Dissertations / Theses: 'Optogénétique'

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Begue, Aurélien. "Optogénétique bi-photonique." Thesis, Paris 5, 2012. http://www.theses.fr/2012PA05T060.

Abstract:

En complément aux méthodes traditionnelles d’observation et de stimulation en neuroscience, l’optogénétique, combinant l’expression ciblée de protéines photosensibles dans les neurones et l’utilisation de nouvelles techniques de microscopies, a connu un essor important ces dernières années. Ce nouveau procédé permet d’enregistrer de manière non invasive les signaux fonctionnels de circuits intacts tels que les changements de potentiel de membrane ou de concentration intracellulaire de calcium mais également de moduler l’excitabilité des neurones. Pour illuminer ces protéines photosensibles, de nouvelles méthodes de microscopie ont été développées. En particulier, afin d’obtenir une résolution spatiale optimale au sein d’un tissu biologique, il devient nécessaire d’utiliser l’illumination bi-photonique et d’utiliser des techniques permettant la mise en forme du faisceau lumineux pour s’adapter à la morphologie des circuits ou même des neurones étudiés.Au cours de ma thèse, j’ai développé une combinaison de méthodes optiques (associant le contraste de phase généralisé avec la focalisation temporelle) afin d’activer le canal cationique channelrhodopsin-2 en excitation bi-photonique. Ce travail a démontré, pour la première fois, l’activation simultanée de potentiels d’action dans plusieurs cellules tout en conservant une résolution axiale à l’échelle cellulaire (~10 μm).La mise en forme du faisceau lumineux semble très avantageuse pour améliorer la spécificité de l’activation. Il restait à démontrer que les faisceaux ainsi modulés conservaient leur intégrité spatiale en se propageant à l’intérieur de tissus biologiques diffusants. J’ai donc étudié la propagation de faisceaux lasers modulés par les techniques du contraste de phase généralisé et de l’holographie numérique en combinaison avec la focalisation temporelle. L’utilisation de la focalisation temporelle permet aux volumes d’excitation de rester confinés sur l’axe de propagation comme observé précédemment, mais aussi de reconstruire un profil d’excitation en profondeur dans le tissu, qui correspond au profile généré sans milieu diffusant. Cet effet est plus important pour le contraste de phase généralisé que pour l’holographie numérique et se dégrade en fonction de la profondeur à laquelle l’activation a lieu. J’ai démontré pour la première fois, l’activation en profondeur (> 200 μm) de neurones grâces à ces méthodes.Enfin, j’ai testé les mêmes techniques d’illumination sur d’autres protéines photosensibles, telles que la C1V1 et l’halorhodopsin. Après avoir établi les spectres d’activation afin de trouver la longueur d’onde optimale pour l’activation bi-photonique, j’ai exprimé ces protéines dans des tranches de cerveaux. Les deux protéines requièrent une activation à 1040 nm à la limite du laser Ti:Sapphire utilisé dans de nombreux laboratoires biologiques. La C1V1 a généré des courants similaires à la ChR2 en terme d’amplitude tout en conservant la lente cinétique de fermeture caractéristique de ce canal. L’halorhodopsin, quant à elle, reste difficile à activer avec de faibles courants et ne permet pas une inhibition sélective de trains de potentiels d’action. Ce problème est probablement dû à un faible taux d’expression observé dans les neurones étudiés et serait peut-être résolu en changeant de construction virale Optogenetics relies on the genetically targeted expression of light sensitive proteins in specific cell populations. This novel field has had a large impact in neuroscience, allowing both monitoring and stimulating the activity of specific neuronal populations, in intact brain preparations. Optogenetic tools have been used to record functional signals, such as changes in membrane potential or intracellular calcium concentration, as well as to modulate the excitability of neurons. To fully exploit the potentiality of optogenetics, new microscopy techniques have been developed to optimize illumination of photo-active compounds in situ. In particular, an important effort has been directed towards improving the spatial and temporal resolution of light stimulation, in order to match the dynamics of physiological processes. In this frame, the use of two-photon excitation becomes necessary to ensure penetration of light in scattering biological tissues, as well as confining the excitation volume and improve the specificity of illumination. My thesis was dedicated to the development and use of advanced optical methods for two-photon excitation of optogenetic tools. In a first project, we combined optical approaches (generalized phase contrast and temporal focusing) to perform two-photon activation of neurons expressing the light-sensitive cationic channel channelrhodopsin-2 (ChR2). Our work demonstrated for the first time the simultaneous generation of action potentials in multiple neurons, while maintaining a micrometric axial and lateral resolution. These results pointed out the advantages of light sculpting to increase both the specificity and the flexibility of photo-stimulation.In order to investigate the potential of this technique for efficient in-depth stimulation, we therefore studied the propagation through scattering biological media of laser beams generated by two different light patterning techniques, generalized phase contrast and digital holography in combination with temporal focusing. We demonstrated that temporal focusing enabled the excitation volumes to maintain micrometric axial confinement, as well as to maintain well defined patterns deep inside tissues. We also demonstrated for the first time the activation of ChR2 at depth over 200 μm.Finally, the last part of my PhD was focused on testing light patterning methods for the activation of two other photosensitive proteins, the excitatory channel C1V1 and the inhibitory pump, halorhodopsin

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Shen, Weida. "Modulation optogénétique de la gliotransmission." Thesis, Sorbonne Paris Cité, 2017. http://www.theses.fr/2017USPCB021.

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Abstract:

Gliotransmitters dérivés de l'astrocyte glutamate et l'ATP modulent l'activité neuronale. Cependant, il reste à savoir comment les astrocytes contrôlent la libération et coordonnent les actions de ces gliotransmetteurs. Dans la première partie de ma thèse, en utilisant l'expression transgénique de la canalrhodopsine 2 (ChR2) sensible à la lumière dans les astrocytes, nous avons observé que la photostimulation augmentait de manière fiable le potentiel d'action des neurones pyramidaux de l'hippocampe. Cette excitation repose principalement sur une libération de glutamate dépendant du Ca2+ par les astrocytes qui active les NMDR neuronaux extrasynaptiques. Remarquablement, nos résultats montrent que l'augmentation de Ca2+ induite par ChR2 et la libération ultérieure de glutamate sont amplifiées par l'activation autocrine induite par l'ATP/ADP des récepteurs P2Y1 sur les astrocytes. Ainsi, l'excitation neuronale est favorisée par une action synergique de la signalisation glutamatergique et purinergique autocrine dans les astrocytes. Ce nouveau mécanisme peut être particulièrement pertinent pour les conditions pathologiques dans lesquelles la concentration extracellulaire d'ATP est augmentée et agit comme un signal de danger majeur. Dans la seconde partie de ma thèse, nous rapportons que la photostimulation sélective des astrocytes ChR2 dans le gyrus denté facilite la transmission synaptique excitatrice sur les cellules granulaires via l'activation des NMDR pré-synaptiques contenant GluN2B. De plus, nous avons découvert que l'élévation intracellulaire du Ca2+ induite par l'ATP et dérivée de l'ATP contrôlait étroitement la libération du glutamate par les astrocytes au cours de la photostimulation des astrocytes. Nos résultats fournissent des preuves d'une relation étroite entre l'ATP dérivé d'astrocyte et le glutamate Astrocyte-derived gliotransmitters glutamate and ATP modulate neuronal activity. It remains unclear, however, how astrocytes control the release and coordinate the actions of these gliotransmitters. In the first part of my thesis, using transgenic expression of the light-sensitive channelrhodopsin 2 (ChR2) in astrocytes, we observed that photostimulation reliably increases action potential firing of hippocampal pyramidal neurons. This excitation relies primarily on a Ca2+-dependent glutamate release by astrocytes that activates neuronal extra-synaptic NMDRs. Remarkably, our results show that ChR2-induced Ca2+ increase and subsequent glutamate release are amplified by ATP/ADP-mediated autocrine activation of P2Y1 receptors on astrocytes. Thus, neuronal excitation is promoted by a synergistic action of glutamatergic and autocrine purinergic signaling in astrocytes. This new mechanism may be particularly relevant for pathological conditions in which ATP extracellular concentration is increased and acts as a major danger signal. In the second part of my thesis, we report that selective photostimulation ChR2 positive astrocytes in dentate gyrus facilitates excitatory synaptic transmission onto granule cells via the activation of pre-synaptic GluN2B-containing NMDRs. Moreover, we discovered that astrocyte-derived ATP-mediated intracellular Ca2+ elevation tightly controls glutamate release from astrocytes during astrocyte photostimulation. Our results provide evidence for a close relationship between astrocytic-derived ATP and glutamate

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Valon, Léo. "Contrôle Optogénétique de la Polarité Cellulaire." Thesis, Paris, Ecole normale supérieure, 2014. http://www.theses.fr/2014ENSU0008/document.

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Abstract:

Dans cette thèse, nous avons concentré notre étude sur les mécanismes qui génèrent la polarité cellulaire, en particulier dans le cas de la migration cellulaire. Malgré les derniers développements concernant l’observation de l’activité des RhoGTPases, les principes qui dictent la capacité des cellules à coordonner plusieurs modules de signalisation en parallèle ne sont toujours pas compris. L’optogénétique est un outil d’intérêt pour disséquer ces réseaux de signalisation à partir de la création d’une perturbation dont les caractéristiques spatiotemporelles sont contrôlées. Tout d’abord, à partir de la caractérisation des différents processus biophysiques en jeu, nous avons établi les relations quantitatives entre l’illumination et les gradients moléculaires que l’on induit. Nous avons déterminé qu’il est possible de créer des gradients subcellulaires avec une résolution spatiale de l’ordre de 5 μm et temporelle d’environ 3 minutes Ensuite, nous avons utilisé cette approche optogénétique pour contrôler l’activité de Cdc42, Rac1 et RhoA. Nous avons caractérisé les effets subcellulaires de l’activation de ces RhoGTPases en utilisant l’activité de membrane, les changements de forme cellulaire et leurs déplacements comme rapporteurs de la polarisation et de la migration. Nous avons ainsi montré qu’une activation locale de RhoGTPase permet la réorganisation interne des cellules jusqu’à générer un phénotype de migration.Enfin, nous avons caractérisé les effets d’une activation locale de RhoA sur différents acteurs moléculaires comme les points focaux d’adhésion, l’actine et les moteurs moléculaires myosines. Nous avons mesuré alors la dynamique de l’intégration des points focaux dans le cytosquelette et analysé la réponse du réseau d’acto-myosine au cours d’évènements de rétraction.Notre approche optogénétique couple le contrôle d’une perturbation à la mesure de la réponse cellulaire simultanément de manière directe et reproductible. Elle apporte une méthode pour contrôler la polarité cellulaire et une manière de disséquer des réseaux de signalisation à l’échelle subcellulaire In this thesis we focus on the mechanisms that establish cell polarization, particularly during cell migration. Despite latest developments that enable visualization of RhoGTPases activity, the underlying principles dictating the cell’s ability to coordinates multiple signaling modules is still unclear. Optogenetic methods have been recognized as promising tools to dissect these intracellular signaling networks by allowing perturbations to be spatially and temporally controlled. We established the quantitative relationship between illumination patterns and the corresponding gradients of induced signaling activity through the characterization of the biophysical properties of CRY2/CIBN. We determined that it is possible to create subcellular gradients of recruited proteins of different shapes of choice up to spatial resolutions of 5μm and temporal ones of ca. 3 minutes.We applied the aforementioned optogenetic approach as a means to perturb the activity of cdc42, Rac1 and RhoA. We characterized the effects of subcellular activation of those RhoGTPases using membrane activity, cell shape changes and cell displacement as reporters of cell polarization and migration. We show that localized activation of RhoGTPases can trigger cellular organization and drive the cell into a migrating state.We also characterized the effects of local activation of RhoA on different cellular effectors as focal adhesion complexes, actin filaments and myosin molecular motors. We measured the dynamics of the newly formed focal adhesion complexes and the acto-myosin complex during retraction events.Altogether, our optogenetic methodology enables simultaneous measurement of the imposed perturbation and the cell response in a straightforward and reproducible way. It provides a quantitative way to control cell polarity and a step forward in the dissection of subcellular signaling networks

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Verdier, Antonin. "Vers un implant optogénétique cortical pour la restauration auditive." Electronic Thesis or Diss., Sorbonne université, 2024. https://accesdistant.sorbonne-universite.fr/login?url=https://theses-intra.sorbonne-universite.fr/2024SORUS180.pdf.

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Abstract:

La réhabilitation sensorielle revêt un intérêt crucial en neurosciences. La recherche en audition fut pionnière dans ce domaine grâce à l'implant cochléaire. Cet appareil agit comme un substitut de la cochlée en mimant la transformation précoce de l'information auditive. Malgré cela, si la qualité de vie des patients augmente, l'audition n'est pas parfaitement restaurée. Ce manuscrit propose une nouvelle approche à la restauration auditive via la stimulation optogénétique corticale.Comme toute neuroprothèse, une prothèse auditive requiert le développement d'un système d'encodage de l'information, pour transformer les sons naturels en stimulations corticales pertinentes. Dans une étude préclinique, nous comparons deux modèles d'encodages : l'un s'appuyant sur des caractéristiques connues du cortex auditif et l'autre, plus abstrait, reposant sur les capacités de compression et de réduction de dimensions propres au deep learning. Cette approche d'encodage encore inexplorée permet d'inclure des contraintes à la fois techniques et biologiques.Nous avons entraîné des souris transgéniques exprimant le ChR2 dans les neurones excitateurs du cortex à discriminer des simulations générées par nos modèles d'encodage jouées sur le cerveau via un vidéoprojecteur. Nous montrons qu'elles peuvent utiliser les motifs extraits des deux modèles pour prendre une décision. Toutefois, en variant la similarité des stimulations, nous avons observé que les stimulations produites par l'autoencodeur étaient plus précises que celles du modèle tonotopique.L'entraînement des souris à cette tâche s'est révélé être difficile, c'est pourquoi nous avons développé une technique pour récompenser les souris pendant ces tâches perceptuelles sans restriction hydrique. Cette méthode de stimulation intracraniale apparaît comme plus efficace sur des tâches complexes, plus flexible pour l'expérimentateur et surtout moins stressante pour l'animal.Nous n'avons pas observé de transfert immédiat entre une stimulation artificielle et un son naturel. Nous avons comparé les représentations neuronales des sons et des réponses optogénétiques en utilisant des électrodes à haute densité chez la souris éveillée via une analyse populationnelle. Nous avons démontré que ces activités ne vivaient pas dans le même sous-espace et identifié plusieurs pistes d'améliorations. Enfin, nous avons proposé de résoudre certaines des limites identifiées via des injections virales néonatales afin d'augmenter la résolution spatiale et le caractère éparse de notre stimulation.Bien qu'un vidéoprojecteur soit utile pour le développement, il n'est pas transférable en clinique. En collaboration avec l'Université de Strathclyde, nous avons donc développé un implant µLED cortical pour des études précliniques. Cet implant flexible et biocompatible reste assez puissant pour la stimulation optogénétique sans augmentation de chaleur. Un algorithme permet l'ajustement instantané des intensités d'illumination pour assurer une reproduction fidèle de la stimulation optogénétique. Nous avons testé cet implant in vivo via enregistrement électrophysiologique et démontré son utilisation dans des tâches comportementales.En résumé, ce travail apporte des premières réponses au problème complexe de la restauration auditive corticale. Nous présentons une nouvelle façon d'encoder des stimuli sensoriels grâce à un modèle de deep learning, démontrons sa performance chez la souris en comportement et explorons ses similarités avec des sons naturels par enregistrements électrophysiologiques. En parallèle, nous avons publié une méthode d'apprentissage novatrice à haute efficacité avec un minimum d'impact sur le bien-être animal. Enfin, nous présentons un implant cortical µLED fonctionnel et évaluons sa capacité à créer des réponses optogénétiques. L'ensemble de ce travail constitue une première validation du concept de l'implant optogénétique cortical et ouvre de nouvelles perspectives de recherche dans le domaine Sensory rehabilitation is of broad and crucial interest in neuroscience. The auditory field quickly became prominent thanks to an early breakthrough: the cochlear implant. This electrical device mimics early auditory processing and acts as a substitute for the cochlea. However, if the quality of life can significantly improve for people responding to the device, it does not restore hearing perfectly for every patient. This manuscript proposes a novel approach to auditory restoration through cortical optogenetic stimulation.Similarly to any neuroprosthetic device, restoring hearing capabilities first requires finding a suitable encoding system to transform information from the environment to meaningful cortical stimulation. In a preclinical feasibility study, we compare two encoding models: one relying on known features of the auditory cortex and one, more abstract, leveraging the compression and dimensionality reduction capabilities of deep learning. This unexplored technique for encoding sensory stimulus allows for the integration of both biological and technical constraints.We trained transgenic mice expressing ChR2 in excitatory neurons of the cortex to discriminate stimulation patterns generated by our encoding models and applied them to the brain with a video projector. We show that mice can use patterns from both models to make behavioural decisions. However, with varying sound similarity, we observed that the artificial perception generated with the autoencoder model was more precise than the tonotopic model.As this training proved challenging for the mouse, we devised a unique paradigm for rewarding mice during these perceptual tasks without relying on any classical deprivation protocol. Based on intracranial stimulation of the medial forebrain bundle, this method was shown to be more efficient on complex tasks, more flexible for the experimenter, and less stressful for the animal.As we did not observe an immediate transfer between artificial and natural sound perception, we compared the neural representations of sounds and optogenetic stimulations using high-density electrophysiology in awake mice and population analysis tools. We demonstrated that optogenetic stimulations produce neural activities that do not live in the same sub-space as sounds and identified critical aspects for improvements. Ultimately, we tried to assess some limitations of our transgenic mice model by using neo-natal viral injections to increase our optogenetic stimulation's spatial resolution and sparseness.While a projector is helpful for proof of concept, it does not translate to actual applications. Therefore, in collaboration with the University of Strathclyde, we developed a µLED cortical implant for preclinical studies. This implant is flexible and biocompatible and provides sufficient illumination for optogenetic stimulation while remaining thermally safe. A computational model allows for online adjustment of the illumination intensity to ensure the best reproduction of the optical stimulation. We extensively tested the device in vivo with electrophysiological recordings in the awake mouse and demonstrated its usability for behavioural experimentations.Altogether, this work provides a rich approach to the complex problem of cortical auditory restoration. We present a novel deep-learning-based sensory encoding model, provide behavioural evidence of its performance in the mouse, and further probe its similarities with natural stimuli through electrophysiological recordings. In parallel, we published a new high-efficiency method for perceptual training of the mouse with a low impact on animal well-being. Finally, we present a fully working µLED cortical implant and assess its performance to elicit optogenetic responses. This work provides a first validation of the optogenetic cortical implant concept and opens new perspectives for future research in this field

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Reyes, Mejia Gina Catalina. "Etudes moléculaires du canal potassique sensible a l'ATP : "gating", pathologie et optogénétique." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016GREAV012/document.

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Abstract:

Les canaux potassiques sensibles à l’ATP (KATP) sont des canaux omniprésents liant excitabilité et énergie cellulaire. Ils fonctionnent en captant le niveau relatif des nucléotides ATP et ADP à l’intérieur des cellules: Les premiers bloquant le canal et les derniers l’activant. De plus le phospholipide phosphatidylinositol4,5-bisphosphate (PIP2) est connu pour être un puissant régulateur des canaux KATP. Ceux-ci sont présents dans la plupart des tissus excitables et sont impliqués dans un grand nombre de fonctions physiologiques. L’objectif de ma thèse consiste à désigner un bloc dépendant de la lumière au niveau de ces KATP, afin de contrôler son activité optiquement tout en gardant ses propriétés natives. Cela a été accompli par la mutation de différents résidus en cystéine. Ce canal KATP complètement dépendant de la lumière, pourrait être utilisé pour réguler les actions de potentiels via la lumière afin de piloter différents aspects d’électrophysiologie cellulaire mais aussi de développer des applications de photo-traitements.J’ai également réalisé la cartographie fonctionnelle des résidus impliqués dans le gating du canal Kir6.2 sous le contrôle de protéines membranaires interagissant avec le domaine N-terminal. Cela a été réalisé par le design d’un canal artificiel Kir6.2 formé par la fusion du C-terminal d’un RCPG avec le N-terminal du canal. Des structures cristallographiques et des caractérisations fonctionnelles des canaux potassiques ont permis de mettre en évidence la présence de deux portes dans les domaines transmembranaires : le filtre de sélectivité et le « gate A » à l’interface cytoplasmique, et le troisième « gate » dans le domaine cytoplasmique du canal Kir connu sous le nom de « G loop gate ». Enfin j’ai caractérisé de mutations dans le gène ABCC9 codant pour SUR2A et associé au syndrome de Cantu (CS). Ces mutations sont localisées dans le domaine transmembranaire 0 (TMD0) de SUR2A, un domaine essentiel dans l’interaction entre Kir6.2 et SUR dans le complexe KATP. Les résultats suggèrent que les deux mutations cause une hyperactivité du canal via 2 mécanismes distincts : (1) Une diminution de la sensibilité de l’ATP affectant la modulation du PIP2, mais qui n’affecte pas l’activation par le Mg-ADP ou (2) aucun effets en réponse à l’ATP ou Mg-ADP, mais une sensibilité accrue au PIP2. Ces découvertes soulignent le rôle essentiel du TMD0 dans la modulation du « gating » de Kir6.2. En particulier, cela démontre qu’il y a un contrôle de la réponse du canal par des effecteurs intracellulaires qui se fixent sur Kir6.2, impliquant des interactions très liées entre Kir6.2 et la région TMD0 ATP-sensitive K+ (KATP) channels are ubiquitous channels designed to couple excitability to cellular energy. They perform this function by sensing the relative levels of the intracellular nucleotides ATP and ADP; with ATP blocking the channel and ADP activating it. Additionally, the phospholipid phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2) is known to be a strong regulator of KATP channels. These channels are present in many excitable tissues and involved in many physiological functions. The aim of this thesis is to design a light dependent block of the KATP channel, in order to control its activity and have it under optical control while at the same time retaining its native properties. This was accomplished by mutating specific residues to cysteines. This light dependent blocked KATP channel, could be used to regulate action potentials with light to tune diverse aspects of cellular electrophysiology and potentially photo-pharmacology treatment. We also performed a functional mapping of the Kir6.2 channel gate(s) under the control of membrane proteins interacting with the N-terminal domain. This was performed by using a unique artificial gate Kir6.2 channel formed by fusing a GPCR C-terminus to the Kir6.2 N terminus. Crystallographic structures and functional characterizations of potassium channels demonstrated the presence of two gates in the transmembrane domains: the selectivity filter and the "A" gate at the cytoplasmic interface, and a third gate in the cytoplasmic domain of Kir channels known as the G loop gate. Unexpectedly, our results demonstrated that several gates could be involved suggesting a concerted mechanism. Finally, we characterized two single-point mutations in the ABCC9 gene encoding SUR2, that are associated with Cantu syndrome (CS). These mutations are localized in transmembrane domain 0 (TMD0) of SUR2A, an essential domain which mediates the interaction between Kir6.2 and SUR within the K-ATP channel complex. Results suggest that the two mutations cause KATP channel hyperactivity through two divergent mechanisms: (1) a decreased sensitivity to ATP inhibition and affecting the modulation by PIP2, and that does not affect activation by Mg-ADP or (2) any effect on the response to ATP and Mg-ADP, but more sensitive to activation by PIP2. These discoveries underline the essential role of TMD0 in the gating modulation of Kir6.2. They demonstrate in particular that it can control the response of the channel to intracellular effectors that bind to Kir6.2, implying tight interactions between Kir6.2 and the TMD0 region

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Froux, Lionel. "Propriétés de la synapse cortico-sous-thalamique : étude optogénétique chez le rongeur." Thesis, Bordeaux, 2014. http://www.theses.fr/2014BORD0208/document.

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Abstract:

Les ganglions de la base (GB) forment un réseau de structures sous-corticales impliquées dans la motricité volontaire, mais aussi dans des aspects plus cognitifs et motivationnels du comportement moteur. La dopamine est un neuromodulateur essentiel au bon fonctionnement de ce réseau. La synapse cortico-sous-thalamique (cortico-NST) est une synapse glutamatergique (excitatrice) transmettant les informations corticales au noyau sous-thalamique (NST), ce qui forme la première partie d’une des trois voies des GB : la voie hyperdirecte. La voie cortico-NST est impliquée dans des tâches de type « go-no-go » (arrêt d’un acte moteur débuté) et dans les effets bénéfiques de la stimulation cérébrale profonde du NST sur les symptômes de la maladie de Parkinson. Cependant, les propriétés des synapses cortico-NST ne sont pas connues. Ce manque d’informations provient, en partie, de l’anatomie particulière de cette voie, qui rend l’étude in vitro de la synapse cortico-NST difficile. L’utilisation de l’optogénétique nous a permis de contourner ce problème. En associant cette technique à l’électrophysiologie sur tranches de cerveaux de rongeur, nous avons mis en évidence un effet inhibiteur des récepteurs dopaminergiques D5 sur la transmission cortico-NST. Nous montrons également que les propriétés de plasticité à court terme de cette synapse lui permettent de réduire l’influence des messages corticaux à haute fréquence sur le NST. Les résultats obtenus au cours de cette thèse montrent que l’optogénétique est un bon moyen d’étudier la synapse cortico-NST in vitro et contribuent à améliorer la compréhension des propriétés de la cette synapse Basal ganglia (BG) are a group of subcortical nuclei involved in action selection and in cognitive and motivational aspects of motor behavior. Dopamine is essential for proper functioning of BG. The cortico-subthalamic (cortico-STN) synapse is a glutamatergic (excitatory) synapse involved in signal transmission from cortex to subthalamic nucleus (STN). The cortico-STN synapse is the first synapse in the hyperdirect pathway, one of the three pathways of BG. Even if the cortico-STN pathway is involved in “go-no-go” tasks (stopping of an already started motor act) and in the beneficial effects of the high frequency stimulation of the STN on Parkinsonian symptoms, properties of the cortico-STN synapse are not well described. The lack of data is due, at least in part, to the specific anatomy of the cortico-STN pathway which does not allow the use of standard methods in vitro. The use of optogenetics allowed us to circumvent this issue. By coupling this approach with electrophysiology on brain slices in rodents, we show that dopaminergic D5 receptors stimulation reduces glutamatergic transmission at cortico-STN synapses. We also show that short-term plasticity properties of this synapse reduce the influence of high frequency cortical inputs on the STN. Our findings indicate that optogenetics enables studying the cortico-STN synapse in vitro and contributes to improving our knowledge of the properties of the synapse

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Laurent, Muriel. "Implication des neurones striatonigraux et striatopallidaux dans l'apprentissage instrumental séquentiel par ciblage optogénétique." Doctoral thesis, Universite Libre de Bruxelles, 2016. http://hdl.handle.net/2013/ULB-DIPOT:oai:dipot.ulb.ac.be:2013/227388.

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Abstract:

Les circuits neuronaux des noyaux de la base sont impliqués dans la planification et la sélection des mouvements, dans des processus motivationnels et de renforcement, mais aussi dans des fonctions plus cognitives telles que les processus d’apprentissages instrumentaux. Le dysfonctionnement de ces noyaux entraîne des troubles moteurs graves, telles les maladies de Parkinson et Huntington, et des pathologies plus psychiatriques, comme les phénomènes de dépendances aux drogues, le syndrome Gilles de la Tourette ou encore les troubles déficitaires de l’attention avec hyperactivité. Le striatum, structure d’entrée du système des noyaux de la base, est composé en large majorité de neurones de projections GABAergiques épineux de taille moyenne (medium spiny neuron, MSN), qui sont subdivisés en deux populations: les neurones striatonigraux et les neurones striatopallidaux. Ces neurones forment des voies fonctionnelles parallèles et distinctes :celles ci prennent naissance au niveau du striatum après réception de l’information émanant du cortex, puis traversent les autres ganglions de la base (Globus Pallidus, Noyau sous-thalamique, Substance noire), qui ensuite aboutissent sur le thalamus qui retourne l’information traitée aux différentes aires corticales concernées. Ces neurones de projections sont morphologiquement identiques et distribués de manière homogène dans l’ensemble du striatum, rendant difficile leur étude spécifique sans outils génétiques.Dans ce travail, nous avons étudié les rôles respectifs de ces deux populations neuronales dans l’apprentissage instrumental séquentiel par une approche optogénétique. Cette technique permet de contrôler optiquement, à une échelle de temps physiologique et de façon réversible, l’activité d’une population de neurones génétiquement ciblée pendant un comportement. Dans un premier temps, nous avons développé des modèles de souris dans lesquelles chacune de ces deux populations est spécifiquement ciblée au moyen du système Cre/LoxP et à l’aide d’injection stéréotaxique de vecteurs viraux permettant l’expression de canaux photosensibles, comme la Channelrhodopsine-2 (ChR2). Une validation de la fonctionnalité de cette protéine dans ces modèles a d’abord été établie ex vivo par des moyens électrophysiologiques (enregistrement de l’activité des neurones sur tranche de cerveau en survie), puis in vivo, par induction d’un comportement rotatoire caractéristique de l’activation unilatérale de ces populations neuronales.Dans un second temps, ces souris ont été étudiées dans un paradigme comportemental lié au striatum dorsal :l’apprentissage instrumental séquentiel. En effet, l’exécution d’une séquence d’actions dans un ordre bien déterminé est fondamentale pour adopter un comportement adapté. Au cours de l’acquisition d’une nouvelle séquence, chacune de ces deux populations de neurones est activée par optogénétique afin de déterminer leur effet dans cet apprentissage. Nous nous sommes particulièrement intéressés à ces neurones dans le striatum dorsolatéral (DLS), car cette région joue un rôle fondamental dans la formation d’une habitude, et plus particulièrement lors d’un apprentissage séquentiel. Ce travail a pu mettre en évidence l’importante implication respective de ces neurones du DLS lors de l’acquisition d’une séquence puisque nous avons montré que l’activation des neurones striatonigraux facilitait l’apprentissage d’une nouvelle séquence, alors que l’activation des neurones striatopallidaux perturbe cet apprentissage. De plus, nos résultats indiquent que la stimulation optogénétique des neurones striatopallidaux entraîne un déficit à différencier et à associer des actions pour former une unité performante, tandis que l’activation des neurones striatonigraux semble fondamentale pour initier et terminer correctement une séquence. Ces résultats contribuent ainsi à la compréhension du rôle des deux voies principales du striatum dorsolatéral lors d’un apprentissage instrumental séquentiel. Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) info:eu-repo/semantics/nonPublished

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Fiancette, Jean-Francois. "Electrophysiologie multi-site et optogénétique appliquées à l’étude de corrélats neurobiologiques de l’addiction à la cocaïne chez le rat se comportant." Thesis, Bordeaux, 2017. http://www.theses.fr/2017BORD0901/document.

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Abstract:

L’addiction se caractérise par une recherche et une consommation pathologiques de la drogue, maintenues malgré leurs conséquences néfastes. C’est une pathologie chronique car, le plus souvent, les tentatives de sevrage se soldent par une rechute. L’addiction à la cocaïne se développe chez 15 à 20 % des usagers, après un usage plus ou moins prolongé. Les solutions thérapeutiques font gravement défaut et c’est un enjeu que de comprendre les mécanismes neurobiologiques qui sous-tendent cette addiction. Les études cliniques et précliniques proposent que l’addiction résulte d’un déséquilibre entre les circuits cortico-subcorticaux qui gèrent la valeur motivationnelle de la drogue et ceux qui sont impliqués dans le contrôle cognitif inhibiteur. Des changements séquentiels dans des circuits interconnectés qui incluent notamment le noyau basolatéral de l’amygdale, le noyau accumbens et le cortex préfrontal seraient au cœur de processus motivationnels pathologiques et d’une difficulté à inhiber le craving et la consommation. L’étude de l’addiction, à l’échelle des circuits neuronaux, fait face à plusieurs défis. Techniquement limitée chez l’homme, elle peut bénéficier des modèles animaux, mais seulement s’ils capturent des dimensions de la pathologie. Au cours des dix dernières années, de tels modèles ont été mis en œuvre, mais exclusivement chez le rat. Or, les outils pour l’exploration fonctionnelle fine des circuits neuronaux ont été majoritairement développés chez la souris. Un autre défi consiste à pouvoir questionner la fonctionnalité des circuits, en temps réel, sur l’individu se comportant. Mes travaux de thèse ont eu pour objectif : 1. L’étude de marqueurs de connectivité fonctionnelle chez des rats Addict et des rats Non-addict à la cocaïne. Notre modèle d’addiction à la cocaïne permet d’identifier 15 à 20 % de rats qui, après une période prolongée d’autoadministration intraveineuse de cocaïne, et bien qu’ils aient consommé la même quantité de cocaïne que les autres, montrent une très forte motivation pour la substance, une difficulté à limiter la recherche de drogue, et maintiennent la prise de cocaïne malgré ses conséquences néfastes. L’électrophysiologie in vivo, multi-site, au moyen d’enregistrements unitaires ou de potentiels de champs locaux est un outil de choix pour l’exploration de la connectivité fonctionnelle chez le rongeur. Un défi technique a été de l’adapter pour la coupler à notre modèle d’addiction à la cocaïne chez le rat. Nous avons montré des différences significatives de connectivité fonctionnelle entre rats Addict et Non-addict, suggérant un défaut de fonctionnalité du cortex préfrontal médian (PFM) chez les Addict. 2. L’étude du rôle du cortex prélimbique (PL) dans le contrôle du comportement d’autoadministration de cocaïne chez le rat. Des données récentes de la littérature remettent en cause le dogme selon lequel le PL exerce exclusivement un rôle facilitateur sur les propriétés motivationnelles de la cocaïne. Nous avons cherché à clarifier le rôle du PL dans le comportement d’autoadministration de cocaïne avant que ne se développe une addiction : comprendre son rôle dans l’usage précoce de cocaïne pour, à terme, étudier l’évolution de son implication selon que l’individu développe ou non une addiction. Nous avons montré que l’inactivation du PL peut s’accompagner, chez le même individu, d’une diminution ou d’une exacerbation du comportement de recherche de cocaïne selon les contingences expérimentales. Les neurones du PL émettent des projections vers plusieurs structures. Pour étudier leur rôle dans les effets comportementaux observés, nous avons travaillé à la mise au point d’outils optogénétiques pour la manipulation de l’activité de voies neuronales spécifiques, chez le rat, pour lequel ils sont encore très peu développés. Mes travaux de thèse contribuent tant sur le plan théorique que technique à la compréhension des mécanismes psychobiologiques de l’addiction à la cocaïne Drug addiction is characterized by pathological drug seeking and taking, maintained despite their negative consequences. This is a chronic pathology, withdrawal attempts being unsuccessful in most cases. Cocaine addiction develops in about 15 to 20 % of habitual users. For cocaine, therapeutic options are lacking, which could be explained by the relatively poor understanding of the neurobiological mechanisms underlying cocaine addiction to date. Clinical and preclinical studies propose that addiction results from an imbalance between the cortical-subcortical circuits that process motivational value of drug-related stimuli versus those involved in cognitive inhibitory control. Hierarchical sequential changes in distinct, but interconnected circuits, including the basolateral amygdala, the nucleus accumbens and the prefrontal cortex could be at the core of pathological incentive processes and difficulty to control craving and drug taking. Studying addiction at the neuronal circuit level faces many challenges. Technically limited in humans, it can benefit from animal models, but only if they properly capture dimensions of the pathology. Over the last ten years, such models have been developed, but exclusively in rats. However, tools for a refined functional exploration of neuronal circuits have been established mostly in mice, and until recently they have begun to be explored in rats. In addition, another main challenge is the ability to investigate functional connectivity in real time in behaving animals. My thesis work had two objectives: 1. Studying markers of functional connectivity in rats showing a cocaine addiction-like behavior (Addict) or not (Non-addict). Our model of cocaine addiction allows identifying 15-20% of rats that show a high motivation for cocaine, a difficulty to limit drug seeking and that maintain drug taking despite negative consequences. These extreme behaviors occur after prolonged cocaine self-administration and despite that these rats have used a comparable amount of cocaine as compared to the others. In vivo, multi-site electrophysiology recordings, applied to single units or local field potentials, is a tool of choice for studying functional connectivity in rodents. A technical challenge has been to adapt and couple it to our model of cocaine addiction in the rat. We have evidenced significant differences in connectivity between Addict and Non-addict rats, which suggest a default of functionality of the medial prefrontal cortex in the Addict rats. 2. Studying the role of the prelimbic cortex (PL) in cocaine self-administration behavior in the rat. The canonical role of the PL in exclusively promoting drug seeking was recently questioned, with studies involving it also in inhibition of drug seeking. Our first goal was to clarify this role of the PL in early cocaine self-administration, i.e. before addiction-like behavior develops: understanding its early role to eventually compare it to its late role and whether an addiction-like behavior develops or not. We have shown that optogenetic PL inactivation can decrease or increase cocaine seeking in the same individual, according to experimental contingencies. PL neurons project to several remote structures. To study the role of these different neuronal pathways, we have worked in establishing optogenetic tools for the manipulation of specific neuronal pathways, in the rat, for which they are still poorly developed. My thesis work contribute, both theoretically and technically, to the understanding of the psychobiology of cocaine addiction

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Dufour, Alice. "Single-cell optogenetic analysis of the immediate responses to sudden genetic modifications in Saccharomyces cerevisiae." Electronic Thesis or Diss., Lyon, École normale supérieure, 2024. http://www.theses.fr/2024ENSL0088.

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Abstract:

La façon dont les mutations permettent aux cellules d’adapter leur physiologie est complexe, dynamique et hétérogène. C’est un processus fondamental de l’évolution souvent étudié à l’échelle des populations longtemps après l’apparition des mutations. Les premières réponses suite à une modification génétique sont donc rarement observées. Je quantifie ici les effets immédiats suite à une altération génétique sur des cellules uniques de Saccharomyces cerevisiae. Pour ce faire, j’ai combiné deux technologies préexistantes, l’une biologique et l’autre physico-chimique. La première est une enzyme optogénétique appelée LiCre qui permet de recombiner des sites spécifiques d’ADN lorsqu’elle est activée par de la lumière bleue. La seconde est une puce microfluidique où des cellules uniques sont encapsulées dans des gouttelettes et observées au cours du temps. Cela permet de quantifier le taux de croissance et le rendement de plusieurs centaines de microcolonies provenant de cellules uniques The way by which mutations allow living organisms to adapt their physiology is complex, dynamic and heterogeneous. It is also a fundamental process of natural evolution. Genetic studies are usually based on populations of mutants that are characterized several generations after the mutation of interest occurred. The early response of cells to genetic changes is therefore rarely known. Here I quantified the immediate effects of a de novo genetic alteration on individual yeast cells. To achieve this, I combined two pre-existing technologies, one from biology and one from physical-chemistry. The first one is an optogenetic enzyme called LiCre which is able to recombine specific DNA sites when activated by blue light. The second one is a digital microfluidics setup, where single yeast cells are encapsulated in droplets and monitored over time. With this technology, hundreds of single-cell seeded microcolonies can be tracked over time to quantify their growth and biomass yield.First, I contributed to the characterization of LiCre in terms of kinetics properties and in vivo applications. Then, to demonstrate the relevance of the LiCre/microfluidics association, I described the dynamics and heterogeneity of responses after a de novo deletion of an essential gene. After validation of this approach, I used it to tackle a fundamental question concerning the fate of mutator cells. With an elevated mutation rate, mutator cells are present in various contexts: stressful environments, cancer, and laboratory-evolution populations. Since many mutations are deleterious, these populations face a loss of fitness, sometimes called “mutational burdened”. Alongside, the mutator phenotype causes higher genomic heterogeneity, which raises adaptive potential of mutator cells. This trade-off between burden and potential to adapt is shaped by various factors: environment, population size, mutation rate, species… Using the approach I developed, I observed experimentally the fine-scale phenotypic properties of mutator populations facing mutational burden. These properties differ across environmental conditions

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Goncalves, Pedro. "Un Modèle du réseau neuronal de l'intégrateur oculomoteur : théorie pour la dissection." Paris 6, 2012. http://www.theses.fr/2012PA066200.

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Abstract:

L'intégrateur oculomoteur dans le rhombencéphale transforme les signaux de mouvements oculaires horizontaux en signaux de position pour maintenir les yeux fixes après les saccades. Plusieurs études électrophysiologiques et pharmacologiques ont montré que les activités des neurones dans l’intégrateur oculomoteur peuvent persister dans un continu de niveaux, chaque niveau correspondant à une position oculaire. Ces résultats ont conduit à l'hypothèse selon laquelle l'intégrateur oculomoteur a un continu d’états stationnaires et stables, donnant lieu à un réseau à attracteur linéaire. À leur tour, les états du système en dehors de ce régime d’activités stables sont attirés vers celui-ci. Dans cette thèse, nous commençons par développer plusieurs modèles qui tiennent compte des résultats précédents, mais qui diffèrent dans leur comportement dynamique en dehors du régime stable. Donc, ces différents modèles ont des comportements distincts en réponse aux perturbations instantanées de l’intégrateur. Pour contraindre les modèles développés, des perturbations optogénétiques sont réalisées dans l’intégrateur oculomoteur du poisson zèbre transformé de manière à exprimer les pompes ioniques d’halorhodopsine ou channelrhodopsine. Les mouvements oculaires résultants de ces perturbations suggèrent que la dynamique de l’intégrateur oculomoteur est organisée autour d'un état attracteur central. Ces résultats posent de nouvelles contraintes dans la connectivité des circuits du système et mettent en évidence le potentiel de la combinaison de l’optogénétique avec des modèles théoriques pour dévoiler la dynamique des circuits neuronaux.

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Durand-de, Cuttoli Romain. "Modulation nicotinique des neurones dopaminergiques de l'aire tegmentale ventrale : une approche optogénétique et opto-pharmacologique." Thesis, Sorbonne université, 2018. http://www.theses.fr/2018SORUS421/document.

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Abstract:

L’addiction à la nicotine est une pathologie qui concerne un tiers de la population adulte mondiale et qui est souvent associée avec d’autres troubles psychiatriques tels que la dépression, la schizophrénie ou encore les troubles liés au stress. Chaque année, près de 8 millions de personnes décèdent des conséquences de la consommation de tabac. Cette pathologie constitue la première cause de morts évitables dans le monde. Ce phénomène de dépendance au tabac est induit par la nicotine, principale substance addictive et psychoactive du tabac, qui va agir sur les récepteurs nicotiniques de l’acétylcholine (nAChR) et ainsi détourner le fonctionnement normal de différents circuits neuronaux. De manière aigüe, la nicotine agit directement sur les nAChR ce qui va globalement activer les réseaux neuronaux. A plus long terme, elle va induire une plasticité synaptique et perturber la transmission nicotinique endogène. La nicotine va notamment détourner le système dopaminergique, acteur majeur de l’apprentissage par renforcement, de la motivation et de l’évaluation de la récompense. Ces modifications neuronales conduisent non seulement au renforcement mais entrainent aussi une perturbation de différents traits comportementaux (prise de décision, exploration, vulnérabilité au stress, etc.). Ces relations entre symptômes et traits pourraient expliquer les fortes comorbidités observées entre la dépendance aux drogues d’abus, et particulièrement au tabac, et d’autres manifestations pathologiques telles que les troubles liés au stress. Au cours de cette thèse j’ai tout d’abord abordé les bases neurophysiologiques qui sous-tendent ces comorbidités, en proposant la dopamine comme un substrat commun aux effets du stress social, de la nicotine et des perturbations de la prise de décision associées (impulsivité, sensibilité à la récompense, évaluation du risque, etc.). J’ai pu montrer que l’augmentation de l’activité des neurones dopaminergiques observée après une exposition à la nicotine ou à un stress social est responsable des perturbations des comportements de choix chez la souris. En effet, nous avons pu reproduire ces altérations comportementales en élevant artificiellement le niveau d’activité des neurones dopaminergiques à l’aide de stimulations optogénétiques. La dissection des mécanismes par lesquels la nicotine détourne les circuits neuronaux se heurte aujourd’hui à un manque d’outils permettant une manipulation sélective, réversible et avec une résolution spatio-temporelle suffisante des acteurs moléculaires impliqués. Une deuxième partie de mon travail de thèse a consisté en l’implémentation in vivo chez la souris, de la pharmacologie optogénétique pour les nAChR. La photo-inhibition des nAChR contenant la sous-unité beta2 nous a permis de mettre en évidence l’impact de la modulation cholinergique endogène sur l’activité des neurones dopaminergiques. Nous avons pu, en outre, inhiber la réponse de ces mêmes neurones à l’injection intraveineuse aiguë de nicotine et le renforcement associé dans une tâche de préférence de place conditionnée pour la nicotine Nicotine addiction is a condition that affects one third of the world's adult population and is often associated with other psychiatric disorders such as schizophrenia, mood- and stress-related disorders. Every year, nearly 8 million people die from the consequences of tobacco use. This pathology is the leading cause of preventable death in the world. This phenomenon of tobacco dependence is induced by nicotine, the main addictive and psychoactive substance in tobacco, which acts on nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) and thus hijacks the normal functioning of various neuronal circuits. Acute nicotine directly acts on nAChRs and activates neural networks. In the longer term, it will induce synaptic plasticity and disrupt endogenous nicotinic transmission. In particular, nicotine disrupts the dopaminergic system, a key player in reinforcement learning, motivation and reward evaluation. These neural changes not only lead to reinforcement but also to a disruption of different behavioral traits such as decision-making, exploration, vulnerability to stress, etc. These relationships between symptoms and features could explain the strong comorbidities observed between substance abuse, and particularly tobacco addiction, and other pathologies such as stress-related disorders. During this thesis, I first addressed the neurophysiological bases underlying these comorbidities, by proposing dopamine as a common substrate for the effects of social stress, nicotine and associated decision-making disorders (impulsivity, reward sensitivity, risk assessment, etc.). I have shown that the increase in dopamine neuron activity observed after exposure to nicotine or social stress is responsible for disrupting choice behavior in mice. Indeed, we could reproduce these behavioral maladaptations by artificially increasing the activity level of dopaminergic neurons using optogenetic stimuli. The dissection of the mechanisms by which nicotine diverts neuronal circuits is currently hampered by a lack of tools for selective, reversible, spatially and temporally precise manipulation of the molecular players involved. A second part of my thesis work consisted in the in vivo implementation in mice of optogenetic pharmacology for nAChR. The photoinhibition of beta2-containing nAChRs revealed the impact of endogenous cholinergic modulation on the activity of dopaminergic neurons. We could optically inhibit the response of these same neurons to acute intravenous injection of nicotine and the associated reinforcement in a task of conditioned place preference for nicotine

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Lemoine, Damien. "Mise au point d'outils optogénétiques pour la photorégulation de l'activité des récepteurs canaux P2X." Thesis, Strasbourg, 2013. http://www.theses.fr/2013STRAJ072/document.

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Abstract:

Les récepteurs canaux P2X, sélectifs des cations, sont activés par l'ATP extracellulaire. Les récepteurs P2X remplissent de nombreux rôles physiologiques allant de la nociception à la neuromodulation. L'étude du rôle physiopathologique de ces récepteurs souffre d'un manque d'outils pharmacologiques sélectifs. L'optogénétique pharmacologique serait une méthode pour palier ce manque. Mes travaux se divisent en deux parties, l'une concernant l'étude structurale des récepteurs P2X et l'autre présentant le développement d'outils optogénétiques chimiques pour contrôler l'activité des récepteurs P2X. Dans une première série d'expériences nous avons identifié le site de liaison de l'ATP par marquage d'affinité dirigé à l'aide d'un analogue de l'ATP thiol réactif. Ensuite,nous avons démontré le mécanisme d'activation des récepteurs P2X dans une étude utilisant la bioinformatique et l'ingénierie de site zinc. Ainsi nous avons établi une corrélation entre l'ouverture du canal et le rétrécissement du site de liaison suite à la fixation de l'ATP. Enfin nous avons mis au point une nouvelle stratégie optogénétique chimique appelée « optogating » permettant de reprogrammer un canal ionique afin de le contrôler par la lumière. Nous avons montré qu'un récepteur canal modifié au niveau transmembranaire, par un réactif contenant un azobenzène, peut être activé réversiblement par la lumière sans recourir au ligand endogène. Nous avons réussi à photocontrôler l'activité neuronale à l'aide d'un récepteur P2X activé par la lumière,dans lequel, la sensibilité à l'ATP a été génétiquement supprimée. Cet outil est prometteur pour l'étude du rôle physiologique des récepteurs P2X in vivo The ATP-gated P2X receptors are trimeric ion channels that are selective to cations.These ion channels are involved in various physiological processes such as nociception and neuromodulation. The study of P2XR physiology suffers from a lack of selective pharmacological molecules. Optogenetic pharmacology could solve this problem. ln thiswork, 1 performed structural studies of P2X receptors and developed an original optochemical tool in order to contrai P2X activity. First, we localized the ATP-binding sites by creating, through a proximity-dependent"tethering" reaction, covalent bonds between a synthesized ATP-derived thiol-reactiveP2X2 agonist (NCS-ATP) and single cysteine mutants engineered in the putativebinding cavities of the P2X2 receptor. Next, we demonstrated that tightening of the ATP-binding sites correlates precisely with channel opening in the P2X2 receptor. Finally, we developed a unique and versatile method, in which the gating machinery of the P2X2 receptor was reprogrammed to respond to light. We found that channels covalently modified by azobenzene-containing reagents at the transmembrane segments could be reversibly turned on and off by light, without the need of the natural ligand (here ATP). We demonstrated photocontrol of neuronal activity by a light-gatedP2X receptor, in which the natural sensitivity to ATP was genetically removed. These light-gated P2X receptors represent valuable tools for investigating the physiological functions of P2X receptors

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Tihy, Matthieu. "Activité de la cellule de Purkinje au sein du système vestibulaire dans un contexte actif." Thesis, Paris 6, 2016. http://www.theses.fr/2016PA066087.

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Un cadre théorique classique pour expliquer comment les mouvements volontaires sont générés et optimisés implique l'existence d'un modèle interne basé sur les conséquences sensorielles de ses propres actions. Le cervelet est souvent considéré comme une structure où ces modèles pourraient être efficacement stockés et mis-à-jour. Parmi tous les systèmes sensoriels, le système vestibulaire est probablement celui où la plus grande proportion de stimuli est auto-générés et pourtant peu étudié en conditions actifs. Pour appréhender le rôle du vestibulo-cervelet, nous avons enregistré des cellules de Purkinje du nodulus en condition active chez le rongeur, associé à l'enregistrement quantitatif des signaux inertiels produits par les mouvements de la tête. Cela a nécessité le développent d'outils de mesure adaptés au petit animal. Ces outils, absents du commerce, sont capable d'enregistrer, et cela sans aucun câble, les mouvements inertiels (accélération linéaire et vitesse angulaire) de celui ci offrant une représentation des informations vestibulaires. Les résultats présentés dans cette thèse montrent que, au moins dans des conditions actives, les cellules de Purkinje présentent une sensibilité sélective à certaines composantes du mouvement de la tête. La diversité des réponses observées démontre de plus que chaque cellule possède son propre " champ récepteur vestibulaire ". Il a ainsi été montré que certaines cellules avaient un champ récepteur en coordonnées égocentriques et d'autres allocentriques. Cette distinction s'inscrit dans le problème général de la transformation par le cervelet des coordonnées vestibulaires et de la représentation de l'environnement A classical and theoretical explaining framework how voluntary movements are generated and optimized implies the existence of an internal model based on the sensory consequences of own actions. The cerebellum is often considered as a structure where the models could be effectively stored and made-to-day. Of all the sensory systems, the vestibular system is probably one where the largest proportion of stimuli are self-generated but yet little studied in active conditions. To understand the role of the vestibular-cerebellum, we recorded Purkinje cells from nodulus in active condition in rodents associated with quantitative recording of inertial signals produced by head motion. This required developing the measurement tools adapted to small animals. These tools, absent of trade, are capable of recording, without any cables, the inertial movement (linear acceleration and angular velocity) of this one as a representation of vestibular information. The results presented in this thesis show that, at least in active condition, Purkinje cells exhibit selective sensitivity to certain components of the head movement. The diversity of responses observed further demonstrates that each cell has its own "vestibular receptive field". It has thus been shown that some cells have a receptive field in egocentric coordinates while others allocentric. This results is part of the general problem of the coordinate transformation and of the environment representation by the vestibular cerebellum

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Pietrajtis, Katarzyna. "Synaptic integration in the cerebellar Golgi cell network." Thesis, Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066483.

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Abstract:

Les cellules de Golgi constituent une composante essentielle du cortex cérébelleux et la seule source d’inhibition de la couche granulaire. Leur ablation produit des déficits moteurs sévères. Malgré plusieurs études intensives, notre compréhension de la fonction des ces cellules et de leur influence sur le transfert d’informations dans le cortex cérébelleux reste limitée. La fonction de la cellule de Golgi découle de ses interconnexions synaptiques locales. Lors de ma thèse nous avons identifié’ un véritable circuit de rétro-inhibition, qui est implémenté par les synapses entre les axones ascendants des cellules granulaires et les dendrites baso-latérales des cellules de Golgi. Cette connectivité puissante constitue la première preuve de l’existence d’un circuit de rétro-inhibition dans la couche granulaire. Nous avons par la suite cherché à comprendre comment le recrutement des interneurones de Golgi par l’activité détermine la dynamique du transfert d’informations. Nous avons développé un système de stimulation optique basé sur la déflection acousto-optique (AODs) de faisceaux Gaussiens de faible convergence, qui évoqué des patrons d’activité des fibres moussues avec une grande répétabilité et précision temporelle. Des stimulations électriques minimales des fibres moussues, qui à elles seules n’évoquent pas de potentiel d’action dans les cellules en grain, évoquent de large CPSEs phasique dans les cellules de Purkinje lorsqu’elles sont couplées avec des stimulations optogénétiques. Nous proposons un modèle de codage contextuel par lequel les évènements notables sont transmis par les cellules en grain dans le contexte d’activité des autres fibres moussues Golgi interneurons are an essential cellular component of the cerebellar cortex and the only source of inhibition to billions of granule cells. Their acute ablation causes severe motor deficits. Despite extensive research for the last decades, we still have limited understanding of Golgi cell function and of its impact on the information flow in the cerebellar cortex. Golgi cell function will ultimately depend on its synaptic connections within the cerebellar microcircuit. During my thesis we demonstrated the existence of a specific local feedback circuit onto granule cells, which is implemented by synapses between the ascending axons of granule cells and the basolateral dendrites of Golgi cells. The abundance of these local connections constitutes the first evidence of a powerful feed-back inhibitory circuit in the granule cell layer. Further we sought to understand how Golgi interneurons recruitment by the activity may influence information transfer in the granular layer. We developed a new illumination device, based on acousto–optic deflectors (AODs) stirring of low NA Gaussian beams at 1MHz, which delivered patterned optogenetic stimulations of mossy fibers with high reproducibility and sub-millisecond precision. Minimal electrical stimulations of the mossy fibers in the white matter, which alone where unable to fire granule cells, evoked large phasic EPSCs in Purkinje cells, when paired with asynchronous optogenetic stimulations. We propose that optimal sparse encoding of mossy fiber activity by granule cells is obtained through the relay of salient events (spiking onset, sensory driven synchrony or bursts) in the context of previous ongoing mossy fiber activity

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Gagnon-Turcotte, Gabriel. "Algorithmes et processeurs temps réel de traitement de signaux neuronaux pour une plateforme optogénétique sans fil." Master's thesis, Université Laval, 2015. http://hdl.handle.net/20.500.11794/26339.

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Abstract:

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 L’acquisition des signaux électriques provenant des neurones du cerveau permet aux neurobiologistes de mieux comprendre son fonctionnement. Dans le cadre de ce travail, de nouveaux algorithmes de compression des signaux neuronaux sont conçus et présentés. Ces nouveaux algorithmes sont incorporés dans trois nouveaux dispositifs optogénétiques sans fil miniature capable de stimuler optiquement l’activité neuronale et de transmettre sans fil les biopotentiels captés par plusieurs microélectrodes. Deux de ces systèmes sont capables de compresser les signaux provenant de deux microélectrodes ainsi que de stimuler optiquement via deux diodes électroluminescentes (DEL) haute puissance. Afin de réduire la bande passante des transmetteurs sans fil utilisés, ces deux systèmes sont dotés d’un nouvel algorithme de détection des potentiels d’actions qui génère de meilleurs taux de détection que les algorithmes existants, tout en nécessitant moins de ressources matérielles et de temps de processeur. Un troisième dispositif incorporant les algorithmes de détection et de compression fût conçu. Ce dispositif est le seul système optogénétique sans fil comportant 32 canaux de stimulation optique et 32 canaux d’enregistrement électrophysiologiques en parallèle. Il utilise une nouvelle technique de compression par ondelettes permettant d’augmenter significativement le nombre de canaux sous observation sans augmenter la consommation de l’émetteurrécepteur. Cette nouvelle méthode de compression se distingue des méthodes existantes en atteignant de meilleurs taux de compression tout en permettant de reconstruire les signaux compressés avec une meilleure qualité. Au moment de la rédaction de ce mémoire, il s’agit des premiers dispositifs optogénétiques sans fil à offrir simultanément de la stimulation optique multicanal, de l’enregistrement électrophysiologique multicanal ainsi que de la détection/compression in situ des potentiels d’actions. Grâce à leur design novateur et aux innovations apportées par les nouveaux algorithmes de traitement des signaux, les systèmes conçus sont plus légers et plus compacts que les systèmes précédents, rendant ces dispositifs indispensables afin de mener des expériences sur le cerveau de petits animaux libres de leurs mouvements. Les trois systèmes ont été validés avec grand succès par des expériences in vivo sur des souris transgéniques au Centre de Recherche de l’Institut Universitaire en Santé Mentale de Québec (CRIUSMQ). The electrical signals acquisition from the brain’s neurons allows neuroscientists to better understand its functioning. In this work, new neural signals compression algorithms are designed and presented. These new algorithms are incorporated into three new miniature optogenetic wireless devices. These devices are capable to optically stimulate neural activity and to wirelessly transmit the biopotentials captured by several microelectrodes. Two of these systems are able to compress the signals from two microelectrodes and to stimulate optically via two high-power LED. Both systems feature a new spike detection algorithm to reduce the bandwidth used by the wireless transceiver. This new spike detection algorithm differs from existing algorithms by achieving better detection rate while using less material resources and processing time. A third device incorporating the detection and compression algorithms was designed. This device is the only optogenetic wireless system including 32 optical stimulation channels and 32 electrophysiological recording channels in parallel. This new system has the ability to compress the neural signals using a new wavelet compression technique that significantly increase the number of channels under observation without increasing the consumption of the wireless transceiver. In particular, this new compression technique differs from the existing wavelet based compression methods by achieving better compression ratio while allowing to reconstruct the compressed signals with better quality. At the time of writing this thesis, these are the first three devices that offer simultaneous multichannel optical stimulation, multichannel electrophysiological signals recording and on-the-fly spike detection. The resulting systems are more compact and lightweight than previous systems, making these devices essentials to conduct long term experiments on the brains of small freely moving animals. The three systems were validated within in vivo experiments using transgenic mice at the Centre de Recherche de l’Institut Universitaire en Santé Mentale de Québec (CRIUSMQ).

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Hanini-Daoud, Maroua. "Traitement des informations thalamiques au travers des ganglions de la base : approche électrophysiologique et optogénétique in vivo." Thesis, Aix-Marseille, 2016. http://www.theses.fr/2016AIXM4109.

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Abstract:

Le centre médian/parafasciculaire (CM/Pf) du thalamus a récemment émergé comme un élément d'intérêt dans le contexte de la maladie de Parkinson. Ainsi le fonctionnement normal et pathologique des GB ne peut pas être pleinement élucidé sans qu'il ne soit pris en considération. Dans ce contexte, nous avons analysé le transfert des informations thalamiques dans les GB en enregistrant, in vivo, les réponses évoquées au niveau de la structure de sortie des GB, la substantce noire pars reticulata (SNr) soit par la stimulation électrique ou optogénétique du CM/Pf. Ensuite, nous avons étudié les composantes des GB impliquées dans ces réponses en analysant les réponses évoquées par l'activation optogenetique spécifique des voies thalamo-striée, thalamo-subthalamique ou thalamo-nigrale. À la fois l'activation électrique et optogenetique du CM/Pf évoquent des réponses complexes dans la SNr qui sont composées d'une inhibition qui peut être précédée et/ou suivie d'excitations. L'inhibition et l'excitation tardive dépendent de l'activation des voies trans-striatales, alors que les premières excitations mettent en jeu les voies thalamo-subthalamique et thalamo-nigrale. Nous avons également étudié l'impact des interneurones cholinergiques du striatum ainsi que les afférences dopaminergiques sur le transfert des informations thalamiques dans les GB. Pour ce faire, nous avons enregistré les réponses évoquées au niveau des neurones de projection du striatum suite à la stimulation électrique du CM/Pf avec ou sans l'inhibition optogénétique des CINs. Nous serons alors en mesure de déterminer comment les CINs sont impliqués dans le transfert des informations thalamiques au sein des GB The centre median/parafascicular (CM/Pf) of the thalamus has recently emerged as a component of interest in the context of Parkinson’s disease. Thus normal and pathological dynamics of BG cannot be fully understood unless it is taken into account. Here, we analyzed the transfer of CM/Pf information through BG by recording, in vivo, the evoked responses of BG output neurons in the substantia nigra pars reticulata (SNr) to either electrical or optogenetic CM/Pf stimulations. Then, we investigated the BG components involved in these responses by analyzing the responses evoked by specific optogenetic activation of the thalamo-striatal, thalamo-subthalamic or thalamo-nigral pathways. Both electrical and optogenetic activation of CM/Pf evoke complex responses in SNr that are composed of an inhibition that can be preceded and/or followed by excitations. The inhibition and the late excitation rely on the activation of the trans-striatal pathways, whereas the early excitations involve thalamo-subthalamic and thalamo-nigral projections. We are currently analyzing whether and how the striatal cholinergic interneurons (CINs) and the dopaminergic afferent system modulate the transfer of thalamic information within the BG. For the second part of my project, we analyzed the treatment of thalamic information from CM/Pf at the level of the striatum. To do this, we recorded the evoked responses of striatal projection neurons by the electrical stimulation of the CM/Pf with or without the inhibition of the CINs by optogenetics. We will then be able to determine how CINs are involved in the transfer of thalamic information at the level of the striatum

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De, la crompe de la boissiere Brice. "Etude dynamique de la génération des oscillations Beta dans la maladie de Parkinson : approche électrophysiologique et optogénétique." Thesis, Bordeaux, 2016. http://www.theses.fr/2016BORD0325/document.

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Abstract:

Les ganglions de la base (GB) forment une boucle complexe avec le cortex et le thalamus qui est impliquée dans la sélection de l’action et le contrôle du mouvement. Les activités oscillatoires synchronisées dans le réseau des GB ont été proposées comme pouvant jouer un rôle essentiel dans la coordination du flux de l’information au sein de ces circuits neuronaux. Ainsi, leur dérégulation dans le temps et l’espace pourrait devenir pathologique. Dans la maladie de Parkinson (MP), l’expression anormalement élevée d’oscillations neuronales comprises dans les gammes de fréquences beta (β, 10-30 Hz) serait la cause des déficits moteurs (akinétique et bradykinétique) de cette maladie. Cependant, les réseaux neuronaux à l’origine des oscillations β et l’implication physiopathologique de celles-ci restent encore inconnus. Le noyau sous-thalamique (NST) est un carrefour anatomique des GB situé au centre de réseaux potentiellement impliqués dans l’émergence de ces états hyper-synchronisés. L’objectif de cette thèse était de déterminer le rôle causal des principales entrées du NST (i.e. le cortex moteur, le globus pallidus, et le noyau parafasciculaire du thalamus) dans le maintien et la propagation des oscillations β. Pour cela, nous avons développé des approches de manipulation optogénétique combinées à des enregistrements électrophysiologiques in vivo dans un modèle rongeur de la MP. L’ensemble de nos travaux démontre la contribution respective des différents circuits neuronaux interrogés et souligne l’importance du globus pallidus dans le contrôle de la propagation et du maintien des oscillations β dans l’ensemble de la boucle des GB The basal-ganglia (BG) form a complex loop with the cortex and the thalamus that is involved in action selection and movement control. Synchronized oscillatory activities in basal-ganglia neuronal circuits have been proposed to play a key role in coordinating information flow within this neuronal network. If synchronized oscillatory activities are important for normal motor function, their dysregulation in space and time could be pathological. Indeed, in Parkinson’s disease (PD), many studies have reported an abnormal increase in the expression level of neuronal oscillations contain in the beta (β) frequency range (15-30 Hz). These abnormal β oscillations have been correlated with two mains symptoms of PD: akinesia/bradykinesia. However, which BG neuronal circuits generate those abnormal β oscillations, and whether they play a causal role in PD motor dysfunction is not known. The subthalamic nucleus (STN) is a key nucleus in BG that receives converging inputs from the motor cortex, the parafascicular thalamic nucleus and the globus pallidus. Here, we used a rat model of PD combined with in vivo electrophysiological recordings and optogenetic silencing to investigate how selective manipulation of STN inputs causally influence BG network dynamic. Our data highlight the causal role of the globus pallidus in the generation and propagation mechanisms of abnormal β-oscillations

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Zhang, Weiting. "Quantitative perturbative study of the role of Fgf8 in somitogenesis." Thesis, Paris 6, 2016. http://www.theses.fr/2016PA066482.

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Abstract:

Le sujet de cette thèse est l'étude quantitative du rôle du morphogène Fgf8 durant la somitogenèse en utilisant des perturbations spatio-temporelles de sa concentration dans un embryon de poisson zèbre en développement. Mon objectif était d'élucider le rôle que joue Fgf8 dans le modèle du «clock and wavefront» de la somitogenèse . A cet effet, j'ai développé des moyens optiques afin de perturber rapidement sa concentration dans un embryon vivant par un éclairage approprié. J’ai montré que le blocage du Fgf8 endogène (en utilisant un morpholino contre Fgf8) ou sa surexpression (en utilisant une approche de photo-activation développée dans le laboratoire d'accueil) affectaient la taille des somites observées dans un embryon de poisson zèbre à 24 hpf. Pour comprendre la raison de ce changement de taille des somitesj’ai construit un système de vidéomicroscopie à intervalle régulier qui m'a permis de suivre l'évolution parallèle de 20-30 embryons de poisson zèbre en temps réel. Après avoir comparé la période de la segmentation, la vitesse d'allongement de la queue, la vitesse de racourcissement du PSM et la distribution spatiale de MAPK phosphorylé, mes résultats montrent que la sur-expression globale de Fgf8 induit un retard subtil dans la période de segmentation et ralentit la vitesse de déplacement du front d'onde, qui est la cause principale de la variation de taille des somites The subject of this thesis is the quantitative study of the role of Fgf8 in somitogenesis using spatio-temporal perturbations of its concentration in a developing zebrafish embryo. My goal was to elucidate the role that Fgf8 plays in the clock and wavefront model of somitogenesis. For that purpose, I have developed optical means to quickly perturb its concentration in a live embryo by an appropriate illumination. I have shown that blocking endogenous Fgf8 (using a morpholino against Fgf8) or inducing over-expression of Fgf8 (using a photo-activable approach developed in the host lab) affected the size of somites observed at 24 hpf in a zebrafish embryo. To address the reason for this change in somite size, I have built a time-lapse microscopy set-up that allowed me to monitor the parallel development of 20-30 zebrafish embryos in real time. After comparing the period of segmentation, the velocity of tail elongation, the speed of PSM shortening, and the MAPK pattern of phosphorylation (the target of Fgf8), my results show that global over-expression of Fgf8 induces a subtle delay in the segmentation period and slows down the posterior moving wavefront velocity, which is the major cause of the change in somite size

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Ceballo, Charpentier Sebastian Arturo. "Causal manipulations of auditory perception and learning strategies in the mouse auditory cortex." Thesis, Sorbonne université, 2019. http://www.theses.fr/2019SORUS058.

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Abstract:

À travers des nos sens, le cerveau reçoit une énorme quantité des informations. Cette information doit être filtrée afin d'extraire les caractéristiques les plus saillantes pour guider notre comportement. La façon dont le cerveau génère différents percepts et conduit les comportements, reste comme deux des majeures questions de la neuroscience moderne. Dans ce travail, en utilisant une tâche de discrimination Go / noGo combinée à l’optogénétique pour inactiver le cortex auditif durant le comportement la souris, nous avons établi que le cortex auditif n’est pas utilisé pour les discriminations de fréquence simples, mais qu’il était nécessaire pour résoudre une tâche plus difficile. En combinant différentes techniques de cartographie et l’optogénétique sculptée pour activer des champs tonotopiques définis avec précision dans le cortex auditif, nous avons pu élucider la stratégie utilisée par les souris pour résoudre cette tâche difficile, révélant ainsi un mécanisme de discrimination de fréquence retardé. En parallèle, des observations sur la vitesse d'apprentissage et l'activité des différents sons dans le cortex auditif nous ont amenés à étudier leurs interactions et à tester de manière causale le rôle du recrutement cortical dans l'apprentissage associatif, le révélant comme un possible corrélat neurophysiologique de la saillance Through our senses, the brain receives an enormous amount of information. This information needs to be filtered in order to extract the most salient features to guide our behavior. How the brain actually generates different percepts and drives behavior, remain the two major questions in modern neuroscience. To answer these questions, novel neural engineering approaches are now employed to map, model and finally generate, artificial sensory perception with its learned or innate associated behavioral outcome. In this work, using a Go/noGo discrimination task combined with optogenetics to silence auditory cortex during ongoing behavior in mice, we have established the dispensable role of auditory cortex for simple frequency discriminations, but also its necessary role to solve a more challenging task. By the combination of different mapping techniques and light-sculpted optogenetics to activate precisely defined tonotopic fields in auditory cortex, we could elucidate the strategy that mice use to solve this hard task, revealing a delayed frequency discrimination mechanism. In parallel, observations about learning speed and sound-triggered activity in auditory cortex, led us to study their interactions and causally test the role of cortical recruitment in associative learning, revealing it as a possible neurophysiological correlate of saliency

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Winke, Nânci. "Les cellules du tronc cérébral exprimant la somatostatine contrôlent la régulation émotionnelle du comportement de la douleur." Thesis, Bordeaux, 2021. http://www.theses.fr/2021BORD0105.

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Abstract:

Face à un danger, les mammifères présentent un large éventail de réactions de peur parmi lesquelles les plus étudiées sont le freezing et l'évitement. En plus de ces réponses, l'analgésie a également été signalée comme étant une réponse de peur importante face à un stimulus aversif ou nocif. En effet, suite au conditionnement de la peur, la présentation du stimulus conditionné (CS) conduit à une diminution de la sensibilité à la douleur, un phénomène connu sous le nom d'analgésie conditionnée de peur (FCA). La FCA est censée résulter de l'activation de voies descendantes modulant directement le traitement de la douleur dans la corne dorsale (DH) de la moelle épinière. Un certain nombre d'études ont identifié au cours des dernières décennies la neurochimie du FCA et identifié les systèmes GABAergiques, endocannabinoïdes et opioides comme des composants clés des réponses analgésiques observées au cours du FCA. Cependant, à ce jour, les circuits et mécanismes précis impliqués dans ce phénomène sont largement inconnus. Plusieurs régions du cerveau, y compris le cortex préfrontal médian (mPFC), le noyau central de l'amygdale (CeA) et la substance grise périaqueducal ventrolatérale (vlPAG) ont été impliqués à la fois dans le traitement de la peur et de la douleur. Plus spécifiquement, la vlPAG, la structure de sortie du cerveau permettant l’expression du comportement de peur, reçoit de fortes modulaztions du CeA et du mPFC et est nécessaire pour les réponses de freezing. Fait intéressant, la vlPAG est également une structure clé dans la modulation de la douleur car sa stimulation électrique induit une analgésie et les neurones vlPAG répondent également aux informations nociceptives. Ainsi, bien qu'il soit clairement établi que les processus de peur et de douleur interagissent dans le vlPAG, l'organisation précise des microcircuits de la vlPAG et les mécanismes par lesquels la peur module la sensibilité à la douleur pendant le FCA restent inconnus. En utilisant une combinaison d'approches comportementales, anatomiques, optogénétiques et électrophysiologiques, nous avons mis en évidence que les neurones exprimant la somatostatine dans la vlPAG favorisent les réponses antinoceptives lors de la présentation de stimuli conditionnés. Alors que l'inhibition optogénétique des cellules SST de la vlPAG favorise l'analgésie, leur activation optogénétique réduit l'analgésie en potentialisant les réponses à la douleur dans la moelle épinière via un relais dans le RVM. Ces résultats identifient un circuit du tronc cérébral composé de cellules SST de la vlPAG qui projettent spécifiquement vers le RVM et induisent le FCA pour réguler les réponses à la douleur lors de situations menaçantes When facing a danger, mammals display a broad range of defensive fear responses among which the most studied are freezing and avoidance. Beside these responses, analgesia has also been reported to be an important defensive response to an aversive or noxious stimulus. Indeed, following fear conditioning, presentation of the conditioned stimulus (CS) lead to a reduction in pain sensitivity, a phenomenon known as fear conditioned analgesia (FCA). FCA is supposed to result from the activation of descending pathways directly modulating pain processing in the dorsal horn (DH) of the spinal cord. A number of studies have identified over the past decades the neurochemistry of FCA and identified the GABAergic, endocannabinoid and opioidergic systems as key components of the analgesic responses observed upon FCA. However, to date the precise circuits and mechanisms involved in this phenomenon are largely unknown. Several brain regions, including the medial prefrontal cortex (mPFC), the central nucleus of the amygdala (CeA) and the ventrolateral periaqueductal gray (vlPAG) have been involved both in fear and pain processing. More specifically the vlPAG, the brain output structure mediating fear behavior receives strong inputs from the CeA and the mPFC and is necessary for freezing responses. Interestingly, the vlPAG is also a key structure in pain modulation as its electrical stimulation induces analgesia and vlPAG neurons respond to nociceptive information. Thus, although it is clearly established that fear and pain processes interact in the vlPAG, the precise organization of vlPAG microcircuits and the mechanisms by which fear modulates pain sensitivity during FCA, remain unknown. Using a combination of behavioral, anatomical, optogenetic and electrophysiological approaches we show that somatostatin-expressing neurons in the ventrolateral periaqueductal gray matter (vlPAG SST cells) promote antinoceptive responses during presentation of conditioned stimuli predicting footstocks. Whereas the optogenetic inhibition of vlPAG SST cells promoted analgesia, their optogenetic activation reduced analgesia by potentiating pain responses in the spinal cord through a relay in the rostral ventromedial medulla (RVM). Together these results identify a brainstem circuit composed of vlPAG SST cells specifically projecting to the RVM and mediating FCA to regulate pain responses during threatful situations

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Telliez, Cécile. "Advanced optical microscopy for spatially and temporally precise deep brain interrogation." Electronic Thesis or Diss., Sorbonne université, 2024. http://www.theses.fr/2024SORUS041.

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Abstract:

Dans le domaine des neurosciences, l'avènement des outils optogénétiques sensibles à la lumière a ouvert de nouvelles opportunités pour contrôler précisément l'activité neuronale et étudier le fonctionnement cérébral optiquement. En optique, cela a motivé le développement de diverses stratégies d'illumination et de collecte de la lumière pour imager l'activité neuronale et la manipuler avec une précision spatiotemporelle élevée. En particulier, les approches de mise en forme de la lumière, telles que l'holographie générée par ordinateur combinée à la focalisation temporelle, ont permis de cibler des neurones individuels ou des groupes de neurones avec une grande précision temporelle et une précision spatiale proche de la cellule unique, dans des espaces volumétriques de centaines de microns. Cette précision est cruciale pour obtenir des informations critiques sur le code neuronal et établir des connexions entre l'activité neuronale, le comportement et la perception à une échelle fine. Malgré ces avancées, des défis persistent pour permettre des investigations cérébrales complexes, notamment en ce qui concerne le contrôle de vastes populations de cellules avec une précision spatiotemporelle élevée en profondeur. Pendant ma thèse, j'ai particulièrement concentré mes efforts sur ces défis et développé de nouvelles stratégies optiques de mise en forme de la lumière visant à (i) étendre le nombre de neurones excitables, (ii) améliorer la résolution temporelle et (iii) augmenter la profondeur de pénétration de l'investigation optogénétique multi-photonique ciblée et basée sur la modulation de phase de la lumière.Initialement, j'ai concentré mes efforts sur le développement d'un système optique ultra-rapide à deux photons (2P) (FLiT), où un modulateur spatial de lumière et un miroir galvanométrique sont couplés pour permettre la commutation à un taux de kHz de motifs d'illumination précis spatialement sur l'échantillon. Cela sert deux objectifs principaux. Premièrement, cela permet d'ajuster optiquement le temps d'excitation relatif de cellules distinctes avec une résolution temporelle d'environ un ordre de grandeur supérieur par rapport aux méthodes précédentes. Deuxièmement, FLiT permet de cibler un ensemble donné de cellules en réduisant le budget de puissance d'excitation d'un facteur 4-5, tout en minimisant l'élévation thermique induite par la lumière. Pour pousser cette approche encore plus loin, j'ai ensuite modifié la conception optique originale en incluant une unité de de-scan (deFLiT), ce qui a permis d'élargir le nombre d'hologrammes utilisables et d'augmenter encore davantage le gain de puissance et la précision temporelle du FLiT conventionnel.Dans la deuxième phase de la thèse, je me suis concentré sur un système holographique à trois photons (3P) pour mener des expériences d'optogénétique plus profondément à l'intérieur du cerveau. J'ai conçu et construit le système, puis je l'ai validé en photo-activant diverses opsines et en induisant leur activation à haute fréquence dans les neurones ciblés sous un régime d'excitation à 3P que j'ai également vérifié. Par rapport aux systèmes holographiques à deux photons précédents, cette approche permettra d'étendre les investigations entièrement optiques à des régions plus profondes du cerveau.Ces nouvelles stratégies seront importantes pour étudier les circuits neuronaux avec une stimulation optogénétique rapide et précise à travers de vastes ensembles neuronaux en profondeur In the field of neuroscience, the advent of light-sensitive optogenetic tools has opened new opportunities for precisely controlling neuronal activity and study brain functioning optically. In optics, this has motivated the development of various light-delivery and collection strategies to functionally image and manipulate neural activity with high spatiotemporal precision. Particularly, light-shaping approaches, such as Computer-Generated Holography combined with Temporal Focusing, have enabled temporally precise targeting of individual neurons or clusters with near single-cell accuracy within volumetric spaces of hundreds of microns. This precision is crucial to get critical insights into the neural code and establishing connections between neural activity with behavior and perception at fine scale. Despite these advancements, challenges persist in enabling complex brain investigations, especially when it comes to control vast populations of cells with high spatiotemporal precision in depth. During my thesis, I particularly focused on those challenges and developed new light-shaping optical strategies aiming at (i) expanding the number of excitable neurons, (ii) improving temporal resolution and (iii) increasing the penetration depth of cell-targeted multiphoton optogenetic investigation based on phase-modulation light-targeting.Initially, I concentrated on developing an ultra-fast two-photon (2P) optical system (FLiT), where a multiplexing LC-SLM and a galvanometric mirror are coupled to allow kHz-rate switching of spatially precise illumination patterns on the sample. This serves two primary purposes. Firstly, it enables to optically tune the relative spiking time of distinct cells with a temporal resolution of about one order of magnitude higher compared to previous methods. Secondly, FLiT allows targeting a given ensemble of cells by reducing the excitation power budget by a 4-5 factor, while minimizing light-induced thermal rise. To push forward this approach, I further modified the original optical design by including a de-scan unit (deFLiT) which enabled to enlarge the number of usable holograms and increase even further the power gain and temporal precision of conventional FLiT .In the second phase of the thesis, I focused on a three-photon (3P) holographic system to conduct optogenetics experiments deeper inside the brain. I designed and built the system and I then validated it by photo-activating various opsins and driving high-rate firing in targeted neurons under a verified 3PE regime. Compared to previous holographic 2P-photon systems, this approach will enable the extension of all-optical investigations to deeper brain regions.These new strategies will be important for studying neuronal circuits with rapid and precise optogenetic stimulation across large neuronal ensembles in depth

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Assayag, Osnath. "Méthodes optiques passive et active pour l’étude des tissus biologiques." Paris 6, 2013. http://www.theses.fr/2013PA066762.

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Abstract:

Deux aspects de l'exploration des tissus biologiques par la lumière sont étudiés : l'imagerie et la photoactivation. La méthode d'imagerie est la Tomographie par Cohérence Optique Plein Champ (FF-OCT) qui image les photons balistiques par interférométrie en lumière faiblement cohérente. L’intérêt de la FF-OCT est de fournir des images "en face", de grande taille en un temps court ayant une résolution de l'ordre de 1µm3 et dont le contraste ne dépend que des propriétés de rétrodiffusion des structures du tissu. Deux études de caractérisation des tissus mammaires et cérébraux pour le diagnostic des tumeurs sont présentées. L'aspect morphologique des structures de base du tissu ainsi que sa modification en cas de lésion a été mis en évidence. Une procédure de classification des tissus fondée sur des critères spécifiques aux images FF-OCT a permis de reconnaitre les tissus malins des tissus bénins ou sains. La méthode de photoactivation étudiée est l'holographie monophoton pour des applications en optogénétique. Deux limites actuelles de la technique sont dépassées : 1) La non uniformité de l’intensité lumineuse des hologrammes dans le champ d’excitation est modifiée en corrigeant l’efficacité de diffraction du SLM utilisé pour le calcul holographique 2) La difficulté de contrôler le niveau d'expression des protéines photosensibles dans les cellules est surmontée en stimulant les cellules de manière inversement proportionnelle à leur niveau d'expression, entrainant ainsi des réponses identiques de cellules ayant la même fonction dans le réseau neuronal Two different aspects of biological tissue exploration using light are presented in this work : Imaging and Photoactivation. For the imaging part, we are interested in Optical Coherence Tomography (OCT), a technique that selects ballistic photons using low coherence interferometry in order to virtually slice inside the tissue, and in particular to the so called Full Field Optical Coherence Tomogaphy variant. FF-OCT captures en face slices of tissue samples at 1 μm resolution in 3D, in a limited time (1 cm2 specimen processed in about 7 min), requiring no contrast agent injection. Two preclinical studies are performed on breast and cerebral tissue. In both cases, major architectural features and structures of benign or normal tissue were characterized. Subsequently, features resulting from pathological modification were assessed resulting in the development of a diagnosis decision tree and a classification procedure based on FF-OCT images only is proposed to distinguish malignant from benign or normal tissue. The second part of the work focuses on the use of single photon holography for optogenetics applications and proposes to exceed two current limitations of the technique for neuronal connectivity studies. First, the computed generation of holograms requires the use of a device called Spatial Light Modulator (SLM ) whose intrinsic characteristics impose a non-uniform distribution of light intensity over the field of excitation. By modifying the algorithm responsible for holograms generation we show that it is possible to correct the diffraction efficiency of the SLM. Secondly, the use of optogenetic tools can be limited by the difficulty of controlling the level of expression of optogenetic proteins in cells. This difficulty is overcome here by showing that it is possible to photoactivate cells in an inverse proportion to their expression level hence causing same physiological responses from cells having the same function

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Hay, Audrey. "Réponses des circuits corticaux aux afférences sous-corticales impliquées dans les états de vigilance." Thesis, Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066412/document.

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Abstract:

Au cours de cette thèse, j’ai cherché à comprendre comment trois structures impliquées dans la modulation des états vigilance agissaient sur la dynamique du réseau cortical. Les noyaux du thalamus non-spécifique sont impliqués dans le transfert d’informations contextuelles. À l’inverse, les noyaux spécifiques convoient des informations sensorielles vers le néocortex. Ces entrées sensorielles activent fortement les interneurones fast-spiking du cortex qui limite la durée de l’activation du réseau. À l’inverse, mes travaux montrent que les entrées contextuelles entraînent l’activation des interneurones lents, générant une activation prolongée du réseau cortical. D’autre part, je me suis intéressée à la couche VIb du néocortex dont les neurons sont sensibles à deux modulateurs des états de vigilance : l’orexine et à l’acétylcholine. J’ai pu montrer que la couche VIb projette principalement dans les couches corticales infragranulaires où elle pourrait être servir d’ampliﬁcateur dépendant de l’orexine des entrées du thalamus non-spéciﬁque. Finalement, j’ai cherché à comprendre si la transmission nicotinique endogène était médiée par une synapse ou par transmission volumique. Pour cela, j’ai comparé les courants nicotinques reçus par les neurones des couches I et VI. Mes travaux mettent en évidence l’existence d’une synapse mixte comprenant des récepteurs α4β2 et α7 dans la couche I et d’une synapse simple comprenant uniquement α4β2 en couche VI. Ces synapses sont activées par la stimulation phasique des neurones cholinergiques. Néanmoins mes résultats suggèrent aussi l’existence de récepteurs α4β2 extra-synaptiques activés par la libération tonique des ﬁbres cholinergiques During my PhD, I investigated how three structures involved in the modulation of arousal states act on the dynamic of the cortical network. Nuclei of the non-specific thalamus convey information on environmental and behavioral context, whereas specific nuclei relay sensory information to the neocortex. These sensory inputs activate strongly the fast-spiking interneurons of the neocortex that limits response duration of the network. Conversely, I showed that contextual inputs target mainly the slow adapting interneurons allowing a long-lasting activation of the cortical network. I have also been interesting in the layer VIb of the neocortex whose neurons are sensitive to orexin and acetylcholine, two main modulators of the arousal states. I showed that layer VIb projects mainly onto infragranular cortical layers where its activation should act as an orexin-dependent amplifier of the non-specific thalamic inputs. Finally, I tried to decipher whether the endogenous nicotinic transmission is mediated by a synapse or by volume transmission. To do that, I compared nicotinic currents received by layer I interneurons and layer VI pyramidal cells. I showed that nicotinic transmission is likely to be mediated by a mixed synapse comprising α4β2 and α7 receptors in layer I and a simple α4β2 containing synapse in layer VI. These synapses are activated by a phasic stimulation of the cholinergic fibers. However, my results also suggest that a tonic activation of these fibers recruits extra-synaptic α4β2 receptors in both layer I and VI neurons

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Ztaou, Samira. "Implication des interneurones cholinergiques striataux dans la physiopathologie de la maladie de Parkinson : étude optogénétique, pharmacologique et comportementale." Thesis, Aix-Marseille, 2016. http://www.theses.fr/2016AIXM4736/document.

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La maladie de Parkinson (MP) est caractérisée par une perte dopaminergique dans le striatum, structure sous-corticale impliquée dans le contrôle moteur, la mémoire et les comportements émotionnels. Les interneurones cholinergiques (ChIs) striataux jouent un rôle clef dans cette réorganisation pathologique du striatum en modulant l’activité des neurones de projection striataux (MSNs). Ce travail vise à étudier l’implication des ChIs et des récepteurs muscariniques (mAChRs) dans les mécanismes qui sous-tendent l’expression des déficits moteurs, cognitifs et émotionnels dans différents modèles de la MP chez la souris. L’inhibition optogénétique des ChIs réduit les déficits moteurs (akinésie, asymétrie posturale, déficit sensori-moteur). Les enregistrements électrophysiologiques montrent que l’inhibition des ChIs réduit l’excitabilité des MSNs et rétablit l’équilibre d’activité des deux voies de sortie striatale. Ces effets antiparkinsoniens sont reproduits par le blocage pharmacologique striatal des mAChRs M1 et M4. Ils sont dus à une action préférentielle de l’ACh sur les mAChRs au niveau des MSNs à l’origine de la voie striatonigrale puisqu’ils disparaissent chez des souris invalidées pour les récepteurs M4 exprimés dans ces neurones. La photoinhibition des ChIs réduit les déficits mnésiques et l’anxiété. L’antagoniste des mAChRs M1 réduit l’anxiété mais est inefficace sur les déficits mnésiques, suggérant que d’autres récepteurs cholinergiques striataux puissent être engagés dans les fonctions mnésiques. L’ensemble de nos résultats apporte un éclairage nouveau sur l’implication des ChIs striataux dans le fonctionnement physiologique et pathologique du striatum Parkinson’s disease (PD) is characterized by a dopamiergic loss into the striatum, a subcortical structure involved in motor control, memory and emotional behaviors. Striatal cholinergic interneurons (ChIs) play a key role in this pathological reorganization of the striatal circuitry by modulating striatal projection neurons (MSNs). This study aims to investigate the involvement of ChIs and muscarinic receptors (mAChRs) in the mechanisms underlying the expression of motor, cognitive and emotional deficits observed in different models of PD in mice. ChIs optogenetic inhibition reduced motor deficits (akinesia, postural asymmetry, sensorimotor deficit). Electrophysiological recordings show that ChIs photoinhibition reduces MSNs excitability and restores the balance between the two striatal output pathways. These antiparkinsonian effects are reproduced by pharmacological intrastriatal blockade of M1 and M4 mAChRs. They are due to a preferential action of ACh on mAChRs expressed on striatonigral MSNs since the deficits disappear in mutant mice that lack M4 mAChRs only in these neurons. ChIs photoinhibition also reduces memory deficits and anxiety. M1 mAChRs antagonist reduces anxiety but is inefficient on memory deficits, suggesting that other cholinergic receptors might be involved in striatal memory functions. Overall, these results give new insights on the role of cholinergic interneurons in the normal and pathological functioning of the striatum

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Rucli, Marco. "Vertebrate opsin-based optogenetics for highly sensitive vision restoration." Electronic Thesis or Diss., Sorbonne université, 2024. https://accesdistant.sorbonne-universite.fr/login?url=https://theses-intra.sorbonne-universite.fr/2024SORUS188.pdf.

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La thèse vise à développer une stratégie optogénétique de deuxième génération pour la restauration de la vision à l'aide de la thérapie génique. Cette approche est innovante dans son principe car elle est basée sur les opsines de vertébrés au lieu des opsines microbiennes largement utilisées. Le principal avantage des opsines de vertébrés est leur sensibilité beaucoup plus élevée, obtenue grâce à une cascade d'amplification du signal, qui leur permet de fonctionner dans des conditions d'éclairage ambiant ; des dispositifs d'amplification de la lumière ne devraient donc pas être nécessaires, comme c'est le cas pour les stratégies basées sur les opsines microbiennes publiées jusqu'à présent. De plus, étant donné leur origine mammifère, les opsines des vertébrés ne devraient pas déclencher de réponses immunologiques significatives lorsqu'elles sont surexprimées dans la rétine.Au cours de la thèse, il a été démontré qu'il est possible de cibler les opsines de vertébrés sur les neurones rétiniens internes restants dans une rétine dégénérée (cellules amacrines AII et cellules ganglionnaires de la rétine) d'un modèle de souris (rd1) pour la dégénérescence rétinienne. Dans les cellules amacrines AII, une des trois opsines testées, l'opsine Opn1sw, sensible aux courtes longueurs d'onde, a permis de restaurer partiellement la génération de signaux ex vivo lors d'une stimulation lumineuse ; ce résultat positif était cependant caractérisé par une faible efficacité, probablement due à une fuite du promoteur. En effet, le séquençage de l'ARN d'une seule cellule a montré une faible spécificité du promoteur et une fuite considérable vers d'autres types de cellules.Dans les cellules ganglionnaires rétiniennes, Opn1sw a entraîné une forte hyperpolarisation cellulaire lors de l'illumination lumineuse, un résultat inattendu compte tenu de la littérature disponible. En effet, les données publiées précédemment sur l'opsine sensible aux longueurs d'onde moyennes ont montré une forte dépolarisation cellulaire lors de la stimulation lumineuse (Berry et al., 2019).Lors d'un test comportemental in vivo, les opsines n'ont pas semblé déterminer un comportement induit par la lumière, ce qui suggère que des tests supplémentaires sont nécessaires pour évaluer pleinement leur potentiel dans la restauration de la vision The thesis aims at developing a second generation optogenetic strategy for vision restoration using gene therapy. This approach is innovative in principle because is based on vertebrate opsins instead of the widely used microbial opsins. The main advantage of vertebrate opsins is their much higher sensitivity, achieved through a signal amplifying cascade, which allows them to work under ambient lighting conditions; light-amplifying devices should therefore not be required, as is the case for microbial-opsin based strategies published to date. As an added benefit, given their mammalian origin, vertebrate opsins should not trigger significant immunological responses when overexpressed in the retina.During the thesis, it was shown that it is possible to target vertebrate opsins to remaining inner retinal neurons in a degenerated retina (AII amacrine cells and retinal ganglion cells) of a mouse model (rd1) for retinal degeneration. In AII amacrine cells, one out of the three tested opsins, the short-wavelength sensitive opsin Opn1sw, resulted in a partial restoration of ex-vivo signal generation upon light stimulation; such positive result was characterized, however, by a low efficiency, probably due to promoter's leakiness. Indeed, single cell RNA sequencing showed poor promoter's specificity and considerable leakiness towards other cells types.In retinal ganglion cells, Opn1sw resulted in strong cellular hyperpolarization upon light illumination, an unexpected result considering the available literature. Indeed, previously published data on the medium-wavelength-sensitive opsin showed strong cellular depolarization upon light stimulation (Berry et al., 2019).When tested in a behavioral test in vivo, opsins did not seem to determine a light-induced behavior, suggesting that further testing is needed in order to fully evaluate their potential in vision restoration

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Abbasi, Mohammad Aamir. "Integration of sensory feedback in a closed-loop cortical brain-machine interface requires somatotopy." Thesis, Université de Paris (2019-....), 2019. https://theses.md.univ-paris-diderot.fr/ABBASI_MohammadAamir_va1.pdf.

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Abstract:

Le développement des interfaces cerveau-machine (ICM) apporte une nouvelle perspective aux patients en perte d'autonomie motrice. En combinant des enregistrements en ligne de l'activité cérébrale avec un algorithme de décodage, les patients peuvent apprendre à contrôler un bras robotique afin d'effectuer des actions simples. Cependant, contrairement à la grande quantité d'informations somatosensorielles fournie par les membres physiologiques vers le cerveau, les ICM actuelles sont dépourvues de capteurs de toucher et de force. Les patients doivent donc se fier uniquement à la vision et à l'audition, qui sont inadaptées au contrôle d'une prothèse. Cela contraste avec le fait que dans le cas d’un membre sain, les entrées somatosensorielles seules peuvent guider efficacement la manipulation d'un objet fragile, ou assurer une trajectoire précise. Une caractéristique intéressante des entrées somatosensorielles est leur organisation topologique à la surface corticale. Cette carte corticale semble jouer un rôle déterminant dans la perception sensorielle. Par conséquent, l'intégration d'une rétroaction somatosensorielle artificielle alignée sur cette carte corticale pourrait aider grandement l’intégration avoir un impact déterminant dans le transporter un grand nombre d'informations. Pour vérifier cette hypothèse, nous avons développé un ICM chez la souris qui inclut une riche rétroaction corticale artificielle de type somatosensoriel. Notre installation comprend des enregistrements en ligne de l'activité de plusieurs neurones dans le cortex moteur primaire du whisker (wM1), et fournit une rétroaction simultanée via une photostimulation du cortex somatosensoriel primaire du whisker (wS1), à faible latence, haute fréquence et structure spatiale, basée sur une cartographie obtenue par imagerie intrinsèque. Nous démontrons le fonctionnement de la boucle et montrons que les souris peuvent détecter l’activité des neurons dans wS1 déclenchée par les photostimulations. Surtout, nous montrons qu'en utilisant l'ICM en boucle fermée, les souris peuvent avoir une meilleure performance dans une tâche comportementale lorsque la structure du feedback artificiel est respecté somatotopie connue de wS1 The development of brain-machine interfaces (BMIs) brings a new perspective to patients with a loss of motor autonomy. By combining online recordings of brain activity with a decoding algorithm, patients can learn to control a robotic arm in order to perform simple actions. However, in contrast to the vast amounts of somatosensory information channeled by limbs to the brain, current BMIs are devoid of touch and force sensors. Patients must therefore rely solely on vision and audition, which are maladapted to the control of a prosthesis. In contrast, in a healthy limb, somatosensory inputs alone can efficiently guide the handling of a brittle object, or ensure a smooth trajectory. One interesting feature of somatosensory inputs is its topological organization at the cortical surface. This cortical map plays a role in sensory perception. Therefore, integrating artificial somatosensory feedback aligned and consistent with this cortical map could potentially help the subject to decode the information conveyed by the feedback. To test this hypothesis, we have developed a BMI in the mouse model that includes a rich artificial somatosensory-like cortical feedback. Our setup includes online recordings of the activity of multiple neurons in the whisker primary motor cortex (wM1), and delivers feedback simultaneously via a low-latency, high-refresh rate photo-stimulation of the whisker primary somatosensory cortex (wS1) that is spatially structured at the mesoscopic scale, based on a mapping obtained by intrinsic imaging. We demonstrate the operation of the loop and show that mice can detect the wS1 neuronal spiking triggered by the photostimulations. Remarkably, we show that in the closed loop BMI, mice can have a significantly better performance in a behavioral task when the structure of the artificial feedback abides to the known wS1 somatotopy

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Wahyuni, Dwiria. "Développements de méthodes de microscopie de fluctuations de fluorescence : application aux mesures de densité de protéines sur substrats et à la caractérisation de processus d'optogénétique." Thesis, Université Grenoble Alpes, 2020. http://www.theses.fr/2020GRALY035.

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Abstract:

L'analyse quantitative en imagerie microscopique est toujours un défi. Une technique quantitative notable est la Microscopie de Fluctuation de Fluorescence, qui est une famille d'outils analytiques généralement développés pour les microscopes confocaux, qui tire parti des fluctuations temporelles et/ou spatiales du signal de fluorescence émis par les molécules. Premièrement, nous avons développé une approche qui combine l'Image Correlation Spectroscopy avec photoblanchiment pour mieux estimer la densité des molécules immobilisées au surface. Le modèle est utile pour surmonter la limitation de l'Image Correlation Spectroscopy standard lorsqu'elle est appliquée à des systèmes de molécules de multi-marqueurs ou des agrégats. Il a été testé avec succès sur des billes de fluorescence qui qui montrent une large distribution d’intensité lumineuse. Le modèle est également démontré sur des protéines de la matrice extracellulaire déposées sur le substrat et oligomérisation des protéines dans le cytoplasme. Deuxièmement, nous avons réalisé des outils de la Raster Image Correlation Spectroscopy sur des cellules optogénétiques de CRY2/CIBN et étudié la dynamique des protéines cytoplasmique de CRY2 et des protéines membranaires de CIBN. La technique couvre un large processus de diffusion ; ile est donc utile de mesurer la constante de diffusion pour les deux protéines et fournit une carte de mobilité des protéines dans la membrane révélant une dynamique différente sur toute la zone. Nous avons également réussi à caractériser le processus de dissociation de CRY2 / CIBN Quantitative analysis in microscopy imaging has always been a challenge. One noticeable quantitative technique is Fluorescence Fluctuation Microscopy, which is a family of analytical tools generally developed for confocal microscopes that takes advantage of the temporal and/or spatial fluctuations of the fluorescence signal emitted by molecules, Firstly, we developed an approach that combines Image Correlation Spectroscopy with photobleaching to better estimate the surface density of immobilized molecules. The model is useful to overcome the limitation of the standard Image Correlation Spectroscopy when applied to systems of molecules with multi-labeling or aggregates. It has been successfully tested on fluorescence beads that exhibit a wide distribution of brightness. The model was then applied to proteins of the extracellular matrix deposited on the substrate and oligomerization of protein in the cell cytoplasm. Secondly, we performed Raster Image Correlation Spectroscopy on CRY2/CIBN optogenetics cells and studied the dynamics of the proteins of the cytoplasmic CRY2 and membranous CIBN proteins. The technique covers a wide range of diffusional processes; thus, it is useful to measure the diffusion constant for both proteins, including a mapping of protein mobility in membrane revealing a different dynamics over the whole area. We also managed to characterize the dissociation process of CRY2/CIBN

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Kerjouan, Adèle. "Décodage des fonctions spatio-temporelles de la signalisation Src impliqué dans la migration et l'invasion par une approche optogénétique." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018GREAV040.

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Abstract:

Les cellules détectent et intègrent une multitude de signaux d'instruction provenant de leur microenvironnement via un ensemble de récepteurs transmembranaires. Ces informations sont ensuite collectées au niveau des nœuds de signalisation intracellulaires pour être ensuite dispersées en cascades de signalisation afin de déterminer la destinée cellulaire. La manière dont un nœud de signalisation peut interpréter plusieurs stimuli et transmettre de manière spatio-temporelle les informations appropriées restent incomprises. Le proto-oncogène c-Src est une tyrosine kinase pléiotrope, un nœud signalisation essentiel au pilotage de nombreux processus cellulaires, tels que la migration, l'invasion, la dégradation et la division cellulaire. Nous avons développé une approche synthétique pour explorer la relation entre la structure de la SRC et la multiplicité des processus cellulaires qu’elle régule. Notre approche a abouti au découplage des différents modules composant la protéine SRC afin de comprendre l’impact de chacun d’eux sur son activité dans l’espace et dans le temps. Notre approche pour contrôler plusieurs états de la conformation SRC était la conception d’un OptoSrc capable à la fois de former des oligomères et d’être recruté à la membrane plasmique. Pour ce faire, nous avons modifié la structure de la SRC afin qu'elle soit potentiellement active dans le noir et nous l'avons fusionnée avec le CRY2 sensible à la lumière. La stimulation lumineuse induit l'hétérodimérisation CRY2 avec un CIBN ancré à la membrane plasmique et son homo-oligomérisation et déclenche une relocalisation de l’OptoSrc à la membrane plasmique ou son oligomérisation. Ce double système a permis de générer deux types de mobilitéz différentes au sein des adhérences focales à deux destins différents, la formation de lamellipodes dans un cas et la formation d’invadosomes dans l’autre Cells sense and integrate a multitude of instructional signals from their microenvironment through a diverse set of transmembrane receptors. This information is then collected at intracellular signaling nodes to later disperse down signaling cascades to drive cell fate. How one signaling node can interpret multiple stimuli and spatio-temporally transmit the appropriate information remains poorly understood. The proto-oncogene c-Src is a pleiotropic tyrosine kinase, is one such node essential for driving many cellular processes, such as migration, invasion, degradation, and cell division. We developed a synthetic approach to explore the relationship between SRC structure and the multiplicity of cellular processes it regulates. Our approach resulted in the decoupling of the different modules composing SRC protein to understand how each of them impacts its activity in space and time. Our approach to control multiple state of SRC conformation was the design of an OptoSrc both capable of forming oligomers and to be recruited at the plasma membrane. To do so, we modified SRC structure to be potentially active in the dark and fused it with light sensitive CRY2. Light stimulation induces CRY2 hetero-dimerization with a CIBN anchored at the plasma membrane and its homo-oligomerisation triggering relocalization of OptoSrc at the plasma and/or its oligomerization. This system generated two different type of mobility of OptoSrc inside focal adhesion inducing two different adhesion fates, the formation of invadosome in one case and the formation of lamellipodia on the other

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Quiquempoix, Michael. "Rôle de la connectivité intracorticale dans le traitement des informations sensorielles." Thesis, Paris 6, 2017. http://www.theses.fr/2017PA066181/document.

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Abstract:

La perception consciente du monde extérieur repose sur la coordination spatiotemporelle de l’activité des neurones corticaux. Les aires corticales primaires chez les mammifères sont organisées en six couches. Il a été proposé que l’information sensorielle soit traitée de façon sérielle à travers les 6 couches du cortex. D’abord au niveau de la couche IV, cible des afférences thalamiques. Ensuite au niveau des couches II/III, innervées par les neurones excitateurs de la couche IV. Et enfin par les neurones des couches profondes, V et VI, qui sont innervés par les cellules pyramidales des couches II/III. Les neurones pyramidaux de la couche V constituant la principale sortie du néocortex.Il a récemment été montré que les neurones des couches profondes reçoivent également des informations sensorielles directement par des afférences thalamiques, ce qui pose la question du rôle de la connectivité interlaminaire dans le traitement sensoriel opéré par le cortex.J’ai ainsi tiré profit de la technique d’électroporation in utero qui permet d’exprimer spécifiquement des protéines photo-activables dans les cellules pyramidales des couches II/III du cortex somesthésique primaire de la souris. En procédant à des enregistrements unitaires des neurones corticaux à la fois chez des animaux anesthésiés et éveillés, j’ai montré que le recrutement des neurones pyramidaux des couches II/III amplifie les réponses sensorielles des neurones de la couche V. Par ailleurs, l’analyse de cette amplification en fonction de l’intensité des stimulations sensorielles indique que la connectivité interlaminaire joue un rôle majeur dans la modulation du gain des neurones de la couche de sortie du cortex The sensory perception of the external world relies on the coordinated activity in space and time of cortical neurons. Primary sensory areas of mammals are organized in six layers.It has been suggested that sensory information is processed serially through the six layers of the cortex. Sensory information is supposed to propagate first through the layer IV, principal target of thalamic axonal projections. Cortical layers II/III then receive sensory information relayed by layer IV excitatory neurons. Finally, deep cortical layers V and VI are connected by layer II/III pyramidal cells. Layer V pyramidal neurons are the principal output of the neocortex.Recently, it has been shown that deep layer neurons receive direct thalamic inputs relaying sensory information. The role of the translaminar connectivity during sensory processing remains an opened question.I took the advantage of in utero electroporation to express photo-sensitive proteins specifically in layer II/III pyramidal cells of the mouse primary somatosensory cortex.By proceeding to extracellular recordings of cortical neurons of either anesthetized or awake mice, I have shown that the recruitment of layer II/III pyramidal neurons amplifies layer V neurons sensory responses. Moreover, the analysis of this amplification phenomenon as a function the sensory stimulation intensity suggests that translaminar connectivity can operate a gain modulation of the layer V pyramidal neurons

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Todorov, Zlatomir. "Computational study of the structure-function relationship of Kir3 channels and applications to the design of light-gated Kir3 channels." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019GREAV030.

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Abstract:

Cette thèse de doctorat porte sur une famille de protéines transmembranaires exprimées sous forme de tétramères qui fonctionnent en tant que canaux ioniques sélectifs pour le potassium - le membre 3 des canaux potassiques à rectification entrante (Kir3). Quatre gènes codant pour les protéines Kir3 sont présents chez les mammifères dans la sous-famille, à savoir les membres Kir3.1-4. L'activité et l'expression tissulaire varient fortement en fonction des sous-unités constituant les canaux Kir3. Ces canaux sont activés par des interactions simultanées et directes avec des dimères bêta-gamma de la protéine G (Gβγ) libérés par les hétérotrimères de la protéine G de la classe G(i/o), des lipides PIP2 du feuillet interne de la membrane et des ions Na+ intracellulaires. Ces canaux permettent la genèse d’un courant potassique hyperpolarisant à des potentiels membranaires proches de l'EK. Ils jouent un rôle important dans la régulation de l'excitabilité cellulaire dans différents tissus. Des maladies ont été associées à une mauvaise régulation des canaux Kir3 de type sauvage ou à des mutations de leurs gènes.Un de mes objectifs a été de caractériser la dynamique conformationnelle sous-jacente à la fonction du canal Kir3.2 en utilisant la dynamique moléculaire. En partant de modèles obtenus par cristallographie aux rayons X, au lieu d’utiliser Gβγ pour ouvrir le canal dans nos simulations nous avons cherché à établir la stoichiométrie d’un ensemble de petites molécules connues pour l’activation de Kir3.2. Ainsi, dans une série de trajectoires où différentes combinaisons de partenaires étaient modélisées, le canal Kir3.2 a traversé différents états conformationnels et conducteurs – tout en reproduisant des caractéristiques décrites dans la littérature. Cette approche a amené à la découverte de nouveaux sites d'interaction lipide-protéine, potentiellement impliqués dans un mécanisme de rétroaction négative intrinsèque au canal Kir3.2. Cette prédiction est corroborée par des données de cristallographie aux rayons X publiées antérieurement et non exploitées dans ce contexte. L’analyse des trajectoires a également montré de nouvelles voies allostériques reliant les sites d’interaction du ligand aux portes du canal. De plus, sur la base de la dynamique du canal de type sauvage, nous avons proposé des mécanismes moléculaires pour plusieurs mutants pathologiques caractérisés expérimentalement.Parallèlement au projet théorique, j’ai travaillé à l’élaboration de canaux Kir3 sensibles à la lumière pour l’optogénétique. L’utilisation de modèles par homologie a guidé la sélection de résidus du canal qui ont été mutés en cystéine. La présence de cystéines réduites est nécessaire pour le marquage des protéines exprimées dans la membrane des ovocytes de Xenopus laevis avec les ligands photosensibles que nous avons utilisés. Parmi les vingt mutants cystéines criblées, l’un d’entre eux a montré un phénotype modéré de photo-activation. Ce phénotype a pu être considérablement amélioré par une mutation additionnelle, nous permettant d’obtenir le premier canal Kir3 constitutivement inactif et activable par la lumière.La procédure de simulation éprouvée dans ce travail est particulièrement adaptée à l’étude de divers canaux Kir3 d’intérêt. Une perspective pour nos modèles serait leur utilisation dans la conception de composés visant des conformations spécifiques du canal Kir3.2 en l’absence de données expérimentales sur les états d’ouverture et de fermeture complètes. Enfin, le canal Kir3.4 photosensible pourrait trouver des applications en biologie synthétique en tant que diode contrôlée par la lumière. En outre, ce mutant pourrait être inoculé in vivo – il devrait rester silencieux après marquage et fournir des informations sur le rôle physiologique de l'augmentation des courants médiés par canaux Kir3 lorsqu'il est activé par la lumière ultraviolette This doctoral thesis focuses on a family of transmembrane proteins expressed as tetrameric assemblies which function as selective potassium ion channels – the potassium inward rectifier member 3 (Kir3). In the sub-family, four genes coding Kir3 proteins are present in mammals, namely, members Kir3.1 4. The activity and tissue-specific expression of Kir3 channels greatly vary with subunit composition. Kir3 channels are activated by direct simultaneous interactions with G-protein beta-gamma dimers (Gβγ) released from G-protein heterotrimers of the G(i/o) class, PIP2 lipids from the inner membrane leaflet and intracellular Na+ ions. These channels mediate hyperpolarizing potassium currents at membrane potentials close to EK, thus they are critical for development and health as they play an important role in decreasing cell excitability in different tissues. Disease conditions have been linked to misregulation of wild-type Kir3 channels or mutations of their genes.Starting from an X-ray crystallographic model, our goal was to obtain trajectories demonstrating simulated molecular dynamics of the wild-type Kir3.2 channel. We optimized a computational protocol using a set of brute-force simulations where different combinations of Kir3 activators were implemented. We observed the Kir3.2 channel transitioning between different conformational and conductive states – successfully reproducing dynamic features reported in the literature. We discovered novel functional lipid-protein interaction sites potentially involved in a negative-auto-feedback mechanism intrinsic to the Kir3.2 channel. Interestingly, this prediction is backed by previously published X ray crystallography data not exploited in this scope. Detailed analysis of the trajectories provided description of novel allosteric pathways linking the channel gates and the ligand interaction sites. In addition, based on the observed dynamics of the wild-type channel, we proposed molecular mechanisms for several experimentally-characterized pathologic mutants.In parallel to the computational project, we attempted to engineer light-gated Kir3 channels. This work was aided by homology models which guided the selection of positions satisfying an arbitrary set of criteria for cysteine mutagenesis. The presence of reduced cysteines is required for the labeling of the proteins expressed into the membrane of Xenopus laevis oocytes with the photoswitchable tethered ligands (PTL) we used. Among the twenty screened cysteine mutants, one construct showed a mild photo-blocking phenotype. Further engineering greatly improved this phenotype, yielding the first light-activated Kir3.4 homotetrameric channel.We believe that our simulation procedure is particularly suited for the investigation of various Kir3 assemblies of interest. An additional perspective for our models is to be used for the rational design of compounds targeting a specific conformation of Kir3.2 channel in the absence of experimentally obtained fully open/closed and transition-states conformations. Lastly, the developed photo-blocked Kir3.4 homotetramer could find applications in synthetic biology as a light-enabled diode. Alternatively, this mutant could be knocked-in in vivo – it should remain silent upon PTL-labeling in the resting-state, and provide information on the physiological role of the increase of Kir3 mediated currents when activated by ultra-violet light

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Lu, Han. "Homeostatic structural plasticity of neuronal connectivity in response to external stimulation : a combined study using computer simulations and in vivo experiments." Electronic Thesis or Diss., Strasbourg, 2020. http://www.theses.fr/2020STRAJ059.

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Abstract:

Les neurones pyramidaux sont des unités hautement plastiques des circuits neuronaux. Les boutons axonaux et les épines dendritiques forment ou brisentcontinuellement les synapses. La règle d'Hebb, "les neurones qui s’excitent ensemble, se connectent ensemble", a d'abord été proposée pour expliquer la plasticité synaptique. Cependant, de plus en plus d'études suggèrent que les neurones maintiennent leur fréquence de décharge physiologique par régulation homéostasique. De récentes études montrent que le modèle de plasticité structurelle homéostatique (PSH), combinant à la fois la plasticité structurelle et l’homéostasie de la fréquence de décharge, présente une excellente auto-régulation de la stabilité du réseau tout en atteignant les propriétés Hebbiennes. Ainsi, cette thèse explore la possibilité d'utiliser ce modèle pour expliquer la régulation de la plasticité en réponse à une stimulation externe et précise son échelle de temps biologique Pyramidal neurons are highly plastic units of neural circuits. Under basal conditions, axonal boutons and dendritic spines continually form or break synapses. External perturbations further accelerate such changes. Hebb's rule,``fire together, wire together'', was first proposed to explain the observed synaptic plasticity. However, accumulating evidence suggests neurons homeostatically control their neural activity. The conventional solution in computer simulations is combining Hebb's rule with other homeostatic mechanisms to stabilize network dynamics. A recent model of homeostatic structural plasticity (HSP), which includes structural changes and negative feedback control of neural activity, preserves network stability and meanwhile presents similar properties as Hebb's rule. This thesis explores the feasibility of using this model to explain the plasticity induced by external stimulations and pinpoints its time scale

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Husson, Zoé. "Glycinergic neurons and inhibitory transmission in the cerebellar nuclei." Thesis, Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066279/document.

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Abstract:

Le cervelet, composé d'un cortex et de noyaux, est responsable du contrôle moteur fin des mouvements et de la posture. En combinant une approche génétique (basée sur l'utilisation de lignées de souris transgéniques) avec des traçages anatomiques, des marquages immunohistochimiques et des expériences d'électrophysiologie et d'optogénétique, nous établissons les caractères distinctifs des neurones inhibiteurs des noyaux cérébelleux et en détaillons la connectivité ainsi que les fonctions dans le circuit cérébelleux. Les neurones inhibiteurs glycinergiques des noyaux profonds constituent une population de neurones distincts des autres types cellulaires identifiables par leur phénotype inhibiteur mixte GABAergique/glycinergique. Ces neurones se distinguent également par leur plexus axonal qui comporte une arborisation locale dans les noyaux cérébelleux où ils contactent les neurones principaux et une projection vers le cortex cérébelleux où ils contactent les cellules de Golgi. Ces neurones inhibiteurs reçoivent également des afférences inhibitrices des cellules de Purkinje et pourraient être contactés par les fibres moussues ou les fibres grimpantes.Nous apportons ainsi la première étude d'une transmission mixte fonctionnelle par les neurones inhibiteurs des noyaux cérébelleux, projetant à la fois dans les noyaux et le cortex cérébelleux. L'ensemble de nos données établissent les neurones inhibiteurs mixtes des noyaux cérébelleux comme la troisième composante cellulaire des noyaux profonds. Leur importance dans l'organisation modulaire du cervelet, ainsi que leur impact sur l'intégration sensori-motrice, devront être confirmés par des études optogénétiques in vivo The cerebellum is composed of a three-layered cortex and of nuclei and is responsible for the learned fine control of posture and movements. I combined a genetic approach (based on the use of transgenic mouse lines) with anatomical tracings, immunohistochemical stainings, electrophysiological recordings and optogenetic stimulations to establish the distinctive characteristics of the inhibitory neurons of the cerebellar nuclei and to detail their connectivity and their role in the cerebellar circuitry.We showed that the glycinergic inhibitory neurons of the cerebellar nuclei constitute a distinct neuronal population and are characterized by their mixed inhibitory GABAergic/glycinergic phenotype. Those inhibitory neurons are also distinguished by their axonal plexus which includes a local arborization with the cerebellar nuclei where they contact principal output neurons and a projection to the granular layer of the cerebellar cortex where they end onto Golgi cells dendrites. Finally, the inhibitory neurons of the cerebellar nuclei receive inhibitory afferents from Purkinje cells and may be contacted by mossy fibers or climbing fibers.We provided the first evidence of functional mixed transmission in the cerebellar nuclei and the first demonstration of a mixed inhibitory nucleo-cortical projection. Overall, our data establish the inhibitory neurons as the third cellular component of the cerebellar nuclei. Their importance in the modular organization of the cerebellum and their impact on sensory-motor integration need to be confirmed by optogenetic experiments in vivo

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Deroche, Marion. "Etudes optogénétique et pharmacologique de la connectivité et de la plasticité endocannabinoïde des synapses glutamatergiques du noyau accumbens de souris." Thesis, Aix-Marseille, 2019. http://www.theses.fr/2019AIXM0086.

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Abstract:

Le noyau accumbens (NAc) intègre des informations cognitives et affectives. Bien que le rôle du NAc dans les troubles neuropsychiatriques soit bien connu, une compréhension détaillée de ses circuits dans des conditions physiologiques fait défaut. Les neurones moyens épineux (MSNs) du NAc sont des neurones de projection GABAergiques qui expriment des récepteurs D1 ou D2. Ils reçoivent et intègrent des signaux glutamatergiques provenant notamment du cortex préfrontal (PFC), de l'hippocampe ventral (vHipp) et de l'amygdale basolatérale (BLA).Dans cette thèse, nous avons combiné des méthodes optogénétique et électrophysiologique pour dresser un portrait fonctionnel des synapses excitatrices sur les MSNs D1 et D2 dans le NAc de souris adulte. Nous avons observé que les MSNs D1 sont plus excitables que les D2. Ensuite, les propriétés synaptiques de vHipp, de la BLA et du PFC ont révélé une hiérarchie des afférences dépendant de l’identité des MSNs et de l’inhibition «feedforward». Nous avons constaté que la BLA est la voie dominante sur les MSNs D1, tandis que le PFC domine sur les D2. De plus, nous avons testé l’hypothèse que le système endocannabinoïde confère aux circuits excitateurs une plasticité spécifique des voies et des cellules. Ainsi, alors que les récepteurs CB1 dépriment uniformément les voies quelle que soit l’identité des MSNs, les récepteurs TRPV1 contrôlent les afférences de manière bidirectionnelle sur le NAc. Enfin, nous avons clarifié comment l'interaction des récepteurs TRPV1/CB1 façonne la plasticité au niveau des synapses identifiées de BLA-NAc. Ensemble, ces données révèlent un haut degré de spécificité des synapses et du circuit dans le NAc adulte The nucleus accumbens (NAc) plays a key role in action selection by integrating cognitive and affective information. The NAc is implicated in numerous neuropsychiatric disorders, however a complete understanding of its circuits and their regulation in physiological conditions is missing. The principal cell type in the NAc, medium-spiny neurons MSNs are GABAergic projection neurons that express either D1 or D2 receptors. They receive and integrate glutamatergic inputs most notably from the prefrontal cortex (PFC), ventral hippocampus (vHipp) and basolateral amygdala (BLA).We combined optogenetic and electrophysiological methods to draw a functional portrait of excitatory disambiguated synapses onto D1 and D2 MSNs in the adult mouse NAc core. We first observed that adult D1- are inherently more excitable than D2-MSNs. Next, the synaptic properties of vHipp, BLA and PFC inputs revealed a hierarchy of synaptic inputs dependent on the identity of the postsynaptic target MSN and on circuit specific feedforward inhibition. We found that the BLA is the dominant excitatory pathway onto D1- while PFC inputs dominate D2-MSNs. Additionally, we tested the hypothesis that the endocannabinoid system endows excitatory circuits with pathway- and cell-specific plasticity. Thus, while CB1 receptors (CB1R) uniformly depress excitatory pathways irrespective of MSNs’ identity, TRPV1 receptors (TRPV1R) bidirectionally control inputs onto the NAc core in a pathway- and cell- specific manner. Finally, we clarified how the interplay of TRPV1R/CB1R shapes plasticity at identified BLA-NAc synapses. Together these data reveal a high degree of synapse and circuit specificity in the adult NAc core

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Mazo, Camille. "GABAergic signaling in cortical feedback to the olfactory bulb." Thesis, Paris 6, 2017. http://www.theses.fr/2017PA066066/document.

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Abstract:

Les projections corticales de retour conduisent l'information vers des relais de traitement de l'information plus précoces. Elles sont essentielles pour la perception sensorielle. En ce qui concerne l'olfaction, l'information sensorielle est constituée d'une multitude de molécules odorantes, et c'est ce mélange complexe qui pénètre dans la cavité nasale. En fonction du contexte, c'est une partie ou une autre de cet ensemble de molécules qui va être importante d'un point de vue comportemental. Les signaux corticaux de retour permettraient de focaliser son attention sur les odeurs pertinentes de l'environnement. Au cours de mon doctorat, j'ai étudié le rôle de la signalisation inhibitrice GABAergique dans ces retours corticaux vers le bulbe olfactif, le premier relais de l'information olfactive. La première partie de mon travail a mis en évidence une modulation métabotropique GABAergique du retour cortical excitateur. Nos expériences caractérisent ensuite l'effet produit par cette modulation sur le bulbe olfactif. Nous avons ainsi démontré que la signalisation GABAergique au niveau de retours corticaux change de manière profonde la réponse du bulbe olfactif aux stimuli olfactifs. Dans un deuxième temps, j'ai trouvé que le cortex olfactif envoie non seulement des projections de retour excitatrices, mais aussi des retours inhibiteurs. Des expériences précisent ensuite la localisation de ce retour GABAergique, ainsi que son impact sur le bulbe olfactif. Nous avons notamment observé qu'en manipulant l'activité de ces fibres GABAergiques, nous pouvions modifier le comportement olfactif Cortical feedback conducts information towards earlier relays of information processing. It is instrumental for sensory perception. In the olfactory system, odorants are never experienced in isolation by the nose, and they might be meaningful to the animal or not depending on the context. Feedback inputs onto early processing stages are poised to permit selective attention to the relevant odorants in the olfactory scene. During my thesis work, I focused on understanding the key role that inhibitory GABAergic signaling plays in the cortical feedback to the olfactory bulb in mice.The first part of my work started with the discovery of excitatory transmission between cortical feedback inputs and the olfactory bulb is modulated by metabotropic receptors for GABA. Next, the impact of this regulation on the olfactory bulb network was investigated. We found that GABAergic signaling at cortical feedback axons profoundly changes the response of the olfactory bulb output cells to odor stimulation. In the second part of my thesis, I found that the cortical projections to the olfactory bulb not only comprises of excitatory components, but also inhibitory components. The precise origin of this GABAergic feedback was then determined and its impact on the olfactory bulb network is currently assessed. In particular, we observed that manipulating the activity of this GABAergic feedback perturbs olfactory behavior

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Vieira, Inês. "Neural circuits of the mouse olfactory cortex : linking neural connectivity to behavior." Thesis, Paris 6, 2017. http://www.theses.fr/2017PA066543/document.

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Abstract:

Comment les odeurs contrôlent-elles le comportement animal ? Dans ma thèse, j'ai utilisé des manipulations optogénétiques et chimiogénétiques in vivo de l'activité neurale combinées à des analyses comportementales pour explorer l'organisation de circuits cérébraux impliqués dans des comportements olfactifs chez la souris. J'ai mis au point un test de conditionnement aversif olfactif indépendant de l'intensité des odeurs. J'ai démontré que les souris pouvaient généraliser une réponse aversive en présentant différentes concentrations d'odeurs. J’ai ensuite testé si les souris pouvaient apprendre cette tâche en inactivant les interneurones exprimant la parvalbumine dans le cortex olfactif (piriforme). J'ai trouvé que l’inactivation des cellules PV, n'était pas suffisante pour abolir l'aversion aux odeurs acquise, ce qui suggère que des composants de circuits neuronaux supplémentaires contribuent à la perception de l'odeur indépendamment de sa concentration. Ensuite, j'ai tenté de comprendre la constitution relative des différentes voies neurales du piriforme dans ce comportement d’aversion apprise. À l'aide d'outils génétiques et viraux, j'ai ciblé des sous-populations distinctes de neurones piriformes, et j'ai constaté que l'activité neurale induite par la lumière dans les cellules du piriforme projetant vers le bulbe olfactif et vers le cortex préfrontal, mais pas dans les cellules du piriforme projetant vers l’amygdale corticale et vers le cortex entorhinal latéral était suffisante pour supporter le conditionnement aversif. Ces résultats contribuent à mieux comprendre les propriétés fonctionnelles des circuits neuronaux corticaux pour l'olfaction How do odors control animal behavior ? In my thesis, I have used in vivo optogenetic and chemogenetic manipulations of neural activity combined with behavioral analyses to explore the organization of brain circuits involved in olfactory behaviors in mice. In the first part of the thesis, I established an odor intensity-independent olfactory conditioning task. I demonstrated that mice were able to generalize a learned escape behavior across a range of different odor concentrations. I then tested if by silencing Parvalbumin-expressing interneurons in the olfactory (piriform) cortex, a candidate cell population for mediating odor concentration invariance, mice would fail to learn the task. I found that silencing PV cells was not sufficient to abolish learned aversion, suggesting that additional neural circuit components contribute to concentration-invariant odor perception. Next, I asked whether different piriform neural output pathways differed in their ability to support learned aversion. Using viral-genetic tools, I targeted distinct subpopulations of piriform neurons and I found that light-induced neural activity in only piriform principle cells could drive a behavioral response. Furthermore, I tested the sufficiency of subpopulations of piriform projection neurons to drive learned aversion. I found that photostimulation of olfactory bulb- and prefrontal cortex-projecting piriform neurons was sufficient to support aversive conditioning, but not the photostimulation of cortical amygdala- and lateral entorhinal cortex-projecting piriform neurons. Together, these results provide new insights into the functional properties of cortical neural circuits for olfaction

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Rastqarfarajzadeh, Ali, and Ali Rastqarfarajzadeh. "Initiation of locomotion : optogenetic stimulation of midbrain nuclei." Master's thesis, Université Laval, 2020. http://hdl.handle.net/20.500.11794/38157.

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Abstract:

Initier la marche vient naturellement pour tout être vivant qui se déplace. Malgré cette apparente facilité, cet acte nécessite une interaction complexe entre différentes régions du cerveau et la moelle épinière. Une de ces régions a été découverte dans le mésencéphale et a été identifiée il y a maintenant 50 ans comme la région locomotrice mésencéphalique. En effet, la stimulation électrique de cette région engendre de manière systématique l’initiation de la locomotion dans de nombreuses espèces animales. Malgré tout, la localisation anatomique précise et l’identification des populations neuronales de cette région sont un sujet de débat encore aujourd’hui. Dans notre projet, nous avons utilisé les outils optogénetiques accessibles chez la souris afin de stimuler spécifiquement les populations glutamatergiques ou cholinergiques des deux noyaux qui constituent la région locomotrice mésencéphalique, le noyau cunéiforme (CnF) et le noyau pedonculopontin (PPN). Nous avons découvert que nous ne pouvions initier la marche en stimulant seulement les neurones glutamatergiques du noyau cunéiforme, indiquant ainsi que ces neurones constituent le corrélat anatomique de la région locomotrice mésencéphalique. Étant donné l’intérêt clinique de la stimulation profonde chez des patients parkinsoniens, épileptiques ou médullaires, il paraît d’autant plus urgent de définir la localisation et les fonctions précises des populations neuronales contribuant à cette région fonctionnelle. Initier la marche vient naturellement pour tout être vivant qui se déplace. Malgré cette apparente facilité, cet acte nécessite une interaction complexe entre différentes régions du cerveau et la moelle épinière. Une de ces régions a été découverte dans le mésencéphale et a été identifiée il y a maintenant 50 ans comme la région locomotrice mésencéphalique. En effet, la stimulation électrique de cette région engendre de manière systématique l’initiation de la locomotion dans de nombreuses espèces animales. Malgré tout, la localisation anatomique précise et l’identification des populations neuronales de cette région sont un sujet de débat encore aujourd’hui. Dans notre projet, nous avons utilisé les outils optogénetiques accessibles chez la souris afin de stimuler spécifiquement les populations glutamatergiques ou cholinergiques des deux noyaux qui constituent la région locomotrice mésencéphalique, le noyau cunéiforme (CnF) et le noyau pedonculopontin (PPN). Nous avons découvert que nous ne pouvions initier la marche en stimulant seulement les neurones glutamatergiques du noyau cunéiforme, indiquant ainsi que ces neurones constituent le corrélat anatomique de la région locomotrice mésencéphalique. Étant donné l’intérêt clinique de la stimulation profonde chez des patients parkinsoniens, épileptiques ou médullaires, il paraît d’autant plus urgent de définir la localisation et les fonctions précises des populations neuronales contribuant à cette région fonctionnelle. The act of initiating locomotion comes naturally to every living and moving the animal. Despite this apparent easiness, this act relies upon a complex neuronal interaction between brain regions and the spinal cord. One of those regions was found in the brainstem and has been identified 50 years ago as the mesencephalic locomotor region. Indeed, electrical stimulation of this region consistently leads to the initiation of locomotion in many species. However, the precise anatomical location and neuronal composition responsible for this effect on locomotion remained a matter of debate for years. Here, using neuronal specific optogenetic stimulation in mice, we stimulated either the glutamatergic or the cholinergic population in the two proposed nuclei that form the MLR (cuneiform and pedunculopontine nuclei, CnF and PPN). We simultaneously recorded kinematics and EMG activity and found that we could only reliably induce locomotion when stimulating the glutamatergic neurons of the CnF, therefore establishing those neurons as the correlates of the MLR. Considering that the MLR is being tested as a deep brain stimulation target for disease ranging from Parkinson to epilepsy and spinal cord injury, it seems even more urgent to ascertain precisely its anatomical location and physiological role. The act of initiating locomotion comes naturally to every living and moving the animal. Despite this apparent easiness, this act relies upon a complex neuronal interaction between brain regions and the spinal cord. One of those regions was found in the brainstem and has been identified 50 years ago as the mesencephalic locomotor region. Indeed, electrical stimulation of this region consistently leads to the initiation of locomotion in many species. However, the precise anatomical location and neuronal composition responsible for this effect on locomotion remained a matter of debate for years. Here, using neuronal specific optogenetic stimulation in mice, we stimulated either the glutamatergic or the cholinergic population in the two proposed nuclei that form the MLR (cuneiform and pedunculopontine nuclei, CnF and PPN). We simultaneously recorded kinematics and EMG activity and found that we could only reliably induce locomotion when stimulating the glutamatergic neurons of the CnF, therefore establishing those neurons as the correlates of the MLR. Considering that the MLR is being tested as a deep brain stimulation target for disease ranging from Parkinson to epilepsy and spinal cord injury, it seems even more urgent to ascertain precisely its anatomical location and physiological role.

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Ameli, Reza. "An optogenetic headstage for optical stimulation and neural recording in life science applications." Master's thesis, Université Laval, 2015. http://hdl.handle.net/20.500.11794/26055.

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Abstract:

L'optogénétique est une nouvelle méthode de contrôle de l’activité neuronale dans laquelle la lumière est employée pour activer ou arrêter certains neurones. Dans le cadre de ce travail, un dispositif permettant l’acquisition de signaux neuronaux et conduisant à une stimulation optogénétique de façon multicanale et temps-réel a été conçu. Cet outil est muni de deux canaux de stimulation optogénétique et de deux canaux de lecture des signaux neuronaux. La source de lumière est une DEL qui peut consommer jusqu’à 150 milliampères. Les signaux neuronaux acquis sont transmis à un ordinateur par une radio. Les dimensions sont d’environ 20×20×15 mm3 et le poids est de moins de 7 grammes, rendant l’appareil utile pour les expériences sur les petits animaux libres. Selon nos connaissances actuelles, le résultat de ce projet constitue le premier appareil de recherche optogénétique sans-fil, compact offrant la capture de signaux cérébraux et la stimulation optique simultanée. Optogenetics is a new method for controlling the neural activity where light is used to activate or silence, with high spatial and temporal resolution, genetically light-sensitized neurons. In optogenetics, a light source such as a LED, targets light-sensitized neurons. In this work, a light-weight wireless animal optogenetic headstage has been designed that allows multi-channel simultaneous real-time optical stimulation and neural recording. This system has two optogenetic stimulation channels and two electrophysiological reading channels. The optogenetic stimulation channels benefit from high-power LEDs (sinking 150 milliamps) with flexible stimulation patterns and the recorded neural data is wirelessly sent to a computer. The dimensions of the headstage are almost 20×20×15 mm3 and it weighs less than 7 grams. This headstage is suitable for tests on small freely-moving rodents. To the best of our knowledge, this is the first reported fully wireless headstage to offer simultaneous multichannel optical stimulation along with multichannel neural recording capability.

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Kambrun, Charline. "Contrôle des réseaux spinaux de la lamina II de la moelle épinière par les fibres C-LTMRs : approches optogénétique et pharmacologique." Thesis, Bordeaux, 2017. http://www.theses.fr/2017BORD0869/document.

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Abstract:

La perception de la douleur résulte de l'intégration dans la moelle épinière des informations sensorielles et nociceptives transmises par les afférences primaires. Parmi celles-ci, les Mechanorécepteurs C à bas seuil (C-LTMR), exprimant la chimiokine TAFA4, ont été identifiés comme des modulateurs de la douleur. Cependant, les mécanismes sous-jacents au contrôle de l'intégration sensori-nociceptive par TAFA4 restent mal compris. Grâce aux enregistrements obtenus in vitro par patch clamp chez des souris naïves, nous montrons que l'application exogène de TAFA4 induit une diminution de la fréquence des courants post-synaptiques excitateurs spontanés (CPSE). A l’inverse nous observons une augmentation de la fréquence des événements synaptiques inhibiteurs spontanés (CPSI). Cette modulation de l'activité synaptique est préservée avec TTX, indiquant que TAFA4 modifie la transmission synaptique par des mécanismes présynaptiques. En stimulant les fibres nociceptives à haut seuil d’activation, nous démontrons que TAFA4 induit une augmentation du ratio des réponses synaptiques des interneurones évoquées par des stimulations d’impulsions pairées. Par conséquent, TAFA4 renforce l'inhibition présynaptique des fibres nociceptives. Nous démontrons également que les effets de TAFA4 sur la transmission excitatrice spontanée et évoquée sont bloqués par des antagonistes des récepteurs GABA, indiquant que les C-LTMRs interagissent principalement avec les neurones GABAergiques. De plus, des expériences de microscopie électronique ont révélé la présence de contacts synaptiques directs entre les C-LTMRs et les terminaisons GABAergiques dans la lamina IIi. Pour aller plus loin dans la caractérisation des effets de TAFA4 sur la transmission de la douleur, nous avons induit une inflammation de la patte arrière des souris (modèle CFA). Chez ces souris, l'effet de TAFA4 sur la fréquence EPSC et IPSC est conservé. Nous constatons que chez les souris CFA, TAFA4 diminue la décharge neuronale enregistrée in vivo suite à une stimulation mécanique nociceptive de la patte inflammée. Cet effet est bloqué par une injection d'antagonistes des récepteurs GABA. En effectuant le test Von Frey sur des souris inflammées, nous montrons que l’action anti-allodynique induite par l'injection intrathécale de TAFA4 est bloquée par les antagonistes des récepteurs GABA. Nous avançons l’hypothèse que les C-LTMRs contactent directement les interneurones GABAergiques de la corne dorsale et, via la libération de TAFA4, renforcent l'activité synaptique inhibitrice participant à l’effet anti-nociceptif de TAFA4. En outre, TAFA4 favorise la rétraction microgliale chez les animaux inflammés, ainsi qu'une augmentation du nombre de synapses inhibitrices sur les somas des neurones de la lamina IIi. En conclusion, ces résultats identifient les interneurones GABAergiques comme premier relais d'intégration pour les C-LTMRs et mettent en évidence une nouvelle interaction entre les neurones sensoriels, les cellules microgliales et les interneurones de la moelle épinière, permettant une modulation fine de l'activité inhibitrice et de la transmission nociceptive en situation pathologique Pain elaboration results from the integration within dorsal spinal cord of sensory and nociceptive information conveyed by primary afferents. Among these, C low-threshold Mechano Receptors (C-LTMR), expressing the chemokine TAFA4, were identified as modulators of pain. However, mechanisms underlying the control of sensori-nociceptive integration by TAFA4 remains poorly understood. Using in vitro patch clamp recording on spinal cord slices of naïve mice we show that, bath application of TAFA4 induces a decrease in frequency of spontaneous excitatory post synaptic currents (EPSCs). This effect is mirrored by an increase in frequency of spontaneous inhibitory synaptic events (IPSCs). This modulation of synaptic activity is preserved with TTX, indicating that TAFA4 alters synaptic transmission through presynaptic mechanisms. By recruiting high threshold nociceptive fibers, we demonstrate that TAFA4 induces an increase in the paired pulse ratio of evoked synaptic responses in interneurons, and thus, reinforces presynaptic inhibition of nociceptive fibers. We also demonstrate that the effects of TAFA4 on spontaneous and evoked excitatory transmission are blocked by antagonists of GABA receptors, indicating that -C-LTMRs mainly interact with GABAergic neurons. Moreover, Electron Microscopy provides evidence of direct synaptic contacts between C-LTMRs and GABAergic terminals in lamina IIi. To further characterize the effects of TAFA4 on pain transmission, we inflamed mice using Complete Freund Adjuvant (CFA). In CFA mice, the effect of TAFA4 on EPSC and IPSC frequency is preserved. We find that in CFA mice, TAFA4 decreases the neuronal discharge recorded in vivo following a nociceptive mechanical stimulation in inflamed hindpaw. This effect is blocked by an injection of GABA receptors antagonists. By performing Von Frey test on inflamed mice, we show that intrathecal injection of TAFA4 provides anti-allodynic effects blocked by GABA receptors antagonists. We propose that C-LTMR directly contact GABAergic interneurons in dorsal horn, and, through the liberation of TAFA4 reinforce inhibitory synaptic activity which may in turn promote their anti-nociceptive activity. Furthermore, TAFA4 promotes microglial retraction in CFA inflamed animals, together with an increase in the number of inhibitory synapses on lamina IIi somata. Altogether, these results identify GABAergic interneurons as the first integration relay for C-LTMRs and highlight a novel interplay between sensory neurons, microglial cells and spinal interneurons leading to a fine tuning of inhibitory activity and nociceptive transmission in pathological conditions

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Viellard, Juliette. "Etudes des circuits neuronaux organisant l'évitement actif instrumental et l'évitement contextuel non instrumental." Thesis, Bordeaux, 2019. http://www.theses.fr/2019BORD0456.

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Abstract:

Les mammifères, y compris les rongeurs, présentent un large éventail de comportements défensifs actifs, tels que l’évitement, ou passif, tel que l’immobilisation (le freezing), à des fins d’adaptation et de survie. La réponse d'évitement est une réaction apprise dans laquelle un individu prend le contrôle de situations dangereuses pour faire face aux menaces. Une forme d'évitement qui a été étudiée est l'évitement actif signalé, où les individus sont entraînés à éviter une situation et fuient en réponse à un signal précédemment associé à un stimulus aversif. Il a été souligné que le Cortex préfrontal dorso-médian (CPFdm) joue un rôle important dans l’encodage de l’acquisition et de l’expression du freezing ainsi que dans les réponses d’évitement. Cependant, sa contribution à l'acquisition et à l'expression de comportements d'évitement n'est pas claire, et les circuits neuronaux du CPFdm qui gèrent ensemble les stratégies d’adaptation actives et passives, restent à découvrir. Pour répondre à cette question, nous avons développé un nouveau paradigme comportemental dans lequel une souris a la possibilité de se figer ou d’éviter un stimulus aversif en fonctions des contingences contextuelles. Premièrement, nous avons étudié le rôle de la voie entre le CPFdm et la matière grise periaqueducale (PAG) dans l’évitement actif signalé, et sa relation avec le freezing. Nos résultats indiquent que (i) le CPFdm et le dl/lPAG sont activés lors du comportement d'évitement, (ii) et que l'inhibition optogénétique de cette voie bloque l'acquisition de l'évitement conditionné. Une forme d'évitement non instrumental est également étudiée, dans laquelle l'individu apprend à éviter l'environnement aversif en utilisant uniquement des indices contextuels et affichant des comportements d'évaluation des risques à l’encontre de l'environnement dangereux. Il a été précédemment démontré que dans cette situation, un circuit septohippocampale-hyptothalamique-tronc cérébrale est spécialement activé. Cette analyse a aussi révélé que le noyau dorsal pré-mamillaire (PMD) devait être impliqué de manière critique dans l'évitement passif contextuel. Nous avons analysé l'influence de la modulation du PMD et de ses projections au niveau de ses cibles principales, sur le processus d'expression et de reconsolidation de l'évitement passif contextuel. Nos résultats ont montré qu’une (i) voie septohippocampale-hyptothalamique-tronc cérébrale spécifique était impliquée dans notre paradigme d’évitement passif. (ii) De plus, l’inhibition du PMD lors d'une exposition au contexte aversif altère à la fois l'expression des comportements d'évitement et la reconsolidation de la mémoire. (iii) Enfin l’inhibition au niveau des terminaux du PMD altère l'expression et la reconsolidation de la mémoire dans le dlPAG et dans l’AMv. Les expériences de ce projet ont été menées à bien à l’aide d’analyse Fos, d'inhibition pharmacogénétique et optogénétiques Mammals, including rodents show a broad range of defensive behaviors as a mean of coping actively, such as avoidance behaviors, or passively such as freezing behavior. The avoidance response is a learned response in which an individual takes control in dangerous situations to deal with threats. One form of avoidance that has been investigated is the signaled active avoidance, where individuals are trained to avoid an environment, and escape in response to a cue previously associated with an aversive stimulus. It has been emphasized that the dmPFC plays an important role in encoding freezing acquisition and expression as well as active avoidance responses. However the neural circuits of the dmPFC processing the expression and acquisition of both active and passive coping strategies are yet to be discovered. To adress this question, we developed a novel behavioral paradigm in which a mouse has the possibility to either passively freeze to an aversive stimulus or to actively avoid it as a function of contextual contingencies. We first investigated the role of the pathway between the dmPFC and PAG in signaled active avoidance, and its relation with freezing. Our results indicate that (i) dmPFC and dl/lPAG sub-regions are activated during avoidance behavior, (ii) and that the optogenetic inhibition of this pathway blocked the acquisition of active avoidance. A non-instrumental form of avoidance is also investigated where the individual learns to avoid the aversive environment using contextual clues only, and displaying risk assessment behaviors toward the fearful environment. It has been previously shown that in this situation, a circuit involving the septohippocampal-hypothalamic-brainstem pathway is involved. It also revealed that the dorsal premammillary nucleus (PMD) must be critically involved in contextual passive avoidance. We analysed how the manipulation of the PMD and its projections to its main targets influences the expression and reconsolidation processes of contextual passive avoidance. Our results showed that (i) a specific septohippocampal-hypothalamic-braintem pathway is involved in our passive avoidance paradigm. (ii) Silencing the PMD during context exposure impairs both avoidance expression and memory reconsolidation and that (iii) the inhibition at terminal level impairs the expression and memory reconsolidation in both dlPAG and AMv. Both parts of the project assessed these questions using Fos immunochemistry analysis, manipulations of neural circuits using optogenetic, and pharmacogenetic techniques

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Khoder, Suzana. "Role of the prefrontal-brainstem pathway in mediating avoidance behavior." Thesis, Bordeaux, 2018. http://www.theses.fr/2018BORD0256.

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Abstract:

Les mammifères, comme par exemple les rongeurs, soumis à des expériences aversives présentent des réponses comportementales de peur caractéristiques notamment une réponse d'immobilisation (freezing) ou d'évitement. Alors que le rôle du cortex préfrontal dorso-médian (CPFdm) dans l’acquisition ainsi que l’expression du freezing a déjà été expérimentalement établi, son implication dans l’encodage des réponses d’évitement de peur ainsi que l’interaction entre les circuits neuronaux préfrontaux impliqués dans le freezing et/ou l’évitement restent mal compris. Afin de répondre à ces questions, nous avons développé au laboratoire un paradigme expérimental permettant à une souris d’acquérir et d’exprimer le freezing ou l’évitement lors de la présentation d'un même stimulus aversif et ceci en fonction du contexte environnant. Ainsi, nous avons pu déterminer si les mêmes circuits neuronaux dans le cortex préfrontal dorso-médian encodent les deux réponses de peur, le freezing et l’évitement. Nous avons mis en oeuvre au cours de ce travail des approches comportementales, de traçage neuroanatomique, d'immunohistochimie, d'enregistrements extracellulaires in vivo et intracellulaires in vitro ainsi que des approches optogénétiques. Nos résultats indiquent que (i) le CPFdm et les régions dorsales de la substance grise périaqueducale sont activés pendant le comportement d'évitement, (ii) une sous population de neurones du CPFdm encode le comportement d'évitement mais pas le freezing, (iii) cette population neuronale projette sur le dl/lPAG, (iv) l'activation et l'inhibition optogénétique de cette projection induit et bloque l'apprentissage de l'évitement, respectivement et (v) l'apprentissage de l'évitement est associé à la mise en place d'une plasticité des afférences préfrontales sur le dl/lPAG. Dans leur ensemble ces résultats démontrent pour la première fois que la plasticité dépendante de l'activité des neurones du CPFdm projettant sur le dl/lPAG contrôle l'apprentissage de l'évitement de peur Mammals, including rodents show a broad range of defensive behaviors as a mean of coping with threatful stimuli including freezing and avoidance behaviors. Several studies emphasized the role of the dorsal medial prefrontal cortex (dmPFC) in encoding the acquisition as well as the expression of freezing behavior. However the role of this structure in processing avoidance behavior and the contribution of distinct prefrontal circuits to both freezing and avoidance responses are largely unknown. To further investigate the role of dmPFC circuits in encoding passive and active fear-coping strategies, we developed in the laboratory a novel behavioral paradigm in which a mouse has the possibility to either passively freeze to an aversive stimulus or to actively avoid it as a function of contextual contingencies. Using this behavioral paradigm we investigated whether the same circuits mediate freezing and avoidance behaviors or if distinct neuronal circuits are involved. To address this question, we used a combination of behavioral, neuronal tracing, immunochemistry, single unit and patch clamp recordings and optogenetic approaches. Our results indicate that (i) dmPFC and dorsolateral and lateral periaqueductal grey (dl/lPAG) sub-regions are activated during avoidance behavior, (ii) a subpopulation of dmPFC neurons encode avoidance but not freezing behavior, (iii) this neuronal population project to the dl/lPAG, (iv) the optogenetic activation or inhibition of this pathway promoted and blocked the acquisition of conditioned avoidance and (v) avoidance learning was associated with the development of plasticity at dmPFC to dl/lPAG synapses. Together, these data demonstrate for the first time that activity-dependent plasticity in a subpopulation of dmPFC cells projecting to the dl/lPAG pathway controls avoidance learning

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Riou, Morgane. "Architecture moléculaire des récepteurs NMDA : Arrangement tétramérique et interfaces entre sous-unités." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2014. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01020863.

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Abstract:

Les récepteurs NMDA (rNMDAs) sont des récepteurs-canaux membranaires activés par le glutamate, neurotransmetteur excitateur, et impliqués dans diverses formes de plasticité synaptique et pathologies. Ces hétérotétramères obligatoires opèrent en dimère-de-dimères, associant généralement deux sous-unités GluN1 et deux GluN2A-D. Déterminer l'arrangement spatial des sous-unités d'un rNMDA est essentiel à la compréhension des mécanismes régissant son fonctionnement et du rôle joué par les interfaces entre sous-unités et entre domaines, notamment N-terminal (NTD) et de liaison des agonistes (ABD). En combinant modélisation moléculaire, mutagenèse dirigée, biochimie sur cystéines et électrophysiologie, nous montrons que ces sous-unités s'arrangent selon un ordre alterné, avec les sous-unités identiques diamétralement opposées, et révélons l'existence d'une interface inter-dimère entre les ABDs GluN1. Nous avons aussi implémenté dans les ovocytes de Xénope une technique innovante consistant à incorporer un acide-aminé non-naturel photo-réactif (UAA) dans un rNMDA. Cette approche, basée sur l'expansion du code génétique, a permis de créer un rNMDA sensible à la lumière. L'introduction d'UAAs aux interfaces entre sous-unités GluN1 et GluN2, révèle le rôle joué par deux de ces interfaces: (1) entre les lobes supérieurs des NTDs, dans le contrôle "sous-unité spécifique" de l'activité et (2) entre les lobes inférieurs des ABDs, dans l'inhibition allostérique par le zinc. Ces travaux apportent des informations sur l'architecture moléculaire des rNMDAs et révèlent l'importance des réarrangements structuraux aux interfaces entre sous-unités voisines dans les fonctions du récepteur.

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Khabou, Hanen. "Development of safe and efficient aav vectors for retinal gene therapy." Thesis, Sorbonne université, 2018. http://www.theses.fr/2018SORUS460.

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Abstract:

La vision est notre sens le plus cher et sa perte est un handicap redouté. Or, il existe un ensemble très hétérogène et complexe de dégénérescences rétiniennes héréditaires entraînant une perte de vision irréversible. Aujourd'hui, il n'y a pas de traitement pour ces maladies. Cependant, au cours de la dernière décennie, de nombreuses thérapies géniques ont été testées dans des essais cliniques, donnant de l'espoir pour le traitement des dégénérescences rétiniennes héréditaires. Dans cette thèse, nous avons exploré l'apport des vecteurs viraux dans le contexte général de la thérapie génique rétinienne. Nous avons plus particulièrement optimisé des vecteurs viraux pour des thérapies géniques indépendantes des mutations, largement applicables à toutes les dystrophies rétiniennes avec dégénérescence de bâtonnets puis cônes. Nous avons conçu des vecteurs pour cibler les cônes et étudié leur potentiel de translation pour l'activation optogénétique des cônes dans plusieurs systèmes modèles pertinents Vision is our most cherished sense and its loss is a feared handicap. A highly diverse and complex array of inherited retinal degenerations leads to irreversible vision loss. Today, there is no cure for such disorders. However, in the last decade, many gene therapies entered clinical trials offering hope for the treatment of inherited retinal degenerations. In this thesis, we explored the contribution of viral vectors within the general context of retinal gene therapy. We focused on optimization of viral vectors for mutation-independent gene therapies broadly applicable across rod-cone dystrophies. We carefully designed vectors for targeting cones and studied their translational potential for optogenetic activation of cones in several relevant model systems

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Ameline, Baptiste. "Evaluation du transfert d'optogènes pour le traitement par thérapie génique d'un modèle canin de dystrophies rétiniennes héréditaires." Thesis, Nantes, 2016. http://www.theses.fr/2016NANT1001/document.

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Abstract:

La cécité ou la très grande malvoyance peut résulter de différentes pathologies comme les dystrophies rétiniennes héréditaires (DRH) caractérisées par la perte des photorécepteurs. Une des approches pour traiter les DRH est la thérapie génique spécifique, c’est à dire le remplacement du gène défectueux par un gène sain. Des études chez des modèles animaux de DRH ont démontré l’efficacité de la thérapie géniques spécifique, et conduit au lancement d’essais cliniques.Malgré des résultats encourageants, la thérapie génique spécifique n’est pas toujours applicable, en particulier quand la dégénérescence est trop avancée ou si le gène muté est inconnu. Pour traiter tous les cas de DRH, un nouvel axe de thérapie génique est envisagé : le transfert d’optogène.Cette stratégie consiste à réactiver la rétine devenue aveugle par l’expression de protéines photosensibles dans la rétine. Notre objectif est d'évaluer l'efficacité du transfert d'optogène chez un modèle canin naturellement déficient pour le gène Rpe65, provoquant une forme sévère de DRH proche de celles retrouvées chez l’homme. La stratégie thérapeutique retenue est : L'injection intravitréenne, après vitrectomie, d'un vecteur recombinant dérivé du virus adéno-associé de sérotype2 (rAAV2/2), portant le transgène optogénétique sous contrôle d'un promoteur fort et spécifique des tissus neuronaux : hSyn. Le but de ce projet est de transduire efficacement les cellules ganglionnaires rétiniennes d'un modèle canin déficient pour le gène Rpe65 et d'évaluer la photosensibilité des cellules transduites Inherited retinal diseases (IRD) affect about 2 million people worldwide, leading to severe visual impairment.Specific gene addition therapy is one of the most promising strategies to treat these patients. Howevermany of them are not eligible for specific gene therapy,such as.1) Patients with unknown deficient genes.2) Patients beyond the therapeutic window.3) Patients whose the deficient gene is too large forAAV encapsidation.4) Patients undergoing a dominant form of IRD.Therefore, the aim of this project is to develop analternative strategy, independent of the mutation and the retinal degeneration kinetic: the optogene transfer. In context of IRD, it will consist to convert survivingretinal ganglion cells into sensitive light cells followingthe transfer of ChR2 or Opn4 optogene. Several rodentmodels of IRD have been successfully treated usingthese optogenes. Nevertheless, this approach hasnever been evaluated in large animal models. The objective of our study will be to define the feasibility ofoptogene transfer to restore vision in blind patients by evaluating the safety and the efficacy of AAV-mediated gene transfer of ChR2, eNpHR or Opn4, after vitrectomy, in ganglion cells of a canine model of IRD, the Rpe65-deficient dog

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L, Gagnon Léonard. "Système électro-optique pour l'optogénétique cardiaque et l'enregistrement d'ECG." Master's thesis, Université Laval, 2020. http://hdl.handle.net/20.500.11794/68023.

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Depuis quelques temps, l'optogénétique est utilisée en recherche pour remplacer la stimulation électrique de neurones par la photo-stimulation. Des scientifiques cherchent désormais à étendre l'optogénétique à la recherche sur le coeur. Plusieurs ont prouvés la possibilité de contrôler les battements cardiaques à l'aide de lumière en laboratoire sur des rongeurs. Les expérimentations effectuées sur le coeur jusqu'à maintenant reposent sur des systèmes filaires et encombrants qui permettent la mesure de l'électrocardiogramme (ECG) à l'aide d'électrode et la photo-stimulation à l'aide d'une fibre optique. Ces systèmes augmentent le stress chez les animaux de laboratoire ce qui peut induire des erreurs dans les mesures. Ce mémoire décrit la conception d'un système répondant à cette problématique. Le système développé permet la photo-stimulation cardiaque et l'enregistrement d'ECG sans-fil à l'aide d'un implant et d'un circuit basse consommation, le tout alimenté par batterie. Étant donné la présence d'artefact de mouvement dans les ECG mesurés lors de tests préliminaires, le système comporte aussi un algorithme de filtrage des artefacts en temps réel. Finalement, le fonctionnement du prototype est démontré par différents tests in-vivo. In the past few years, optogenetics was used in research to replace electrical stimulation of neurons by photo-stimulation. Scientists now search a way to extend optogenetics to cardiac research. Many were able to control the heartbeat of rodents using light. These experiments were conducted using wired and cumbersome equiments with electrocardiogram (ECG) recording using electrodes and photo-stimulation using optical fibers. These systems increase tests subjects stress which can induce measurements errors. This master's thesis describes the design of a device answering this problem. The developed system enables cardiac photostimulation and ECG recording wirelessly with an implant and a low power electronic circuit. The device also includes a real-time algorithm to reduce motion artifacts shown in preliminary testing. Finally, the operation of the prototype is demonstrated during in-vivo experiments.

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Marcantonio, Wendy. "Étude des circuits neuronaux impliqués dans les comportements autistiques d'un modèle de souris déficientes en canaux sodiques voltage-dépendants Nav1.2." Electronic Thesis or Diss., Université Côte d'Azur, 2023. http://theses.univ-cotedazur.fr/2023COAZ6010.

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Abstract:

Mon projet de thèse durant ces 3,5 dernières années a eu pour but d'étudier le phénotype comportemental des souris Scn2a+/- et d'identifier les circuits neuronaux impliqués dans les anomalies comportementales de type autistique. Dans un premier projet, j'ai réalisé, en collaboration avec Martina Simonti, l'étude complète du comportement des souris Scn2a+/- femelles pour la première fois à deux âges importants dans le développement et le maintien des Troubles du Spectre Autistique. Tout d'abord, nous avons montré que le phénotype des femelles était différent de celui des mâles avec la présence d'une hyper-sociabilité conservée au cours du développement, une légère présence de stéréotypies acquises chez les jeunes, une hyper-réactivité aux stimuli sensoriels froids à l'âge adulte et une anomalie de prise de décision et d'évaluation du risque aux 2 âges, associée chez l'adulte à une diminution de la mémoire spatiale de travail. Ce phénotype est moins flagrant que celui des souris mâles (qui diminuait à l'âge adulte spontanément), bien que les anomalies correspondent aux déficits comportementaux présents chez les femmes souffrant de TSA (plus faible présence de comportement moteurs stéréotypés, anomalies sensorielles et de sociabilité et troubles cognitifs). Ensuite, j'ai étudié la présence d'une anomalie de la balance excitation / inhibition in vivo par une approche pharmacologique, puis identifié des régions cérébrales altérées chez les souris Scn2a+/- mâles (cortex préfrontal, striatum dorsal et ventral, hippocampe et cervelet) par une approche pharmacologique systémique et intracérébrale, ainsi que Western Blot. J'ai montré que ces animaux présentaient un déficit d'excitabilité des voies corticostriatales et que la modulation de celles-ci par une approche pharmacologique ou optogénétique permettait notamment d'améliorer le comportement de communication sociale chez les mâles in vivo ou d'amplifier le phénotype de non-évaluation du risque / déficit décisionnel chez les femelles. Mes résultats démontrent que la perte de fonction induite par la mutation du gène SCN2A, codant pour le canal sodique voltage-dépendant Nav1.2, est à l'origine de perturbations de l'établissement des connexions neuronales et de leur fonction ayant à long terme un impact majeur sur le comportement des individus My thesis project during the last 3.5 years has been aimed at studying the behavioral phenotype of Scn2a+/- mice and identifying the neural circuits involved in autistic-like behavioral abnormalities. In a first project, in collaboration with Martina Simonti, we performed for the first time a complete behavioral study of female Scn2a+/- mice at two ages important for the development and maintenance of Autism Spectrum Disorders. First, we showed that the phenotype of females was different from the males' one, with the presence of a hyper-sociable phenotype maintained during the development, a mild presence of acquired stereotypies in juveniles, a hyper-reactivity to cold sensory stimuli in adulthood and an abnormality of decision making and risk-assessment at both ages, associated in adults with a decrease in spatial working memory. This phenotype is less severe than that of male mice (which anyway decreased in adulthood spontaneously), although the abnormalities are consistent with the behavioral deficits present in human females with ASD (lower presence of stereotyped motor behavior, sensory and sociability abnormalities and cognitive impairment). Then, I studied the presence of an abnormality of the excitation/inhibition balance in vivo by a pharmacological approach and identified altered brain regions in male Scn2a+/- mice (prefrontal cortex, dorsal and ventral striatum, hippocampus and cerebellum) by a systemic and intracerebral pharmacological approach, as well as Western blot. I have shown that these animals present a deficit of excitability of the corticostriatal pathways and that the modulation of these pathways by a pharmacological or optogenetic approach allows, in particular, to improve the social communication behavior in males in vivo or to amplify the decision-making and risk-assessment deficits in females. My results show that the loss of function induced by the mutation of the SCN2A gene, coding for the voltage-dependent sodium channel Nav1.2, is at the origin of disturbances in the establishment of neuronal connections and their function, having a major long-term impact on the behavior of individuals

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Faini, Giulia. "Synaptic changes upon removal of extracellular perineuronal nets in adult mouse visual cortex." Thesis, Paris 6, 2017. http://www.theses.fr/2017PA066363/document.

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Abstract:

Les réseaux neuronaux sont hautement sensibles aux stimuli sensoriels pendant une fenêtre temporelle dite période critique (PC). Un des acteurs clé de la consolidation de ces réseaux est le Perineuronal Net (PNN), une matrice extracellulaire qui s’accumule au cours de la PC majoritairement autour des interneurones parvalbumin-positifs (PV). La dégradation des PNNs chez l’adulte restaure une plasticité structurale, typique de la PC. Ce projet de recherche vise à déterminer i) les propriétés neurophysiologiques des neurones PV et glutamatergiques dans la couche 4 du cortex visuel primaire de souris au cours du développement ii) de quelle façon ces propriétés sont altérées par l’accumulation des PNN. Nous avons montré, au cours du développement, une augmentation de l’excitabilité des deux types de neurones. La dégradation in vivo des PNN augmente la transmission glutamatergique et GABAergique spécifiquement sur les PV, récapitulant un état juvénile. Dégrader les PNN chez l’adulte n’affecte pas les connections unitaires inhibitrices en couche 4. Afin de comprendre les mécanismes impliqués au niveau du circuit, nous avons exprimé l’opsine sensible à la lumière ChR2 dans les neurones glutamatergiques du thalamus visuel projetant sur la couche 4 du cortex. Ainsi, une absence de PNN augmente le recrutement spécifique des PV par le thalamus, entrainant une augmentation de l’inhibition feedforward. Ces résultats sont en accord avec des expériences réalisées in vivo, au cours desquelles nous avons mesuré les potentiels évoqués en réponse à des stimuli visuels suite à une dégradation des PNN et qui indiquent une augmentation du recrutement de l’inhibition The maturation of sensory processing undergoes a critical period (CP), during which cortical neural circuits are sculpted and changed by experience. The closure of CP is paralleled by the accumulation of extracellular perineuronal nets (PNN) around parvalbumin (PV)-positive interneurons. The degradation of PNNs in adult animals was shown to re-open the structural plasticity typical of the CP. We aimed at defining i) the neurophysiological properties of PV cells and principal neurons in layer 4 of primary visual cortex (V1) during the establishment of the CP ii) how these properties are altered by PNN accumulation. We found a robust age-dependent increase of input-output firing relationships in both cell types. Importantly, in vivo PNN removal in adult V1 increased both excitatory and inhibitory transmission selectively onto PV, leaving their excitability intact, and recapitulating younger states. In addition, triggering plasticity in vivo by monocular deprivation did not boost the increased activity onto PV cells. Interestingly, paired recordings in layer 4 showed no changes of inhibitory unitary connections, with or without PNNs. In order to understand the circuit mechanisms underlined, we expressed the light-sensitive opsin ChR2 in the visual thalamus. We found that PNN removal increases the recruitment of PV cells by thalamocortical fibers leading to an increase of feedforward inhibition. These results are in agreement with V1 recordings in vivo of visually evoked potentials in response of increasing contrast. Indeed, PNN disruption caused a reduction of the slope of the contrast sensitivity curve, indicating a higher recruitment of inhibition

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Yin, Xuming. "Bases neurales de l’apprentissage olfactif perceptif : plasticité structurale et contrôle noradrénergique." Thesis, Lyon, 2016. http://www.theses.fr/2016LYSE1182/document.

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Abstract:

Le champ des neurosciences connaît depuis quelques décades un développement très important dans la compréhension des corrélats neuronaux de la perception. Le cerveau adulte répond aux variations de l'environnement et à l'expérience par des modifications fonctionnelles et structurales, regroupées sous le terme générique de plasticité, plasticité qui sous-tend l'apprentissage. Cette plasticité affecte la perception sensorielle, olfactive puisque c'est cette modalité qui va nous intéresser, mais également la perception de stimuli dans d'autres modalités sensorielles. Contrairement à des convictions longtemps érigées en dogme mais maintenant dépassées sur la nature fixe du cerveau, il est établi désormais que le cerveau adulte est capable de générer tout au long de la vie de nouveaux neurones qui s'intègrent dans la circuiterie cérébrale complexe, en particulier dans le bulbe olfactif et pourraient jouer un rÃ´le dans l'apprentissage. Des travaux antérieurs de l'équipe ont démontré que l'acquisition de l'apprentissage perceptif dépend de la présence des neurones formés chez l'adulte. Par ailleurs, les systèmes neuromodulateurs comme les systèmes noradrénergique et cholinergique innervent massivement le bulbe olfactif et en particulier les neurInhibiting noradrenergic fibers duroing post learning discrimination testing lblmocked ones cibles de la neurogenèse adulte, les interneurones granulaires. Ils sont depuis longtemps connus pour leur implication dans les processus d'apprentissage en général et olfactif en particulier. Un objectif de la thèse était de déterminer le pattern temporal et spatial de l'innervation des neurones formés chez l'adulte dans le bulbe olfactif et sa modification potentielle par l'apprentissage, par des approches comportementales combinées à des approches neuro-anatomiques. Un autre objectif était d'évaluer le rÃ´le fonctionnel des contacts noradrénergiques mis en place par l'apprentissage en utilisant l'outil optogénétique. Les résultats indiquent que l'innervation des neurones formés chez l'adulte s'installent dès le huitième jour après la naissance des neurones pour le système cholinergique, comme pour le système noradrénergique. L'apprentissage induit une augmentation massive des contacts noradrénergiques sur les neurones formés chez l'adulte qui n'est pas retrouvée pour les fibres cholinergiques, pointant le système noradrénergique comme un acteur majeur de la plasticité induite par l'apprentissage perceptif The field of neuroscience has experienced explosive growth over the past decade toward understanding the neural correlates of perception. More specifically, the adult brain responds to environmental experience by significant functional and structural modifications, called "neural plasticity" which underlies learning. A main issue in neuroscience is to understand the cellular basis of perceptive plasticity and subsequent behavioral adaptations. Contrary to previously held beliefs about its static nature, the adult brain is in fact capable of generating new neurons that can integrate into its complex circuitry. The birth of new neurons constitutively occurs in two specific regions of the adult mammalian brain (OB and hippocampal dentate gyrus). Adult neurogenesis is a sophisticated biological process whose function has remained a mystery to neuroscience researchers but a role in learning and memory has been proposed. Previous work in our group have shown that perceptive olfactory learning depends on adult neurogenesis. In addition, neuromodulatory systems, including noradrenergic and cholinergic systems massively innervate the olfactory bulb and more specifically the inhibitory interneurons targeted by adult neurogenesis and are long-known for their role in learning and memory. One objective of the present work was to determine the spatial and temporal pattern of the innervation by noradrenergic and cholinergic inputs of developing adult-born neurons and to investigate its modulation by learning. For that purpose, we used behavioral and neuro-anatomical approaches. Another objective was to assess the functional role of centrifugal contacts using an optogenetic approach. Results indicate that the noradrenergic innervation is selectively increased on adult born neurons following perceptual olfactory learning, a phenomenon that was not observed for cholinergic innervation, pointing the noradrenergic system as a key mechanisms involved in perceptual learning. Interestingly, noradrenergic contacts on neurons born during ontogenesis were not affected by learning, suggesting a very specific part played by adult-born neuron in learning associated plasticity. In the same brains, we have analyzed the structural plasticity induced by learning in adult-born and pre-existing neurons. The major finding is that mirroring the increased number of noradrenergic contacts, learning induced an increase in dendritic spines on adult-born, but not on pre-existing neurons

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Dongelmans, Marie Louise. "Nicotine-induced modifications in value-based decision-making." Thesis, Paris 6, 2017. http://www.theses.fr/2017PA066594/document.

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Abstract:

La dépendance à la nicotine est un problème sociétal majeur. De nombreuses personnes continuent à fumer, malgré des conséquences négatives pour la santé bien connues. La recherche sur la toxicomanie se concentre généralement sur la motivation à obtenir cette drogue, le sevrage, rendu difficile par les symptômes de manque et la persistance des comportements appris. Au cours de cette thèse, je me suis concentrée sur les interactions entre les systèmes dopaminergique et nicotinique dans les comportements de prise de décision. Je me suis particulièrement intéressée aux effets de la nicotine administrée passivement de manière chronique. Mettre en évidence les modifications dans la signalisation dopaminergique, et les altérations des comportements de choix qu'implique la consommation de drogue, permet un autre éclairage sur l'état de dépendance, mais ouvre aussi de nouvelles perspectives sur le traitement des addictions et sur les notions de vulnérabilité et de comorbidité avec d'autres pathologies. Les théories de la prise de décision suggèrent que les individus analysent les bénéfices et les coûts potentiels pour guider leurs actions. Ainsi, faire des choix appropriés nécessite d'apprendre la valeur des options disponibles à partir de l'expérience. Ce processus reposerait principalement sur l'activité des neurones dopaminergiques. Une question cruciale est de savoir si les processus computationnels sous-jacents aux choix peuvent être modifiés de manière durable par l'exposition à la nicotine et/ou par la manipulation des récepteurs nicotiniques. Nous avons développé un paradigme comportemental, de type bandit manchot avec des stimulations intra-crâniales comme récompenses, qui permet d'évaluer la prise de décision basée sur la valeur et l'exploration. Nous avons étudié le rôle de la transmission nicotinique dans l'équilibre comportemental entre exploration et exploitation à l'aide de souris knock-out pour la sous-unité beta2 du récepteur nicotinique. Nous démontrons que les souris beta2KO explorent moins que les souris de type sauvage suggérant un rôle des nAChR dans la traduction de l'incertitude attendue en motivation à explorer. Dans une deuxième étape, nous analysons l'effet d'une exposition chronique à la nicotine sur ces processus de prise de décision. Il a été proposé que la libération phasique de dopamine serait cruciale pour l\'apprentissage, alors que l'activité tonique serait plus impliquée dans l'expression d'un comportement précédemment acquis. Nous montrons ici que la nicotine, sur le long terme, peut altérer l'activité spontanée des cellules dopaminergiques et ainsi modifier la libération phasique et tonique de dopamine. Cette modification se traduit par une augmentation de la "sensibilité à la valeur", et donc une altération des choix. Un individu sous nicotine chronique se concentre davantage sur les récompenses plus importantes. Nous avons mimé cet effet par une activation optogénétique tonique des neurones dopaminergiques. Ces travaux mettent en lumière les mécanismes qui sous-tendent les changements dans la prise de décision lors d'une exposition aux drogues Nicotine addiction is a major societal dilemma: despite the well-known adverse consequences to health, more than one billion persist in the habit. Much addiction research focuses on the motivation to obtain and take drugs and the difficulties of abstinence due to withdrawal effects and learned behaviour. My research focuses on the interactions between the dopaminergic and nicotinic systems in value-based decision-making behaviour, as well as the effects of passively administered nicotine within this framework. Understanding the alterations in the dopamine (DA) system and choice behaviour occurring with drug consumption provides another angle on the addictive state, the general predispositions and vulnerabilities for co morbid disorders. This knowledge could unveil new perspectives towards addiction treatment. Theories of decision-making suggest that individuals analyse potential benefits and costs to guide their actions based on experience. A multitude of studies have drawn links between DA cell activity and such choice behaviour. Dopamine signals attribute to the evaluation of available options to select future actions. The addictive nature of nicotine is well established, but can a much more alarming link be made between its effect on the DA system and fundamental perception of our environment ? Could basic computations underlying choices be significantly modified by drug exposure and/or by the manipulation of nicotinic receptors ? We designed a behavioural paradigm that allows us to assess value-based decision-making in different mouse models and with different manipulations of the cholinergic-dopaminergic circuits. We investigated the role of nicotinic transmission in the exploration/exploitation tradeoff using a beta2 subunit-containing nicotinic acetylcholine receptor knockout mouse model. Using a spatial version of a three-armed bandit task and intra-cranial self-stimulation as reward, we demonstrate that beta2KO mice explore less than the WT. This finding suggests the role of specific nAChRs in the translation of expected uncertainty into motivational value and exploratory decision-making. Secondly, we analysed the effect of chronic nicotine exposure in this decision process. It has been proposed that phasic dopamine release could provide a teaching signal necessary for learning, while tonic dopamine levels could influence the implementation of previously learned behaviours. Here we show that long-term nicotine exposure can alter the spontaneous activity of VTA DA cells and therefore change phasic and tonic DA signalling. These modifications translate into an enhanced value-sensitivity; the ability to discriminate between different values. We replicated this effect through optical stimulation of VTA DA neurons on a high tonic frequency. This illustrates that organisms under chronic nicotine focus on higher rewards. This data sheds a new light on the mechanisms underlying drug-induced changes in decision-making

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Pages, Guillaume. "Développements algorithmiques pour l'analyse et la prédiction de la structure des protéines." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019GREAM036.

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Abstract:

Les protéines sont omniprésentes dans les processus biologiques. Identifier leurs fonctions aide à comprendre et éventuellement à contrôler ces processus. Cependant, si la détermination de la séquence protéique est désormais une procédure de routine, il est souvent difficile d'utiliser cette information pour extraire des connaissances fonctionnelles pertinentes sur le système étudié. En effet, la fonction d'une protéine repose sur ses propriétés chimiques et mécaniques, lesquelles sont définies par sa structure. Ainsi, la prédiction, la compréhension et l'analyse de la structure des protéines sont parmi les principaux défis de la biologie moléculaire.La prédiction et l'analyse des repliements de protéines est le sujet central de cette thèse. Cependant, de nombreuses protéines sont organisées selon des assemblages qui sont symétriques dans la plupart des cas et certaines protéines contiennent des répétitions internes. La conception d'une structure avec des répétitions ou d'un assemblage protéique symétrique est souvent le moyen le plus simple pour l'évolution d'atteindre une certaine fonction. Ceci qui nous a poussé à développer des méthodes spécialement conçues pour les assemblages protéiques symétriques et les protéines avec répétitions internes. Une autre motivation derrière cette thèse était d'explorer et de faire progresser le domaine émergent de l'apprentissage profond appliqué aux données atomistiques tridimensionnelle (3D).Cette thèse s'articule autour de deux parties. Dans la première partie, nous proposons des algorithmes pour analyser la structures des assemblages symétriques de protéines. Nous commençons par définir une mesure de symétrie basée sur la distance euclidienne 3D et décrivons un algorithme permettant de calculer efficacement cette mesure et de déterminer les axes de symétrie des assemblages protéiques. Cet algorithme est capable de traiter tous les groupes ponctuels de symétrie, à savoir les symétries cycliques, dièdrales, tétraédriques, octaédriques et icosaédriques, grâce à une heuristique robuste qui perçoit la correspondance entre sous-unités asymétriques. Nous étendons ensuite les limites du problème et proposons une méthode applicable à des cartes de densité 3D. Nous abordons ce problème à l'aide d'un réseau neuronal profond (DNN), et nous proposons une méthode qui prédit l'ordre de symétrie l'axe de symétrie 3D.Ensuite, nous proposons une architecture DNN pour évaluer la qualité de modèles 3D de repliements de protéines. Nous avons entrainé le DNN en utilisant en entrée la géométrie locale autour de chaque résidu dans un modèle de protéine représenté par une carte de densité, et avons prédit les CAD-scores de ces résidus. Le DNN a été créé pour être invariant par rapport à l'orientation du modèle d'entrée. Nous avons également conçu certaines parties du DNN pour reconnaître automatiquement les propriétés des atomes et sélectionner des descripteurs pertinents. Enfin, nous analysons les descripteurs appris par le DNN. Nous montrons que notre architecture apprend effectivement des propriétés des atomes, des acides aminés et des structures moléculaires de niveau supérieur. Certaines propriétés sont déjà bien étudiées comme les éléments chimiques, les charges partielles atomiques, les propriétés des acides aminés, la structure secondaire des protéines et l'exposition au solvant. Nous démontrons également que notre réseau apprend de nouvelles caractéristiques structurelles.Cette étude présente de nouveaux outils pour la biologie structurale. Certains sont déjà utilisés dans la communauté, par les évaluateurs de CASP par example. Elle démontre également la puissance de l'apprentissage profond pour la représentation de la structure des protéines et son applicabilité aux problèmes des données 3D Proteins are ubiquitous for virtually all biological processes. Identifying their role helps to understand and potentially control these processes. However, even though protein sequence determination is now a routine procedure, it is often very difficult to use this information to extract relevant functional knowledge about system under study. Indeed, the function of a protein relies on a combination of its chemical and mechanical properties, which are defined by its structure. Thus, understanding, analysis and prediction of protein structure are the key challenges in molecular biology.Prediction and analysis of individual protein folds is the central topic of this thesis. However, many proteins are organized in higher-level assemblies, which are symmetric in most of the cases, and also some proteins contain internal repetitions.In many cases, designing a fold with repetitions or designing a symmetric protein assembly is the simplest way for evolution to achieve a specific function. This is because the number of combinatorial possibilities in the interactions of designed folds reduces exponentially in the symmetric cases. This motivated us to develop specific methods for symmetric protein assemblies and also for individual proteins with internal repeats. Another motivation behind this thesis was to explore and advance the emerging deep neural network field in application to atomistic 3-dimensional (3D) data.This thesis can be logically split into two parts. In the first part, we propose algorithms to analyse structures of protein assemblies, and more specifically putative structural symmetries.We start with a definition of a symmetry measure based on 3D Euclidean distance, and describe an algorithm to efficiently compute this measure, and to determine the axes of symmetry of protein assemblies. This algorithm is able to deal with all point groups, which include cyclic, dihedral, tetrahedral, octahedral and icosahedral symmetries, thanks to a robust heuristic that perceives correspondence between asymmetric subunits. We then extend the boundaries of the problem, and propose a method applicable to the atomistic structures without atom correspondence, internal symmetries, and repetitions in raw density maps. We tackle this problem using a deep neural network (DNN), and we propose a method that predicts the symmetry order and a 3D symmetry axis.Then, we extend the DNN architecture to recognise folding quality of 3D protein models. We trained the DNN using as input the local geometry around each residue in a protein model represented as a density map, and we predicted the CAD-scores of these residues. The DNN was specifically conceived to be invariant with respect to the orientation of the input model. We also designed some parts of the network to automatically recognise atom properties and robustly select features. Finally, we provide an analysis of the features learned by the DNN. We show that our architecture correctly learns atomic, amino acid, and also higher-level molecular descriptors. Some of them are rather complex, but well understood from the biophysical point of view. These include atom partial charges, atom chemical elements, properties of amino acids, protein secondary structure and atom solvent exposure. We also demonstrate that our network learns novel structural features.This study introduces novel tools for structural biology. Some of them are already used in the community, for example, by the PDBe database and CASP assessors. It also demonstrates the power of deep learning in the representation of protein structure and shows applicability of DNNs to computational tasks that involve 3D data

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Abdi, Azzedine. "Etude de la diversité neuronale au sein du Globus Pallidus : analyse neurochimique, électrophysiologique et manipulation optogénétique d’un sous-type neuronal chez le rongeur." Thesis, Bordeaux 2, 2013. http://www.theses.fr/2013BOR22061/document.

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Abstract:

Le réseau des ganglions de la base (GB) est un ensemble de structures sous corticales, dont la principale fonction est le contrôle du mouvement volontaire. Le Globus Pallidus (GP), équivalent du GPe chez le primate, est un noyau constitué exclusivement de neurones GABAergiques, qui joue un rôle clé dans le fonctionnement des GB de par ses projections inhibitrices diffuses sur l’ensemble des structures de ce macrocircuit. Bien qu’une diversité neuronale au sein du GP ait été suggérée sur les bases de l’origine embryonnaire, de l’expression de protéines spécifiques ou encore de l’activité électrique des neurones, ces différents paramètres n’ont pas été corrélés de manière claire. Notre premier objectif a donc été de corréler les propriétés membranaires de neurones du GP enregistrés en patch-clamp sur des tranches de cerveau de rat avec l’expression spécifique de deux marqueurs neuronaux : une protéine liant le calcium, la parvalbumine (PV) ou un facteur de transcription, Forkhead Box 2 (FoxP2). Nous avons observé des différences électrophysiologiques significatives entre les neurones PV-positifs et FoxP2-positifs. Ce résultat nous a amené à formuler l’hypothèse qu’ayant des propriétés distinctes, les neurones PV-positifs et FoxP2-positifs pouvaient être connectés de manière différente au sein du réseau des ganglions de la base. Nous avons donc réalisé des expériences de traçage neuronal in vivo afin d’identifier les structures cibles de chaque sous-population. Nous montrons que les neurones PV-positifs projettent sur les structures de sortie des ganglions de la base tandis que les neurones FoxP2-positifs projettent uniquement sur le striatum. Enfin, le GP étant majoritairement composé de neurones PV-positifs, nous avons décidé de manipuler spécifiquement l’activité électrique de cette population in vitro et in vivo grâce à l’optogénétique. Nous présentons des résultats montrant que la modulation de l’activité électrique des neurones PV-positifs modifie le comportement moteur chez l’animal vigile. Nos résultats d’immunohistochimie et d’électrophysiologie in vitro démontrent pour la première fois l’existence d’une diversité neuronale au sein du GP. Nos expériences constituent la première étude du rôle des neurones PV-positifs dans le contrôle du mouvement volontaire Globus Pallidus (GP in Rodents; GPe in Primates) which belongs to the indirect pathway of basal ganglia is often, if not always, considered as an homogeneous entity which simply relays striatal information through the subthalamic nucleus, downstream to the output of basal ganglia, the substantia nigra pars reticulata. Prototypical GP neurons are often described as fast-spiking GABAergic cells which express parvalbumin (PV) as a neurochemical marker. However, cellular heterogeneity in GP has been suggested by anatomical, neurochemical, fate mapping analysis and electrophysiological activity in vivo but a clear demonstration of the existence of distinct cell types in GP, which requires by definition correlation of electrophysiological activity with neurochemistry and structure, is still missing. The objective of my PhD was i) to determine if the expression of specific neuronal markers in GP neurons is correlated with specific electrophysiological properties, ii) to understand the function of identified cell types in motor control, in order to prove that neuronal diversity exists and matters in GP. We show that electrical activity and repertoire of ionic channels differ in PV-positive and FoxP2-positive neurons. We demonstrate that PV-positive neurons do project on downstream structures whereas FoxP2-positive neurons exclusively target striatum. We report that manipulating PV-positive neurons using optogenetics induce changes in motor behavior. Thus, our results contribute to highlight the function of GP in motor control

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Dissertations / Theses on the topic 'Optogénétique'

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