New insights into the long-term evolutionary history of the avian MHC

SummaryGene duplication and neofunctidnalization are important processes in the evolution of phenotypic complexity. They account for important evolutionary novelties that confer ecological adaptation, such as the major histocompatibility complex (MHC), a multigene family with a central role in vertebrates' adaptive immune system. Multigene families, which evolved in large part through duplication, represent promising systems to study the still strongly depbated relative roles of neutral and adaptive processes in the evolution of phenotypic complexity. Detailed knowledge on ecological function and a well-characterized evolutionary history place the mammals' MHC amongst ideal study systems. However mammalian MHCs usually encompass several million base pairs and hold a large number of functional and non-functional duplicate genes, which makes their study complex. Avian MHCs on the other hand are usually way more compact, but the reconstruction of. their evolutionary history has proven notoriously difficult. However, no focused attempt has been undertaken so far to study the avian MHC evolutionary history in a broad phylogenetic context and using adequate gene regions.In the present PhD, we were able to make important contributions to the understanding of the long-term evolution of the avian MHC class II Β (MHCI1B). First, we isolated and characterized MHCIIB genes in barn owl (Tyto alba?, Strigiformes, Tytonidae), a species from an avian lineage in which MHC has not been studied so far. Our results revealed that with only two functional MHCIIB genes the MHC organization of barn owl may be similar to the 'minimal essential' MHC of chicken (Gallus gallus), indicating that simple MHC organization may be ancestral to birds. Taking advantage of the sequence information from barn owl, we studied the evolution of MHCIIB genes in 13 additional species of 'typical' owls (Strigiformes, Strigidae). Phylogenetic analyses revealed that according to their function, in owls the peptide-binding region (PBR) encoding exon 2 and the non-PBR encoding exon 3 evolve by different patterns. Exon 2 exhibited an evolutionary history of positive selection and recombination, while exon 3 traced duplication history and revealed two paralogs evolving divergently from each other in owls, and in a shorebird, the great snipe {Gallinago media). The results from exon 3 were the first ever from birds to demonstrate gene orthology in species that diverged tens of millions of years ago, and strongly questioned whether the taxa studied before provided an adequate picture of avian MHC evolution. In a follow-up study, we aimed at explaining a striking pattern revealed by phylogenetic trees analyzing the owl sequences along with MHCIIB sequences from other birds: One owl paralog (termed DAB1) grouped with sequences of passerines and falcons, while the other (DAB2) grouped with wildfowl, penguins and birds of prey. This could be explained by either a duplication event preceding the evolution of these bird orders, or by convergent evolution of similar sequences in a number of orders. With extensive phylogenetic analyses we were able to show, that indeed a duplication event preceeded the major avian radiation -100 my ago, and that following this duplication, the paralogs evolved under positive selection. Furthermore, we showed that the divergently evolving amino acid residues in the MHCIIB-encoded β-chain potentially interact with the MHCI I α-chain, and that molecular coevolution of the interacting residues may have been involved in the divergent evolution of the MHCIIB paralogs.The findings of this PhD are of particular interest to the understanding of the evolutionary history of the avian MHC and, by providing essential information on long-term gene history in the avian MHC, open promising perspectives for advances in the understanding of the evolution of multigene families in general, and for avian MHC organization in particular. Amongst others I discuss the importance of including protein structure in the phylogenetic study of multigene families, and the roles of ecological versus molecular selection pressures. I conclude by providing a population genomic perspective on avian MHC, which may serve as a basis for future research to investigate the relative roles of neutral processes involving effective population size effects and of adaptation in the evolution of avian MHC diversity and organization.RésuméLa duplication de gènes et leur néo-fonctionnalisation sont des processus importants dans l'évolution de la complexité phénotypique. Ils sont impliqués dans l'apparition d'importantes nouveautés évolutives favorisant l'adaptation écologique, comme c'est le cas pour le complexe majeur d'histocompatibilité phénotypique. La connaissance détaillée de sa fonction écologique, ainsi que de son histoire évolutive, placent le CMH des mammifères parmi les candidats idéaux. Toutefois, les CMHs des mammifères comprennent habituellement plusieurs millions de paires de bases et sont formés par un grand nombre de gènes dupliqués, fonctionnels et non-fonctionnels, ce qui rend leur étude complexe. Au contraire, les CMHs des oiseaux sont généralement plus compacts, mais la reconstruction de leur histoire évolutive s'est révélée difficile. Aucune analyse spécifique n'a cependant été entreprise jusqu'à présent pour étudier l'histoire évolutive du CMH aviaire dans un large contexte phylogénétique et en utilisant des régions géniques adéquates.Ce travail de thèse a contribué à la compréhension de l'évolution à long-terme du CMH aviaire classe II Β (CMH II Β). Nous avons isolé et caractérisé les gènes CMH I IB de la chouette effraie (Tyto alba; Strigiformes, Tytonidae), une espèce appartenant à une lignée aviaire dont le CMH n'avait pas été étudié jusqu'ici. Avec uniquement deux gènes CMHIIB fonctionnels, l'organisation CMH de la chouette effraie semble être comparable à celle "minimale" du poulet (Gallus gallus), ce qui suggère qu'une organisation simple du CMH pourrait être ancestrale chez les oiseaux. En se basant sur l'information obtenue pour cette espèce, nous avons ensuite étudié l'évolution des gènes CMHIIB chez 13 espèces de chouettes "typiques" (Strigiformes, Strigidae). Les analyses phylogénétiques ont révélé que chez les chouettes, selon leur fonction, l'exon 2 codant pour la 'peptide-binding region' (PBR) et l'exon 3 ne codant pas pour la région PBR évoluent de manière distincte. L'exon 2 montre une histoire évolutive de sélection positive et recombinaison, tandis que l'exon 3 retrace l'histoire de duplication et révèle deux paralogues évoluant de façon divergente chez les chouettes, ainsi que chez un limicole, la bécassine double (Gallinago media). Les résultats découlant de l'analyse de l'exon 3 ont montré pour la première fois chez les oiseaux une orthologie de gènes chez des espèces ayant divergé il y a des dizaines de millions d'années. Dans une deuxième étude, nous avons voulu expliquer le pattern surprenant révélé par les arbres phylogénétiques lorsque les séquences CMHIIB des chouettes sont analysées avec les séquences d'autres oiseaux: un paralogue de chouette (appelé DABI) forme un groupe avec les séquences de passereaux et faucons, tandis que l'autre (DAB2) se regroupe avec les gallo-ansériformes, les manchots et les rapaces diurnes. Ceci pourrait être expliqué soit par une duplication qui a précédé l'évolution de ces ordres aviaires soit par évolution convergente dans un certain nombre d'ordres. Grâce à des analyses phylogénétiques approfondies, nous avons pu montrer qu'un événement de duplication a effectivement précédé la radiation aviaire principale d'il y a environ 100 millions d'années, et qu'après cette duplication les paralogues ont évolué sous sélection positive. De plus, les résidus d'acides aminés évoluant de façon divergente dans la chaîne β codée par le CMHIIB interagissent potentiellement avec la chaîne α codée par le CMHII, et que la coévolution moléculaire de ces résidus pourrait être à la base de l'évolution divergente des paralogues CMHIIB.Dans cette thèse sont discutés entre autres l'importance d'inclure la structure des protéines dans l'étude phylogénétique des familles multigéniques, ainsi que les rôles respectifs des pressions sélectives écologique et moléculaire. La conclusion comporte une perspective sur la génomique des populations du CMH aviaire, qui pourrait servir de base pour de futures recherches sur les rôles relatifs joués par Îes processus neutres comprenant les effets de la taille efficace des populations et l'adaptation dans l'évolution de la diversité et l'organisation du MHC aviaire.

Attachment among Adoptive Families: Two Emipirical Studies in an International Context

The present dissertation analyzed the construct of attachment at different time points, specifically focusing on two phases of adoptive family life that have so far received little attention from investigators. Study 1 focused on the first months of adoption, and analyzed the development of the attachment relationship to new caregivers. The sample was composed of a small but homogeneous group (n=6) of Korean-born children, adopted by Italian parents. The Parent Attachment Diary (Dozier & Stovall, 1997) was utilized to assess the child's attachment behavior. We assessed these behavior for the first 3 months after placement into adoption. Results showed a double variability of attachment behavior: within subjects during the 3-months, and between subjects, with just half of the children developing a stable pattern of attachment. In order to test the growth trajectories of attachment behavior, Hierarchical Linear Models (Bryk & Raudenbush, 1992) were also applied, but no significant population trend was identified. Study 2 analyzed attachment among adoptees during the sensitive period of adolescence. Data was derived from an international collection (n= 104, from Belgium Italy, and Romania) of semi-structured clinical interviews (with adolescents and with their adoptive parents), as well as from questionnaires. The purpose of this study was to detect the role played by risk and protective factors on the adoptee's behavioral and socio-emotional outcomes. In addition, we tested the possible interactions between the different attachment representations within the adoptive family. Results showed that pre-adoptive risk predicted the adolescent's adjustment; however, parental representations constituted an important moderator of this relationship. Moreover, the adolescent's security of attachment partially mediated the relationship between age at placement and later behavioral problems. In conclusion, the two present attachment studies highlighted the notable rate of change of attachment behavior over time, which showed its underlying plasticity, and thus the possible reparatory value of the adoption practice. Since parents have been proven to play an important role, especially in adolescence, the post-adoption support acquires even more importance in order to help parents promoting a positive and stable relational environment over time. - L'objectif de cette thèse est de décrire la formation des relations d'attachement chez les enfants et les adolescents adoptés, lors de deux phases particulières de la vie de la famille adoptive, qui ont été relativement peu étudiées. L'Étude 1 analyse les premiers mois après l'adoption, avec le but de comprendre si, et comment, une relation d'attachement aux nouveaux parents se développe. L'échantillon est composé d'un petit groupe (n = 6) d'enfants provenant de Corée du Sud, adoptés par des parents Italiens. A l'aide du Parent Attachment Diary (Dozier & Stovall, 1997), des observations des comportements d'attachement de l'enfant ont été recueillies chaque jour au cours des 3 premiers mois après l'arrivée. Les résultats montrent une double variabilité des comportements d'attachement: au niveau inter- et intra-individuel ; au premier de ces niveaux, seuleme la moitié des enfants parvient à développer un pattern stable d'attachement ; au niveau intra-individuel, les trajectoires de développement des comportements d'attachement ont été testées à l'aide de Modèles Linéaires Hiérarchiques (Bryk et Raudenbush, 1992), mais aucune tendance significative n'a pu être révélée. L'Étude 2 vise à analyser l'attachement chez des enfants adoptés dans l'enfance, lors de la période particulièrement sensible de l'adolescence. Les données sont issues d'un base de données internationale (n = 104, Belgique, Italie et Roumanie), composée d' entretiens cliniques semi-structurées (auprès de l'adolescents et des ses parents adoptifs), ainsi que de questionnaires. Les analyses statistiques visent à détecter la présence de facteurs de risque et de protection relativement à l'attachement et aux problèmes de comportement de l'enfant adopté. En outre, la présence d'interactions entre les représentations d'attachement des membres de la famille adoptive est évaluée. Les résultats montrent que les risques associés à la période pré-adoptive prédisent la qualité du bien-être de l'adolescent, mais les représentations parentales constituent un modérateur important de cette relation. En outre, la sécurité de l'attachement du jeune adopté médiatise partiellement la relation entre l'âge au moment du placement et les problèmes de comportement lors de l'adolescence. En conclusion, à l'aide de multiples données relatives à l'attachement, ces deux études soulignent son évolution notable au fil du temps, ce qui sous-tend la présence d'une certaine plasticité, et donc la possible valeur réparatrice de la pratique de l'adoption. Comme les parents semblent jouer un rôle important de ce point de vue, surtout à l'adolescence, cela renforce la notion d'un soutien post-adoption, en vue d'aider les parents à la promotion d'un environnement relationnel favorable et stable. - Il presente lavoro è volto ad analizzare l'attaccamento durante le due fasi della vita della famiglia adottiva che meno sono state indagate dalla letteratura. Lo Studio 1 aveva l'obiettivo di analizzare i primi mesi che seguono il collocamento del bambino, al fine di capire se e come una relazione di attaccamento verso i nuovi genitori si sviluppa. Il campione è composto da un piccolo gruppo (n = 6) di bambini provenienti dalla Corea del Sud e adottati da genitori italiani. Attraverso il Parent Attachment Diary (Stovall e Dozier, 1997) sono stati osservati quotidianamente, e per i primi tre mesi, i comportamenti di attaccamento del bambino. I risultati hanno mostrato una duplice variabilità: a livello intraindividuale (nell'arco dei 3 mesi), ed interindividuale, poiché solo la metà dei bambini ha sviluppato un pattern stabile di attaccamento. Per verificare le traiettorie di sviluppo di tali comportamenti, sono stati applicati i Modelli Lineari Gerarchici (Bryk & Raudenbush, 1992), che però non hanno stimato una tendenza significativa all'interno della popolazione. Obiettivo dello Studio 2 è stato quello di esaminare l'attaccamento nelle famiglie i cui figli adottivi si trovavano nella delicata fase adolescenziale. I dati, provenienti da una raccolta internazionale (n = 104, Belgio, Italia e Romania), erano costituiti da interviste cliniche semi-strutturate (con gli adolescenti e i propri genitori adottivi) e da questionari. Le analisi hanno indagato il ruolo dei fattori di rischio sullo sviluppo socio-emotivo e sugli eventuali problemi comportamentali dei ragazzi. Inoltre, sono state esaminate le possibili interazioni tra le diverse rappresentazioni di attaccamento dei membri della famiglia adottiva. I risultati hanno mostrato che il rischio pre-adottivo predice l'adattamento dell'adolescente, sebbene le rappresentazioni genitoriali costituiscano un importante moderatore di questa relazione. Inoltre, la sicurezza dell'attaccamento dell'adolescente media parzialmente la relazione tra età al momento dell'adozione e problemi comportamentali in adolescenza. In conclusione, attraverso i molteplici dati relativi all'attaccamento, i due studi ne hanno evidenziato il cambiamento nel tempo, a riprova della sua plasticità, e pertanto sottolineano il possibile valore riparativo dell'adozione. Dal momento che i genitori svolgono un ruolo importante, soprattutto in adolescenza, il supporto nel post- adozione diventa centrale per aiutarli a promuovere un ambiente relazionale favorevole e stabile nel tempo.

The expression of GABA receptors in the human auditory cortex

Abstract : GABA, the primary inhibitory neurotransmitter, and its receptors play an important role in modulating neuronal activity in the central nervous system and are implicated in many neurological disorders. In this study, GABAA and GABAB receptor subunit expression was visualized by immunohistochemistry in human auditory areas TC (= primary auditory area), TB, and TA. Both hemispheres from nine neurologically normal subjects and from four patients with subacute or chronic stroke were included. In normal brains, GABAA receptor subunit (α1, α2, & β2/3) labeling produced neuropil staining throughout all cortical layers as well as labeling fibers and neurons in layer VI for all auditory areas. Densitometry profiles displayed differences in GABAA subunit expression between primary and non-primary areas. In contrast to the neuropil labeling of GABAA subunits, GABAB1 and GABAB2 subunit immunoreactivity was revealed on neuronal somata and proximal dendritic shafts of pyramidal and non-pyramidal neurons in layers II-III, more strongly on supra- than in infragranular layers. No differences were observed between auditory areas. In stroke cases, we observed a downregulation of the GABAA receptor α2 subunit in granular and infragranular layers, while the other GABAA and the two GABAB receptor subunits remained unchanged. Our results demonstrate a strong presence of GABAA and GABAB receptors in the human auditory cortex, suggesting a crucial role of GABA in shaping auditory responses in the primary and non-primary auditory areas. The differential laminar and area expression of GABAA subunits that we have found in the auditory areas and which is partially different from that in other cortical areas speaks in favor of a fine turning of GABA-ergic transmission in these different compartments. In contrast, GABAB expression displayed laminar, but not areal differences; its basic pattern was also very similar to that of other cortical areas, suggesting a more uniform role within the cerebral cortex. In subacute and chronic stroke, the selective GABAA α2 subunit downregulation is likely to influence postlesional plasticity and susceptibility to medication. The absence of changes in the GABAB receptors suggests different regulation than in other pathological conditions, such as epilepsy, schizophrenia or bipolar disorder, in which a downregulation has been reported. Résumé : GABA, le principal neurotransmetteur inhibiteur, et ses récepteurs jouent un rôle important en tant que modulateur de l'activité neuronale dans le système nerveux central et sont impliqués dans de nombreux désordres neurologiques. Dans cette étude, l'expression des sous-unités des récepteur GABAA et GABAB a été visualisée par immunohistochimie dans les aires auditives du cortex humains: le TC (= aire auditif primaire), le TB, et le TA. Les deux hémisphères de neuf sujets considérés normaux du point de vue neurologique et de quatre patients ayant subis un accident cérébro-vasculaire et se trouvant dans la phase subaiguë ou chronique étaient inclues. Dans les cerveaux normaux, les immunohistochimies contre les sous-unités α1, α2, & β2/3 du récepteur GABAA ont marqué le neuropil dans toutes les couches corticales ainsi que les fibres et les neurones de la couche VI dans toutes les aires auditives. Le profile densitométrique montre des différences dans l'expression des sous-unités du récepteur GABAA entre les aires primaires et non-primaires. Contrairement au marquage de neuropil par les sous-unités du recepteur GABAA, 1'immunoréactivité des sous-unités GABAB1 et GABAB2 a été révélée sur les corps cellulaires neuronaux et les dendrites proximaux des neurones pyramidaux et non-pyramidaux dans les couches II-III et est plus dense dans les couches supragranulaires que dans les couches infragranulaires. Aucune différence n'a été observée entre les aires auditives. Dans des cas lésionnels, nous avons observé une diminution de la sous-unité α2 du récepteur GABAA dans les couches granulaires et infragranulaires, alors que le marquage des autres sous-unités du récepteur GABAA et des deux sous-unités de récepteur GABAB reste inchangé. Nos résultats démontrent une présence forte des récepteurs GABAA et GABAB dans le cortex auditif humain, suggérant un rôle crucial du neurotransmetteur GABA dans la formation de la réponse auditive dans les aires auditives primaires et non-primaires. L'expression différentielle des sous-unités de GABAA entre les couches corticales et entre les aires auditives et qui est partiellement différente de celle observée dans d'autres aires corticales préconise une modulation fine de la transmission GABA-ergic en ces différents compartiments. En revanche, l'expression de GABAB a montré des différences laminaires, mais non régionales ; son motif d'expression de base est également très semblable à celui d'autres aires corticales, suggérant un rôle plus uniforme dans le cortex cérébral. Dans les phases subaiguë et chronique des accidents cérébro-vasculaires, la diminution sélective de la sous-unité α2 du recepteur GABAA est susceptible d'influencer la plasticité et la susceptibilité postlésionnelle au médicament. L'absence de changement pour les récepteurs GABAB suggère que le récepteur est régulé différemment après un accident cerebro-vasculaire par rapport à d'autres conditions pathologiques, telles que l'épilepsie, la schizophrénie ou le désordre bipolaire, dans lesquels une diminution de ces sous-unités a été rapportée.

Analysis of the regulation of Nodal function by SPC-mediated cleavage during early mammalian development

RÉSUMÉ Après implantation dans l'utérus, le foetus de mammifère est composé de trois populations différentes de cellules: l'epiblast, l'ectoderme extraembryonnaire et l'endoderme viscéral. Pendant la gastrulation, les cellules de l'epiblast donnent naissance aux trois lignées germinales: l'ectoderme, le mésoderme et l'endodermes. Les lignées germinales produisent par la suite les différents tissus et organes du corps embryonnaire et adulte. Les cellules de l'ectoderme extraembryonnaire donnent par la suite le composant foetal du placenta qui est essentiel à la survie de l'embryon dans l'utérus. L'épiblast et l'ectoderme extraembryonnaire sont entourés par l'endoderme viscéral et forment une structure connue sous le nom de bouton embryonnaire. L'endoderme viscéral joue un rôle important dans l'embryogenèse car il comporte une sous-population de cellules appelées l'endoderme viscéral antérieur dont les signaux influencent l'épiblast adjacent et déterminent le futur axe antéro-postérieur de l'embryon. La protéine de signalisation Nodal de la famille des TGFß est essentielle dans l'épiblast pour spécifier le mésendoderme, l'endoderme viscéral antérieur, ainsi que pour maintenir les cellules souche de l'ectoderme extraembryonnaire. Ainsi, dans les embryons mutants pour Nodal, aucun axe antéro-postérieur n'est établi, les lignées germinales ne sont pas spécifiés et le placenta ne se développe pas. Au niveau moléculaire, comme pour les protéines de la famille des TGFß, Nodal est initialement synthétisée sous forme de précurseur avant d'être clivée de façon endoproteolytique par des protéanes sécrétées, les proprotéines convertases du type subtilisin (SPC), qui suppriment la partie inhibitrice N-terminale du pro peptide. Dans ce contexte, le projet de ma thèse a été d'analyser l'influence des SPC sur la fonction de Nodal en employant une combinaison d'approches génétiques et biochimiques. Premièrement, nous avons constaté que le clivage du précurseur par les protéases active Nodal, mais en même temps augmente son turn-over et diminue la portée de son action. Deuxièmement, dans l'embryon, il apparaît que Nodal est activé par l'action combinée de Furin et de PACE4, deux protéases sécrétées qui sont spécifiquement exprimées dans les cellules de l'ectoderme extraembryonnaire, donc adjacentes au domaine d'expression de Nodal. De manière similaire aux mutants de Nodal, les embryons mutants pour les deux protéases ne forment pas d'endoderme viscéral antérieur et ne gastrulent pas. Cependant, certains gènes cible de Nodal restent exprimés, suggérant que toutes les activités de Nodal ne sont pas dépendent du clivage par les SPCs. En effet, la génération et l'analyse de mutants portant un allèle knock-in qui code pour une forme mutante de Nodal résistante aux SPC, ont montré que ces mutants ont les caractères phénotypique des mutants de Nodal seulement de façon partielle. La formation de mésoderme est partiellement induite, et de façon remarquable, la forme de Nodal résistante aux SPC est capable d'agir à une distance de sa source, maintenant l'expression de ses propres protéases et d'autres gènes essentiels pour la spécification de l'ectoderme extraembryonnaire. Ensemble, ces résultats prouvent que par leur action directe les protéases extraembryonnaire modulent la signalisation de Nodal pendant le développement mammifère précoce. SUMMARY : Early after implantation in the uterus, the mammalian conceptus is composed of three different cell populations: the epiblast, the extraembryonic ectoderm and the visceral endoderm. During gastrulation, epiblast cells give rise to the three embryonic germ layers: the ectoderm, the mesoderm and the endoderm. These germ layers then generate the different tissues and organs of the embryonic and adult bodies. In parallel, extraembryonic ectoderm cells give rise to the fetal component of the placenta, which is essential for the survival of the embryo in the uterus. Both the epiblast and extraembryonic ectoderm are surrounded by the visceral endoderm to form a structure known as the egg cylinder. The visceral endoderm plays an important role as it harbours a subpopulation of cells called the anterior visceral endoderm, from which signals influence the adjacent epiblast and determine the future antero-posterior embryonic axis. The TGFß-related signalling protein Nodal is required within the epiblast to specify the mesoderm, the endoderm,the anterior visceral endoderm and is also essential to maintain stem cells in the extraembryonic ectoderm. Thus, in Nodal null conceptuses, no antero-posterior axis is established, the germ layers are not specified and the placenta does not develop. At the molecular level, Nodal, like related proteins of the TGFß family, is initially synthesized as a precursor and undergoes endoproteolytic cleavage by secreted proteases of the subtilisin-like proprotein convertases (SPC) to remove an inhibitory N-terminal pro peptide. In the embryo, Nodal is activated by the combined action of Furin and PACE4, two secreted SPCs that are specifically expressed in cells of the extraembryonic ectoderm, thus adjacent to the Nodal expression domain. Similar to Nodal null .embryos, mutant embryos lacking both these proteases fail to specify the anterior visceral endoderm and to undergo gastrulation. However, these mutants still express a subset of Nodal target genes, suggesting that part of Nodal activity is independent on cleavage by SPCs. Indeed, by generating and analyzing mutants with a knock-in allele that encodes an SPC-resistant mutant form of Nodal, I could show that they retain a subset of Nodal activities. Mesoderm formation is partially induced, but most remarkably, SPC-resistant Nodal form is able to act at a distance from its source, maintaining the expression of its proteases and of other genes essential for maintenance of the extraembryonic ectoderm.

MOLECULAR REORGANIZATION FOLLOWING SENSORY STIMULATION IN THE ADULT MOUSE BARREL CORTEX

Sensory information is an important factor in shaping neuronal circuits during development and adulthood. In the barrel cortex of adult rodents, cells from layer IV are able to adapt their functional state to an increased flow of sensory information from the mystacial whisker follicles. Previous studies in our group have shown that whisker stimulation induces the formation of inhibitory synapses in the corresponding barrel (Knott et al., 2002) and decreases neuronal responses toward the deflection of the stimulated whisker (Quairiaux et al., 2007). Together these observations have turned the barrel cortex into a model to study homeostatic plasticity. At the cellular level, neuronal activity triggers intracellular signaling cascades leading to a transcriptional response. To further characterize the molecular pathways involved in the synaptic changes after whisker stimulation in the adult mouse, a previous doctoral student in our group performed a microarray analysis on laser-dissected barrels in sections through layer IV. This study identified the regulation (up and down) of a series of genes in the stimulated barrels (thesis of Johnston-Wenger, 2010). We here focused on ten genes that presented the highest fold change according to the microarray analysis. Out of these genes, 7 are known as neuronal activity-dependent genes (Tnncl, Nptx2, Sorcs3, Ptgs2, Nr4a2, Npas4 and Adcyapl) whereas three have so far not been related to neuronal plasticity (Scn7a, Pcdhl5 and Cede3). The study aimed at confirming the results of the microarray analysis and localizing molecular modifications in the stimulated barrel column at the cellular level. In situ hybridization for Pcdhl5 after different periods of whisker stimulation (3, 6, 9, 15, 24 hrs) allowed us to confirm that the 1.25 fold change used for the microarray analysis is an appropriate threshold for considering a regulation significant after sensory-stimulation. Moreover, we confirmed with in situ hybridization a significant upregulation of the genes of interest in the stimulated barrels. In situ hybridization and immunohistochemistry allowed us to observe the distribution of the genes of interest and the corresponding protein products at the cellular level. Three observations were made: 1) alterations of the expression was restricted to the stimulated barrels for all genes tested; 2) within a barrel column not all cells responded to whisker stimulation with an altered gene expression; 3) in the stimulated barrels, two different patterns of mRNA and protein expression can be distinguished. We hypothesize that this segregation of the activity-induced gene expression reflects the segregation of the two principal thalamocortical pathways conveying the sensory information to the barrel cortex. Moreover, only neurons reaching the critical threshold will modify their gene expression program resulting in structural as well as physiological modifications that prevent the subsequent propagation of the excess of excitation to the postsynaptic targets. The activity-induced gene expression is therefore adapted in a cell-type-specific manner to induce a homeostatic response to the entire neuronal network involved in the integration of the sensory information. This to our knowledge the first study showing the distinct, but complementary contribution of the two thalamocortical pathways in experience-dependent plasticity in the adult mouse barrel cortex. -- L'information sensorielle nous permet de continuellement façonner nos circuits neuronaux autant durant le développement qu'à l'âge adulte. Chez le rongeur l'information sensorielle perçue par les vibrisses est intégrée au niveau du cortex somatosensoriel primaire (appelé en anglais « barrel cortex ») dont les cellules de la couche IV sont capables d'adapter leur état fonctionnel en réponse à une augmentation d'activité neuronale. Ce modèle expérimental a permis à notre groupe de recherche d'observer des changements rapides du circuit neuronal en fonction de l'activité sensorielle. En effet, la stimulation continue d'une vibrisse d'une souris adulte pendant 24 heures induit non seulement un remaniement synaptique (Knott et al., 2002), mais également des changements physiologiques au niveau des neurones du tonneau correspondant (Quairiaux et al., 2007). Ces observations nous permettent d'affirmer que le « barrel cortex » est un modèle approprié pour y étudier la plasticité synaptique. Au niveau cellulaire, l'activité neuronale déclenche des cascades de signalisation intracellulaire résultant en une réponse transcriptionnelle. Afin de caractériser les voies moléculaires impliquées dans la plasticité synaptique, une puce à ARN nous a permis de comparer l'expression de gènes entre un tonneau correspondant à une vibrisse stimulée et un tonneau d'une vibrisse non-stimulée (Nathalie). Cette analyse a révélé un certain nombre de gènes régulés de manière positive ou négative par l'augmentation de l'activité neuronale. Nous nous sommes concentrés sur 10 gènes dont l'expression est fortement régulée. L'expression de sept d'entre eux a déjà été démontrée comme dépendante de l'activité neuronale (Tnncl, Nptx2, Sorcs3, Ptgs2, Nr4a2, Npas4 otAdcyapl) alors que l'expression des trois autres (Scn7a, Pcdhl5 et Cedei) n'a pour le moment pas encore été liée à la plasticité neuronale. Le but de cette thèse est de confirmer les résultats de la puce à ARN et de déterminer dans quel type cellulaire ces gènes sont exprimés. L'hybridation in situ pour le gène Pcdhl5, après différentes périodes de stimulation des vibrisses (3, 6, 9, 15 et 24 heures), nous a permis de confirmer que le seuil de 1.25x utilisé dans l'analyse de la puce à ARN est approprié pour considérer qu'un gène est régulé de manière significative par la stimulation sensorielle. Nous avons également pu confirmer à l'aide de cette technique que la stimulation sensorielle augmente significativement l'expression de ces dix gènes. L'expression de ces gènes au niveau cellulaire a été observée à l'aide des techniques d'hybridation in situ et d'immunohistochimie. Trois observations ont été faites : 1) la régulation de ces gènes est restreinte aux tonneaux correspondants aux vibrisses stimulées ; 2) au niveau d'une colonne corticale correspondant aux vibrisses stimulées, seules certaines cellules présentent une altération de leur expression génique ; 3) au niveau des tonneaux stimulés, deux profils d'expression d'ARNm et de protéines sont observés. Notre hypothèse est que cette distribution pourrait correspondre à la terminaison ségrégée des deux voies thalamocortical qui amènent l'information sensorielle dans le cortex cérébral. De plus, seul les neurones atteignant le seuil critique d'activation modifient leur expression génique en réponse à la stimulation sensorielle. Ces changements d'expression géniques vont permettre à la cellule de modifier ses propriétés structurales et physiologiques de manière a prevenir la propagation d'un excès d'activité neuronale au niveau de ses cibles postsynaptics. L'activité neuronale agit donc spécifiquement sur certains types cellulaires de maniere a induire une réponse homéostatique au niveau du réseau neuronal impliqué dans l'integration de l'information sensorielle. Nos travaux démontrent pour une première fois que les deux voies sensorielles contribuent d'une manière distincte et complémentaire à la plasticité corticale induite par un changement de l'activité sensorielle chez la souris adulte.

Patterns of recovery following focal hemispheric lesions : relationship between lasting deficit and damage to specialized networks

Rapport de synthèse : Objectif : Les déficits cognitifs présents dans la phase aiguë d'une lésion hémisphérique focale ont tendance à être de nature plus importante et plus générale que les déficits résiduels qui persistent dans la phase chronique de récupération. Nous avons investigué, dans le cadre de ce travail, les modèles de récupération auditive et la relation qui se dessine entre les déficits et les dommages relatifs à des réseaux spécifiques, pris comme modèle cognitif des fonctions auditives. De nombreuses études humaines dans les domaines de la neuropsychologie, de la psychophysique ainsi que des études d'activation suggèrent que les processus de reconnaissance et de localisation sonores sont effectués par l'intermédiaire de réseaux distincts tant sur le plan anatomique que fonctionnel : il s'agit des zones de traitement du «What» et du «Where », qui sont toutes deux présentes dans les deux hémisphères. Des études ont démontré que des lésions hémisphériques focales gauches ou droites, centrées sur ces réseaux, sont associées dans la phase chronique de récupération à des déficits correspondant en ce qui concerne la reconnaissance et/ou la localisation sonore. Méthode : Dans le cadre de ce travail, nous avons analysé les résultats concernant les performances auditives chez 24 patients ayant subi des lésions hémisphériques focales avec déficits secondaires dans des tâches de reconnaissance, de localisation et/ou de perception du mouvement sonore lors d'un premier testing effectué en phase aiguë (9 patients), en phase subaiguë (6 patients) ou en phase chronique précoce (9 patients). La totalité de ces patients ont bénéficié d'un second testing en phase chronique. Les observations effectuées ont servi à l'élaboration de patterns de récupération auditive. Résultats : Tous les 24 patients avaient initialement un déficit dans le domaine de la localisation et/ou de la perception du mouvement sonore. Dans la phase aiguë, ce déficit survenait sans atteinte spécifique du réseau «Where » chez presque la moitié des patients ; en revanche, cette situation n'était jamais observée chez les patients testés en phase chronique précoce. Une absence de récupération avait tendance à être associée à un dommage spécifique au réseau concerné ainsi qu'à la persistance d'un déficit au-delà de la phase aiguë. Les déficits résiduels n'étaient par ailleurs pas strictement en lien avec la taille lésionnelle ou l'étendue de l'atteinte du réseau spécifique. Conclusion : Nos résultats suggèrent que des mécanismes distincts sous-tendent la récupération et la plasticité à différentes périodes temporelles post-lésionnelles.

Genotype-phenotype correlation of age-related macular degeneration : influence of complement factor H polymorphism

RAPPORT DE SYNTHESE La dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA) est une maladie très fréquente qui représente la cause principale de cécité légale chez les sujets de plus de 50 ans en Occident. Bien que l'étiologie exacte de cette affection ne soit pas complètement connue, des facteurs environnementaux et génétiques influencent sa survenue et son évolution. A ce sujet, de récentes recherches ont notamment montré une association marquée à une variante du gène CFH, Y402H. Nous ignorons toutefois si le polymorphisme Y402H est associé à un phénotype particulier de la maladie. Cette étude a pour but d'établir si cette variante du gène CFH est associée à certaines caractéristiques phénotypiques précoces. L'étude porte sur quatre cent vingt patients atteints de DMLA qui ont été phénotypés sur la base de photographie du fond d'oeil (International Classification and Grading system for age- related macular degeneration) et génotypés à partir d'ADN leucocytaire à la recherche de la variante Y402H du gène CFH. Ces données ont ensuite fait l'objet d'une analyse statistique de l'association génotype-phénotype (le génotype de 50 sujets-contrôle a été utilisé pour confirmer l'association du polymorphisme avec la DMLA). Les résultats obtenus, corrigés pour l'âge et le sexe, montrent un odds ratio (OR) de développer une DMLA de 2.95 en présence d'au moins un allèle à risque C et de 9.05 pour les homozygotes CC. Par contre, aucune influence n'est observée sur les stades de la maladie (précoce-tardif)? Une association significative entre le génotype CC et la présence de druses périphériques (p=0.028), ainsi que la localisation centrale des druses (p=0,049) a été mise en évidence. Aucune autre tendance n'a été dégagée concernant les critères restants (taille, surface totale recouverte, localisation nasale des druses) ou les changements pigmentaires. Cette étude a permis de confirmer l'association entre la variante Y4G2H et la DMLA dans la population suisse et de conclure que la variante Y402H du gène CFH présente une association géno-phénotypique pour certaines caractéristiques des druses. Il est probable que d'autres facteurs génétiques encore influencent le phénotype de la DMLA. De nouvelles recherches seront nécessaires pour préciser l'influence de ces autres facteurs génétiques ou environnementaux, en vue d'une meilleure compréhension de la pathogenèse de cette affection, et pour développer des mesures thérapeutiques et prophylactiques adaptées.

A study of the translational regulation exerted by some neuroactive substances on the expression of the monocarboxylate transporter MCT2 in cultured cortical neurons

Summary of the thesis Glucose has been considered the major, if not the exclusive, energy substrate for the brain. But under certain 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 as well as 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 form and little is known about the regulation of its expression. The neurotransmitter noradrenaline (NA) was shown previously to enhance the expression of MCT2 in cultured cortical neurons via a translational mechanism. Here, we demonstrate that two other substances, namely, insulin and IGF-1 enhance MCT2 protein expression in cultured mouse cortical neurons in a time- and concentrationdependent manner without affecting MCT2 mRNA levels. This result confirmed that MCT2 protein expression is translationally regulated and extend the observation to different types of neuroactive substances. Then we sought to determine by which signaling pathway(s) NA, insulin and IGF-1 can induce MCT2 protein expression. First, we observed by Western blot that all three substances cause activation of the MAP kinase ERK as well as the kinase Akt via their phosphorylation. Moreover, the mTOR/S6K pathway which is known to play an important role in translation initiation regulation was also strongly stimulated by all three substances. Second, we sought to determine the implication of these signaling pathways on the NA-, insulin- and IGF-1-induced enhancement of MCT2 protein expression and used specific inhibitors of these signaling pathways. We observed that the Pia kinase and mTOR inhibitors LY294002 and rapamycin respectively, strongly prevent the enhancement. of MCT2 expression caused by either NA, insulin ar IGF-1. In contrast, the MEK inhibitor PD98059 and the p38 MAP kinase inhibitor SB202190 had only a slight effect on the enhancement of MCT2 expression in all three cases. These results suggest that NA, insulin and IGF-1 regulate MCT2 protein expression by a common mechanism most likely involving the Akt/PKB pathway and translational activation via mTOR. In conclusion, considering the roles of NA, insulin and IGF-1 in synaptic plasticity, the tight translational regulation of MCT2 expression by these substances may represent a common mechanism through which supply of potentiated synapses with nonglucose energy substrates can be adapted to the level of activity. Résumé du travail de thèse 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 énergétiques 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 famille de transporteurs spécifiques, protons-dépendants, appelés 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 le neurotransmetteur noradrénaline (NA) augmente l'expression de MCT2 dans les cultures de neurones corticaux de souris par le biais d'un mécanisme de régulation traductionnel. La présente étude nous a permis de démontrer que deux autres substances, l'insuline et 17GF-1, induisent une augmentation de la protéine MCT2 dans ces mêmes cultures selon un décours temporel et une gamme de concentrations particulière. Etonnamment, aucun changement n'a été observé concernant les niveaux d'ARNm de MCT2. Ce résultat .confirme que la protéine MCT2 est régulée de manière traductionnelle et révèle que différentes substances neuro-actives peuvent réguler l'expression de MCT2. Compte tenu de ces observations, nous avons voulu déterminer par quelle(s) voie(s) de signalisation la NA, l'insuline et l'IGF-1 exercent leur effet sur l'expression de MCT2. Dans un premier temps, nous avons pu observer par Western blot que ces trois substances activent la MAP kinase ERK ainsi que la kinase Akt via leur phasphorylation. De plus, la voie mTOR/S6K, connue pour son implication dans la régulation de l'initiation de la traduction est aussi fortement activée par ces trois substances. Dans un second temps, nous avons voulu déterminer I implication de chacune de ces voies de signalisation dans l'augmentation de l'expression de la protéine MCT2 observée après stimulation à la NA, à l'insuline et à l'IGF-1. Pour ce faire, nous avons utilisé des inhibiteurs spécifiques de chacune de ces voies. (Vous avons observé que les inhibiteurs des voies PI3 kinase et mTOR (LY294002 et rapamycin respectivement), prévenaient fortement l'augmentation de l'expression de MCT2 induite par la NA, l'insuline ou (IGF-1. A l'inverse, les inhibitions de la MAP kinase .kinase MEK ainsi que de la MAP kinase p38 (par l'utilisation des inhibiteurs spécifiques PD98059 et SB202190 respectivement) n'ont eu qu'un léger effet dans ces mêmes conditions. Ces résultats suggèrent que la NA, 'l'insuline et I~GF-1 régulent l'expression de la protéine MCT2 par un mécanisme commun impliquant probablement la voie Akt/PKB et l'activation de la traduction via mTOR. En conclusion, considérant l'implication de la NA, de l'insuline et de I`IGF-1 dans la plasticité synaptique, le contrôle traductionnel étroit exercé par ces substances sur l'expression de MCT2 pourrait être un moyen d'alimenter en substrats énergétiques autres que le glucose les synapses activées et également d'adapter l'approvisionnement en substrats énergétiques au niveau d'activité. Résumé « grand public » Le cerveau est un organe qui réalise des tâches complexes nécessitant un apport important en énergie. La principale source d'énergie du cerveau est le glucose. Bien que le cerveau ne représente que 2% de la masse corporelle, il consomme à lui seul plus de 25% du glucose et 20% de l'oxygène provenant de la circulation sanguine. La nécessité d'un tel apport en énergie réside dans la nature -même du fonctionnement des milliards de neurones qui utilisent des signaux électriques et chimiques pour communiquer entre eux. Hormis l'utilisation massive du glucose comme source d'énergie, le cerveau est capable de consommer d'autres substrats énergétiques dans certaines conditions physiologiques ou pathologiques. Les monocarboxylates (lactate, pyruvate et corps cétoniques) font partie de ces autres sources d'énergie. Contrairement au glucose, les monocarboxylates ne diffusent pas facilement de la circulation sanguine vers les neurones. Afin de pouvoir être consommés par les neurones, ils doivent être transportés par un système adapté. Ce sont des transporteurs appelés transporteurs aux monocarboxylates ou MCT qui permettent le passage de ces substrats énergétiques du sang vers les neurones. Le but de ce travail de thèse a été de comprendre comment est régulée l'expression de MCT2, l'un de ces transporteurs exprimé spécifiquement à la surface des neurones. Cette étude nous a permis de mettre en évidence que le neurotransmetteur noradrénaline ainsi que les hormones insuline et IGF-1 (insulinlike growth factor-1) sont capables d'induire une augmentation d'expression de MCT2 à la surface des neurones en culture. Nous avons ensuite voulu déterminer par quels mécanismes de signalisation ces substances agissent sur l'expression de MCT2. Nous avons pu observer que la surexpression de la protéine MCT2 est due à une augmentation d'activité traductionnelle (la traduction étant une des étapes qui permet la synthèse des protéines) induite par le biais d'une voie de signalisation particulière. En conclusion, lorsque la noradrénaline, l'insuline ou 17GF-1 agissent sur les neurones, la traduction de la protéine MCT2 est activée et on observe une augmentation de l'expression de MCT2. Ce mécanisme pourrait permettre d'augmenter l'apport énergétique au niveau des neurones en augmentant le nombre de transporteurs pour les substrats énergétiques que sont les monocarboxylates. D'un point de vue physiologique, cette régulation d'expression pourrait jouer un rôle primordial dans des situations d'apprentissage et de mémorisation. Sur le plan pathologique, cela pourrait permettre de prévenir les dommages causes aux neurones dans certains cas d'atteintes cérébrales.

Introduction aux réseaux neuronaux : de la synapse à la psyché

TABLE DES MATIERES - Préface - Avant-propos - Architecture des réseaux neuronaux - Développement des réseaux neuronaux du système nerveux central - Microcircuits, plasticité et computation - Réseaux neuronaux en fonctionnement - Vulnérabilité des réseaux neuronaux biologiques et artificiels - Conclusion générale - Glossaire - Bibliographie - Index des notions - Index des noms

Functional MRI Mapping of the Human Auditory Cortex

Mapping the human auditory cortex with standard functional imaging techniques is difficult because of its small size and angular position along the Sylvian fissure. As a result, the exact number and location of auditory cortex areas in the human remains unknown. In a first experiment, we measured the two largest tonotopic areas of primary auditory cortex (PAC, Al and R) using high-resolution functional MRI at 7 Tesla relative to the underlying anatomy of Heschl's gyrus (HG). The data reveals a clear anatomical- functional relationship that indicates the location of PAC across the range of common morphological variants of HG (single gyri, partial duplication and complete duplication). Human PAC tonotopic areas are oriented along an oblique posterior-to-anterior axis with mirror-symmetric frequency gradients perpendicular to HG, as in the macaque. In a second experiment, we tested whether these primary frequency-tuned units were modulated by selective attention to preferred vs. non-preferred sound frequencies in the dynamic manner needed to account for human listening abilities in noisy environments, such as cocktail parties or busy streets. We used a dual-stream selective attention experiment where subjects attended to one of two competing tonal streams presented simultaneously to different ears. Attention to low-frequency tones (250 Hz) enhanced neural responses within low-frequency-tuned voxels relative to high (4000 Hz), and vice versa when at-tention switched from high to low. Human PAC is able to tune into attended frequency channels and can switch frequencies on demand, like a radio. In a third experiment, we investigated repetition suppression effects to environmental sounds within primary and non-primary early-stage auditory areas, identified with the tonotopic mapping design. Repeated presentations of sounds from the same sources, as compared to different sources, gave repetition suppression effects within posterior and medial non-primary areas of the right hemisphere, reflecting their potential involvement in semantic representations. These three studies were conducted at 7 Tesla with high-resolution imaging. However, 7 Tesla scanners are, for the moment, not yet used for clinical diagnosis and mostly reside in institutions external to hospitals. Thus, hospital-based clinical functional and structural studies are mainly performed using lower field systems (1.5 or 3 Tesla). In a fourth experiment, we acquired tonotopic maps at 3 and 7 Tesla and evaluated the consistency of a tonotopic mapping paradigm between scanners. Mirror-symmetric gradients within PAC were highly similar at 7 and 3 Tesla across renderings at different spatial resolutions. We concluded that the tonotopic mapping paradigm is robust and suitable for definition of primary tonotopic areas, also at 3 Tesla. Finally, in a fifth study, we considered whether focal brain lesions alter tonotopic representations in the intact ipsi- and contralesional primary auditory cortex in three patients with hemispheric or cerebellar lesions, without and with auditory complaints. We found evidence for tonotopic reorganisation at the level of the primary auditory cortex in cases of brain lesions independently of auditory complaints. Overall, these results reflect a certain degree of plasticity within primary auditory cortex in different populations of subjects, assessed at different field strengths. - La cartographie du cortex auditif chez l'humain est difficile à réaliser avec des techniques d'imagerie fonctionnelle standard, étant donné sa petite taille et position angulaire le long de la fissure sylvienne. En conséquence, le nombre et l'emplacement exacts des différentes aires du cortex auditif restent inconnus chez l'homme. Lors d'une première expérience, nous avons mesuré, avec de l'imagerie par résonance magnétique à haute intensité (IRMf à 7 Tesla) chez des sujets humains sains, deux larges aires au sein du cortex auditif primaire (PAC; Al et R) avec une représentation spécifique des fréquences pures préférées - ou tonotopie. Nos résultats ont démontré une relation anatomico- fonctionnelle qui définit clairement la position du PAC à travers toutes les variantes du gyrus d'Heschl's (HG). Les aires tonotopiques du PAC humain sont orientées le long d'un axe postéro-antérieur oblique avec des gradients de fréquences spécifiques perpendiculaires à HG, d'une manière similaire à celles mesurées chez le singe. Dans une deuxième expérience, nous avons testé si ces aires primaires pouvaient être modulées, de façon dynamique, par une attention sélective pour des fréquences préférées par rapport à celles non-préférées. Cette modulation est primordiale lors d'interactions sociales chez l'humain en présence de bruits distracteurs tels que d'autres discussions ou un environnement sonore nuisible (comme par exemple, dans la circulation routière). Dans cette étude, nous avons utilisé une expérience d'attention sélective où le sujet devait être attentif à une des deux voies sonores présentées simultanément à chaque oreille. Lorsque le sujet portait était attentif aux sons de basses fréquences (250 Hz), la réponse neuronale relative à ces fréquences augmentait par rapport à celle des hautes fréquences (4000 Hz), et vice versa lorsque l'attention passait des hautes aux basses fréquences. De ce fait, nous pouvons dire que PAC est capable de focaliser sur la fréquence attendue et de changer de canal selon la demande, comme une radio. Lors d'une troisième expérience, nous avons étudié les effets de suppression due à la répétition de sons environnementaux dans les aires auditives primaires et non-primaires, d'abord identifiées via le protocole de la première étude. La présentation répétée de sons provenant de la même source sonore, par rapport à de sons de différentes sources sonores, a induit un effet de suppression dans les aires postérieures et médiales auditives non-primaires de l'hémisphère droite, reflétant une implication de ces aires dans la représentation de la catégorie sémantique. Ces trois études ont été réalisées avec de l'imagerie à haute résolution à 7 Tesla. Cependant, les scanners 7 Tesla ne sont pour le moment utilisés que pour de la recherche fondamentale, principalement dans des institutions externes, parfois proches du patient mais pas directement à son chevet. L'imagerie fonctionnelle et structurelle clinique se fait actuellement principalement avec des infrastructures cliniques à 1.5 ou 3 Tesla. Dans le cadre dune quatrième expérience, nous avons avons évalués la cohérence du paradigme de cartographie tonotopique à travers différents scanners (3 et 7 Tesla) chez les mêmes sujets. Nos résultats démontrent des gradients de fréquences définissant PAC très similaires à 3 et 7 Tesla. De ce fait, notre paradigme de définition des aires primaires auditives est robuste et applicable cliniquement. Finalement, nous avons évalués l'impact de lésions focales sur les représentations tonotopiques des aires auditives primaires des hémisphères intactes contralésionales et ipsilésionales chez trois patients avec des lésions hémisphériques ou cérébélleuses avec ou sans plaintes auditives. Nous avons trouvé l'évidence d'une certaine réorganisation des représentations topographiques au niveau de PAC dans le cas de lésions cérébrales indépendamment des plaintes auditives. En conclusion, nos résultats démontrent une certaine plasticité du cortex auditif primaire avec différentes populations de sujets et différents champs magnétiques.

Genetic and environmental effects on early life-history traits in salmonids

Les changements environnementaux, tels la température ou les maladies infectieuses, peuvent influencer l'évolution en induisant de la sélection, mais ceci à la seule condition qu'il y ait assez de diversité génétique pour les traits en question ou pour l'expression plastique de ces traits. Au cours cette thèse, nous avons étudié l'effet de potentielles pressions environnementales sur différents phénotypes de trois représentants des sous familles des salmonidés: l'ombre commun (Thymallus thymallus; Thymallinae), la truite de rivière {Salmo trutta; Salmoninae) et le corégone Coregonus palaea (Coregoninae). Les salmonidés se prêtent particulièrement bien à ce type d'expériences car étant hautement sensibles aux conditions environnementales, ils montrent une large variabilité dans leurs traits morphologiques, comportementaux ainsi que d'histoire de vie, tout en bénéficiant d'un large intérêt général. Nous avons testé si le sexe de l'ombre commun pouvait être modifié par la température, ce qui pourrait ainsi expliquer un changement abrupte de sex ratio observé dans l'une des plus grandes populations de Suisse. Nous n'avons trouvé aucun indice permettant de conclure que la température puisse induire ce changement chez l'ombre commun ou chez la truite de rivière. De plus nous avons étudié la plasticité de développement ainsi que d'éclosion, et avons observé des différences entre familles ainsi qu'entre populations. Alors que ces différences comportementales entre populations suggéraient une adaptation aux conditions environnementales locales, cette prédiction n'a pas été confirmée par une expérience de transplantation réciproque d'embryons entre cinq rivières de la même région. Cette étude a montré que les embryons ne survivaient pas mieux dans leur rivière d'origine, indiquant donc une absence d'adaptation locale. Nous avons aussi montré que la mortalité embryonnaire était influencée autant par des "bons gènes" que par des "gènes compatibles", que la qualité des mâles pouvait être signalée par leur coloration, et que le fait d'élever des poissons dans une pisciculture pouvait aboutir a des relations contre-intuitives entre la coloration des mâles et la qualité de leur jeunes. Nos résultats contribuent ainsi à une meilleure compréhension de l'effet de diverses pressions environnementales sur la morphologie, le comportement ou les traits d'histoire de vie chez les salmonidés. - Environmental changes, such as changes in temperatures or infection levels, can induce selection and drive evolution if there is sufficient genetic variation for the traits or the plasticity in trait expression. In this thesis, we investigated the influence of potential environmental stressors on various phenotypes in representatives of the three salmonid subfamilies: the European grayling (Thymallus thymallus; Thymallinae), the brown trout (,Salmo trutta; Salmoninae), and the whitefish Coregonus palaea (Coregoninae). Salmonids are ideal study species, as they seem sensitive to changing environmental conditions, show considerable variability in morphological, behavioral, and life history traits, and are of broad public interest. We investigated whether temperature-induced sex reversal could explain the sex-ratio distortion found in one of Switzerland's largest grayling populations. We found no evidence of temperature-induced sex reversal in either graylings or brown trout. We also examined plasticity in embryo development and the timing of hatching. We found variation at the level of family and population. Although behavioral differences between populations suggested adaptation to local environmental conditions, no indications of local adaptation could be found in reciprocal transplant experiments carried out over five rivers in the same region. We also demonstrate that embryo development and viability is influenced by 'good genes' and 'compatible genes', that the genetic quality of sires can be signaled by their grey coloration, and that raising larvae in a hatchery environment can produce counter-intuitive relationships between male phenotypes and offspring viability. Our results contribute to the understanding of how changing environmental conditions affect the phenotypes and the heritability of early life-history traits in salmonids.

Lymph node stromal cells in homeostasis and immune response

Summary : Antigen-specific T lymphocytes constantly patrol the body to search for invading pathogens. Given the large external and internal body surfaces that need to be surveyed, a sophisticated strategy is necessary to facilitate encounters between T cells and pathogens. Dendritic cells present at all body surfaces are specialized in capturing pathogens and bringing them to T zones of secondary lymphoid organs, such as the lymph nodes and the spleen. Here, dendritic cells present antigenic fragments and activate the rare antigen-specific T lymphocytes. This induction of an immune response is facilitated in multiple ways by a dense network of poorly characterized stromal cells, termed fibroblastic reticular cells (FRCs). They constitutively produce the chemokines CCL21 and CCL19, which attract naïve T cells and dendritic cells into the T zone. Further, they provide an adhesion scaffold for dendritic cells and a migration scaffold for naïve T cells, allowing efficient screening of dendritic cell by thousands of T cells. FRCs also form a system of microchannels (conduits) that allows rapid transport of antigen or cytokines from the subcapsular sinus to the T zone. We characterized lymph node FRCS by flow cytometry, immunofluorescence microscopy, real time PCR and functional assays and could show that FRCs are a unique type of myofibroblasts which produce the T cell survival factor IL-7. This function was shown to be critically involved in regulating the size of the peripheral T cell pool and further demonstrates the importance of FRCs in maintaining immunocompetence. As we observed that some dendritic cells also express the receptor for IL-7, we expected a similar function of IL-7 in their survival. Surprisingly, we found no role for IL-7 in their survival but in their development. Analysis of hematopoietic precursors suggested that part of the dendritic cell pool develops out of an IL-7 dependent precursor, which maybe shared with lymphocytes. During the induction of an immune response, lymph node homeostasis is drastically altered when the lymph node expands several-fold in size to accommodate many more lymphocytes. Here, we describe that this expansion of the T zone is accompanied by the activation and proliferation of FRCs thereby preserving T zone architecture and function. This expansion of the FRC network is regulated by antigen-independent and -dependent events. It demonstrates the incredible plasticity of this organ allowing clonal expansion of antigen-specific lymphocytes. Résumé : Les lymphocytes T, spécifiques pour un antigène particulier, patrouillent constamment le corps à la recherche de l'invasion de pathogène. A cause des grandes surfaces externes et internes du corps, une stratégie sophistiquée est nécessaire afin de faciliter les rencontres entre les cellules T et les agents pathogènes. Les cellules dendritiques présentes dans toutes les surfaces du corps sont spécialisées dans la capture des agents pathogènes et dans le transport vers les zones T des organes lymphoïdes secondaires, comme les ganglions lymphatiques et la rate. Dans ces organes, les cellules dendritiques présentent les fragments antigéniques et activent les lymphocytes T rares. L'induction de cette réponse immunitaire est facilitée de différentes manières par un réseau dense de cellules strornales mal caractérisé, appelées 'fibroblastic reticular tells' (FRCs). FRCs produisent constitutivement les chimiokines CCL21 et CCL19, qui attirent les lymphocytes T naïfs et les cellules dendritiques vers la zone T. En outre, elles donnent une base d'adhérence pour les cellules dendritiques et elles attirent les cellules T naïves vers les cellules dendritiques. Les FRCs forment des petits canaux (ou conduits) qui permettent le transport rapide d'antigènes solubles ou de cytokines vers la zone T. Nous avons caractérisé les FRCs par cytométrie en flux, immunofluorescence et par PCR en temps réel et nous avons démontré que les FRCs sont un type unique de rnyofibroblastes qui produisent un facteur de survie des cellules T, l'Interleukine-7. Il a été démontré que cette fonction est cruciale afin d'augmenter la taille et la diversité du répertoire de cellules T, et ainsi, maintenir l'immunocompétence. Comme nous avons observé que certaines cellules dendritiques expriment également le récepteur de l'IL-7, nous avons testé une fonction similaire dans leur survie. Étonnamment, nous n'avons pas trouvé de rôle pour l'IL-7 dans leur survie, mais dans leur développement. L'analyse des précurseurs hématopoïétiques a suggéré qu'une fraction des cellules dendritiques se développe à partir des précurseurs dépendants de l'IL-7, qui sont probablement partagés avec les lymphocytes. Au cours de l'induction d'une réponse immunitaire, l'homéostasie du ganglion lymphatique est considérablement modifiée. En effet, sa taille augmente considérablement afin d'accueillir un plus grand nombre de lymphocytes. Nous décrivons ici que cet élargissement de la zone T est accompagné par l'activation et 1a prolifération des FRCs, préservant l'architecture et la fonction de la zone T. Cette expansion du réseau des FRCs est régie par des évènements à la fois dépendants et indépendants de l'antigène. Cela montre l'incroyable plasticité de cet organe qui permet l'expansion clonale des lymphocytes T spécifiques.

Neuroplasticity of inhibitory control

Executive control refers to a set of abilities enabling us to plan, control and implement our behavior to rapidly and flexibly adapt to environmental requirements. These adaptations notably involve the suppression of intended or ongoing cognitive or motor processes, a skill referred to as "inhibitory control". To implement efficient executive control of behavior, one must monitor our performance following errors to adjust our behavior accordingly. Deficits in inhibitory control have been associated with the emergènce of a wide range of psychiatric disorders, ranging from drug addiction to attention deficit/hyperactivity disorders. Inhibitory control deficits could, however, be remediated- The brain has indeed the amazing possibility to reorganize following training to allow for behavioral improvements. This mechanism is referred to as neural and behavioral plasticity. Here, our aim is to investigate training-induced plasticity in inhibitory control and propose a model of inhibitory control explaining the spatio- temporal brain mechanisms supporting inhibitory control processes and their plasticity. In the two studies entitled "Brain dynamics underlying training-induced improvement in suppressing inappropriate action" (Manuel et al., 2010) and "Training-induced neuroplastic reinforcement óf top-down inhibitory control" (Manuel et al., 2012c), we investigated the neurophysiological and behavioral changes induced by inhibitory control training with two different tasks and populations of healthy participants. We report that different inhibitory control training developed either automatic/bottom-up inhibition in parietal areas or reinforced controlled/top-down inhibitory control in frontal brain regions. We discuss the results of both studies in the light of a model of fronto-basal inhibition processes. In "Spatio-temporal brain dynamics mediating post-error behavioral adjustments" (Manuel et al., 2012a), we investigated how error detection modulates the processing of following stimuli and in turn impact behavior. We showed that during early integration of stimuli, the activity of prefrontal and parietal areas is modulated according to previous performance and impacts the post-error behavioral adjustments. We discuss these results in terms of a shift from an automatic to a controlled form of inhibition induced by the detection of errors, which in turn influenced response speed. In "Inter- and intra-hemispheric dissociations in ideomotor apraxia: a large-scale lesion- symptom mapping study in subacute brain-damaged patients" (Manuel et al., 2012b), we investigated ideomotor apraxia, a deficit in performing pantomime gestures of object use, and identified the anatomical correlates of distinct ideomotor apraxia error types in 150 subacute brain-damaged patients. Our results reveal a left intra-hemispheric dissociation for different pantomime error types, but with an unspecific role for inferior frontal areas. Les fonctions exécutives désignent un ensemble de processus nous permettant de planifier et contrôler notre comportement afin de nous adapter de manière rapide et flexible à l'environnement. L'une des manières de s'adapter consiste à arrêter un processus cognitif ou moteur en cours ; le contrôle de l'inhibition. Afin que le contrôle exécutif soit optimal il est nécessaire d'ajuster notre comportement après avoir fait des erreurs. Les déficits du contrôle de l'inhibition sont à l'origine de divers troubles psychiatriques tels que l'addiction à la drogue ou les déficits d'attention et d'hyperactivité. De tels déficits pourraient être réhabilités. En effet, le cerveau a l'incroyable capacité de se réorganiser après un entraînement et ainsi engendrer des améliorations comportementales. Ce mécanisme s'appelle la plasticité neuronale et comportementale. Ici, notre but èst d'étudier la plasticité du contrôle de l'inhibition après un bref entraînement et de proposer un modèle du contrôle de l'inhibition qui permette d'expliquer les mécanismes cérébraux spatiaux-temporels sous-tendant l'amélioration du contrôle de l'inhibition et de leur plasticité. Dans les deux études intitulées "Brain dynamics underlying training-induced improvement in suppressing inappropriate action" (Manuel et al., 2010) et "Training-induced neuroplastic reinforcement of top-down inhibitory control" (Manuel et al., 2012c), nous nous sommes intéressés aux changements neurophysiologiques et comportementaux liés à un entraînement du contrôle de l'inhibition. Pour ce faire, nous avons étudié l'inhibition à l'aide de deux différentes tâches et deux populations de sujets sains. Nous avons démontré que différents entraînements pouvaient soit développer une inhibition automatique/bottom-up dans les aires pariétales soit renforcer une inhibition contrôlée/top-down dans les aires frontales. Nous discutons ces résultats dans le contexte du modèle fronto-basal du contrôle de l'inhibition. Dans "Spatio-temporal brain dynamics mediating post-error behavioral adjustments" (Manuel et al., 2012a), nous avons investigué comment la détection d'erreurs influençait le traitement du prochain stimulus et comment elle agissait sur le comportement post-erreur. Nous avons montré que pendant l'intégration précoce des stimuli, l'activité des aires préfrontales et pariétales était modulée en fonction de la performance précédente et avait un impact sur les ajustements post-erreur. Nous proposons que la détection d'erreur ait induit un « shift » d'un mode d'inhibition automatique à un mode contrôlé qui a à son tour influencé le temps de réponse. Dans "Inter- and intra-hemispheric dissociations in ideomotor apraxia: a large-scale lesion-symptom mapping study in subacute brain-damaged patients" (Manuel et al., 2012b), nous avons examiné l'apraxie idémotrice, une incapacité à exécuter des gestes d'utilisation d'objets, chez 150 patients cérébro-lésés. Nous avons mis en avant une dissociation intra-hémisphérique pour différents types d'erreurs avec un rôle non spécifique pour les aires frontales inférieures.

Highly parallel genetic approaches in Mendelian and complex diseases

The recent advance in high-throughput sequencing and genotyping protocols allows rapid investigation of Mendelian and complex diseases on a scale not previously been possible. In my thesis research I took advantage of these modern techniques to study retinitis pigmentosa (RP), a rare inherited disease characterized by progressive loss of photoreceptors and leading to blindness; and hypertension, a common condition affecting 30% of the adult population. Firstly, I compared the performance of different next generation sequencing (NGS) platforms in the sequencing of the RP-linked gene PRPF31. The gene contained a mutation in an intronic repetitive element, which presented difficulties for both classic sequencing methods and NGS. We showed that all NGS platforms are powerful tools to identify rare and common DNA variants, also in case of more complex sequences. Moreover, we evaluated the features of different NGS platforms that are important in re-sequencing projects. The main focus of my thesis was then to investigate the involvement of pre-mRNA splicing factors in autosomal dominant RP (adRP). I screened 5 candidate genes in a large cohort of patients by using long-range PCR as enrichment step, followed by NGS. We tested two different approaches: in one, all target PCRs from all patients were pooled and sequenced as a single DNA library; in the other, PCRs from each patient were separated within the pool by DNA barcodes. The first solution was more cost-effective, while the second one allowed obtaining faster and more accurate results, but overall they both proved to be effective strategies for gene screenings in many samples. We could in fact identify novel missense mutations in the SNRNP200 gene, encoding an essential RNA helicase for splicing catalysis. Interestingly, one of these mutations showed incomplete penetrance in one family with adRP. Thus, we started to study the possible molecular causes underlying phenotypic differences between asymptomatic and affected members of this family. For the study of hypertension, I joined a European consortium to perform genome-wide association studies (GWAS). Thanks to the use of very informative genotyping arrays and of phenotipically well-characterized cohorts, we could identify a novel susceptibility locus for hypertension in the promoter region of the endothelial nitric oxide synthase gene (NOS3). Moreover, we have proven the direct causality of the associated SNP using three different methods: 1) targeted resequencing, 2) luciferase assay, and 3) population study. - Le récent progrès dans le Séquençage à haut Débit et les protocoles de génotypage a permis une plus vaste et rapide étude des maladies mendéliennes et multifactorielles à une échelle encore jamais atteinte. Durant ma thèse de recherche, j'ai utilisé ces nouvelles techniques de séquençage afin d'étudier la retinite pigmentale (RP), une maladie héréditaire rare caractérisée par une perte progressive des photorécepteurs de l'oeil qui entraine la cécité; et l'hypertension, une maladie commune touchant 30% de la population adulte. Tout d'abord, j'ai effectué une comparaison des performances de différentes plateformes de séquençage NGS (Next Generation Sequencing) lors du séquençage de PRPF31, un gène lié à RP. Ce gène contenait une mutation dans un élément répétable intronique, qui présentait des difficultés de séquençage avec la méthode classique et les NGS. Nous avons montré que les plateformes de NGS analysées sont des outils très puissants pour identifier des variations de l'ADN rares ou communes et aussi dans le cas de séquences complexes. De plus, nous avons exploré les caractéristiques des différentes plateformes NGS qui sont importantes dans les projets de re-séquençage. L'objectif principal de ma thèse a été ensuite d'examiner l'effet des facteurs d'épissage de pre-ARNm dans une forme autosomale dominante de RP (adRP). Un screening de 5 gènes candidats issus d'une large cohorte de patients a été effectué en utilisant la long-range PCR comme étape d'enrichissement, suivie par séquençage avec NGS. Nous avons testé deux approches différentes : dans la première, toutes les cibles PCRs de tous les patients ont été regroupées et séquencées comme une bibliothèque d'ADN unique; dans la seconde, les PCRs de chaque patient ont été séparées par code barres d'ADN. La première solution a été la plus économique, tandis que la seconde a permis d'obtenir des résultats plus rapides et précis. Dans l'ensemble, ces deux stratégies se sont démontrées efficaces pour le screening de gènes issus de divers échantillons. Nous avons pu identifier des nouvelles mutations faux-sens dans le gène SNRNP200, une hélicase ayant une fonction essentielle dans l'épissage. Il est intéressant de noter qu'une des ces mutations montre une pénétrance incomplète dans une famille atteinte d'adRP. Ainsi, nous avons commencé une étude sur les causes moléculaires entrainant des différences phénotypiques entre membres affectés et asymptomatiques de cette famille. Lors de l'étude de l'hypertension, j'ai rejoint un consortium européen pour réaliser une étude d'association Pangénomique ou genome-wide association study Grâce à l'utilisation de tableaux de génotypage très informatifs et de cohortes extrêmement bien caractérisées au niveau phénotypique, un nouveau locus lié à l'hypertension a été identifié dans la région promotrice du gène endothélial nitric oxide sinthase (NOS3). Par ailleurs, nous avons prouvé la cause directe du SNP associé au moyen de trois méthodes différentes: i) en reséquençant la cible avec NGS, ii) avec des essais à la luciférase et iii) une étude de population.