression of both spontaneous activity and PW-responses are restricted to the stimulated ban-el column. The earliest time epoch of the PW-response in the stimulated barrel is not depressed, demonstrating that the decrease of cortical responses is not due to subcortical or thalamocortical plasticity. The depression of PW-response in the stimulated barrel correlates with an increase in the number of GABAergic synapses in layer IV (Knott et al., 2002). Therefore, our results suggest that an increase in inhibition within the stimulated barrel may reduce its excitatory output and accordingly the flow of excitation towards layers and the subsequent horizontal spread into adjacent barrel columns. Not all responses of neurons in the stimulated barrel are depressed. Neuronal responses towards the caudal in-row whisker decrease by 42% in layer IV and 52% in layers MM but responses to the other 7 immediate surround whiskers (SWs) are not affected. The synaptic inputs from the SW that elicit the strongest responses in the stimulated barrel may have been specifically depressed following a prolonged period of diminished coherence between neuronal activity evoked in the pathways from the chronically stimulated whisker and from its surrounding in-row whisker. Four days after the cessation of the stimulation, depression of neuronal activity is no longer present; on the contrary, we observe a small but significant potentiation of PW-responses in layer IV of the stimulated barrel column. Moreover we show that the expression of astrocytic glutamate transporters GLT-1 and GLAST proteins were both upregulated by ~2.5 fold in the stimulated barrel column, which indicates that glial cells exhibit experience-dependent functional changes and could actively take part in the adaptation of the cerebral cortex to experience.

Emergence of oriented circuits driven by synaptic pruning associated with spike-timing-dependent plasticity (STDP)

ABSTRACT: Massive synaptic pruning following over-growth is a general feature of mammalian brain maturation. Pruning starts near time of birth and is completed by time of sexual maturation. Trigger signals able to induce synaptic pruning could be related to dynamic functions that depend on the timing of action potentials. Spike-timing-dependent synaptic plasticity (STDP) is a change in the synaptic strength based on the ordering of pre- and postsynaptic spikes. The relation between synaptic efficacy and synaptic pruning suggests that the weak synapses may be modified and removed through competitive "learning" rules. This plasticity rule might produce the strengthening of the connections among neurons that belong to cell assemblies characterized by recurrent patterns of firing. Conversely, the connections that are not recurrently activated might decrease in efficiency and eventually be eliminated. The main goal of our study is to determine whether or not, and under which conditions, such cell assemblies may emerge out of a locally connected random network of integrate-and-fire units distributed on a 2D lattice receiving background noise and content-related input organized in both temporal and spatial dimensions. The originality of our study stands on the relatively large size of the network, 10,000 units, the duration of the experiment, 10E6 time units (one time unit corresponding to the duration of a spike), and the application of an original bio-inspired STDP modification rule compatible with hardware implementation. A first batch of experiments was performed to test that the randomly generated connectivity and the STDP-driven pruning did not show any spurious bias in absence of stimulation. Among other things, a scale factor was approximated to compensate for the network size on the ac¬tivity. Networks were then stimulated with the spatiotemporal patterns. The analysis of the connections remaining at the end of the simulations, as well as the analysis of the time series resulting from the interconnected units activity, suggest that feed-forward circuits emerge from the initially randomly connected networks by pruning. RESUME: L'élagage massif des synapses après une croissance excessive est une phase normale de la ma¬turation du cerveau des mammifères. L'élagage commence peu avant la naissance et est complété avant l'âge de la maturité sexuelle. Les facteurs déclenchants capables d'induire l'élagage des synapses pourraient être liés à des processus dynamiques qui dépendent de la temporalité rela¬tive des potentiels d'actions. La plasticité synaptique à modulation temporelle relative (STDP) correspond à un changement de la force synaptique basé sur l'ordre des décharges pré- et post- synaptiques. La relation entre l'efficacité synaptique et l'élagage des synapses suggère que les synapses les plus faibles pourraient être modifiées et retirées au moyen d'une règle "d'appren¬tissage" faisant intervenir une compétition. Cette règle de plasticité pourrait produire le ren¬forcement des connexions parmi les neurones qui appartiennent à une assemblée de cellules caractérisée par des motifs de décharge récurrents. A l'inverse, les connexions qui ne sont pas activées de façon récurrente pourraient voir leur efficacité diminuée et être finalement éliminées. Le but principal de notre travail est de déterminer s'il serait possible, et dans quelles conditions, que de telles assemblées de cellules émergent d'un réseau d'unités integrate-and¬-fire connectées aléatoirement et distribuées à la surface d'une grille bidimensionnelle recevant à la fois du bruit et des entrées organisées dans les dimensions temporelle et spatiale. L'originalité de notre étude tient dans la taille relativement grande du réseau, 10'000 unités, dans la durée des simulations, 1 million d'unités de temps (une unité de temps correspondant à une milliseconde), et dans l'utilisation d'une règle STDP originale compatible avec une implémentation matérielle. Une première série d'expériences a été effectuée pour tester que la connectivité produite aléatoirement et que l'élagage dirigé par STDP ne produisaient pas de biais en absence de stimu¬lation extérieure. Entre autres choses, un facteur d'échelle a pu être approximé pour compenser l'effet de la variation de la taille du réseau sur son activité. Les réseaux ont ensuite été stimulés avec des motifs spatiotemporels. L'analyse des connexions se maintenant à la fin des simulations, ainsi que l'analyse des séries temporelles résultantes de l'activité des neurones, suggèrent que des circuits feed-forward émergent par l'élagage des réseaux initialement connectés au hasard.

How environmental sounds become meaningful

The term "sound object" describes an auditory experience that is associated with an acoustic event produced by a sound source. In natural settings, a sound produced by a living being or an object provides information about the identity and the location of the sound source. Sound's identity is orocessed alono the ventral "What" pathway which consists of regions within the superior and middle temporal cortices as well as the inferior frontal gyrus. This work concerns the creation of individual auditory object representations in narrow semantic categories and their plasticity using electrical imaging. Discrimination of sounds from broad category has been shown to occur along a temporal hierarchy and in different brain regions along the ventral "What" pathway. However, sounds belonging to the same semantic category, such as faces or voices, were shown to be discriminated in specific brain areas and are thought to represent a special class of stimuli. I have investigated how cortical representations of a narrow category, here birdsongs, is modulated by training novices to recognized songs of individual bird species. Dynamic analysis of distributed source estimations revealed differential sound object representations within the auditory ventral "What" pathway as a function of the level of expertise newly acquired. Correct recognition of trained items induces a sharpening within a left-lateralized semantic network starting around 200ms, whereas untrained items' processing occurs later in lower-level and memory-related regions. With another category of sounds belonging to the same category, here heartbeats, I investigated the cortical representations of correct and incorrect recognition of sounds. Source estimations revealed differential representations partially overlapping with regions involved in the semantic network that is activated when participants became experts in the task. Incorrect recognition also induces a higher activation when compared to correct recognition in regions processing lower-level features. The discrimination of heartbeat sounds is a difficult task and requires a continuous listening. I investigated whether the repetition effects are modulated by participants' behavioral performance. Dynamic source estimations revealed repetition suppression in areas located outside of the semantic network. Therefore, individual environmental sounds become meaningful with training. Their representations mainly involve a left-lateralized network of brain regions that are tuned with expertise, as well as other brain areas, not related to semantic processing, and occurring in early stages of semantic processing. -- Le terme objet sonore" décrit une expérience auditive associée à un événement acoustique produit par une source sonore. Dans l'environnement, un son produit par un être vivant ou un objet fournit des informations concernant l'identité et la localisation de la source sonore. Les informations concernant l'identité d'un son sont traitée le long de la voie ventrale di "Quoi". Cette voie est composée de regions situées dans le cortex temporal et frontal. L'objet de ce travail est d'étudier quels sont les neuro-mecanismes impliqués dans la représentation de nouveaux objets sonores appartenant à une meme catégorie sémantique ainsi que les phénomènes de plasticité à l'aide de l'imagerie électrique. Il a été montré que la discrimination de sons appartenant à différentes catégories sémantiques survient dans différentes aires situées le long la voie «Quoi» et suit une hiérarchie temporelle II a également été montré que la discrimination de sons appartenant à la même catégorie sémantique tels que les visages ou les voix, survient dans des aires spécifiques et représenteraient des stimuli particuliers. J'ai étudié comment les représentations corticales de sons appartenant à une même catégorie sémantique, dans ce cas des chants d'oiseaux, sont modifiées suite à un entraînement Pour ce faire, des sujets novices ont été entraînés à reconnaître des chants d'oiseaux spécifiques L'analyse des estimations des sources neuronales au cours du temps a montré que les representations des objets sonores activent de manière différente des régions situées le long de la vo,e ventrale en fonction du niveau d'expertise acquis grâce à l'entraînement. La reconnaissance des chants pour lesquels les sujets ont été entraînés implique un réseau sémantique principalement situé dans l'hémisphère gauche activé autour de 200ms. Au contraire, la reconnaissance des chants pour lesquels les sujets n'ont pas été entraînés survient plus tardivement dans des régions de plus bas niveau. J'ai ensuite étudié les mécanismes impliqués dans la reconnaissance et non reconnaissance de sons appartenant à une autre catégorie, .es battements de coeur. L'analyse des sources neuronales a montre que certaines régions du réseau sémantique lié à l'expertise acquise sont recrutées de maniere différente en fonction de la reconnaissance ou non reconnaissance du son La non reconnaissance des sons recrute des régions de plus bas niveau. La discrimination des bruits cardiaques est une tâche difficile et nécessite une écoute continue du son. J'ai étudié l'influence des réponses comportementales sur les effets de répétitions. L'analyse des sources neuronales a montré que la reconnaissance ou non reconnaissance des sons induisent des effets de repétition différents dans des régions situées en dehors des aires du réseau sémantique. Ainsi, les sons acquièrent un sens grâce à l'entraînement. Leur représentation corticale implique principalement un réseau d'aires cérébrales situé dans l'hémisphère gauche, dont l'activité est optimisée avec l'acquisition d'un certain niveau d'expertise, ainsi que d'autres régions qui ne sont pas liée au traitement de l'information sémantique. L'activité de ce réseau sémantique survient plus rapidemement que la prédiction par le modèle de la hiérarchie temporelle.