Ecole Doctorale

Sciences de la Vie et de la Santé

Spécialité

Biologie-Santé - Spécialité Neurosciences

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Connectomique,cortex,développement,imagerie calcique in vivo,microsopie à feuillet de lumière,analyse d'images,

Keywords

Connectomics,cortex,development,in vivo calcium imaging,light sheet microscopy,image analysis,

Titre de thèse

Connectome structural et fonctionnel des neurones GABAergiques et glutamatergiques en fonction de leur date de neurogenèse.
Mining and Investigating Specific Atlases and Connectomes of GABA and glutamate neurons according to their date of birth.

Date

Mercredi 13 Novembre 2019 à 14:00

Adresse

Inmed INSERM AMU U1249 Parc scientifique de Luminy 13009 Marseille Salle de conférence de l'INMED

Jury

Directeur de these Mme Agnès BAUDE INMED INSERM AMU U1249
Rapporteur M. Jean LIVET Ecole des Neurosciences Paris
Rapporteur Mme Sonia GAREL ENS CNRS UMR8197 INSERMU1024
Examinateur M. Jean-Pierre KESSLER IBDM CNRS AMU UMR7288
Examinateur M. Brice BATHELLIER Institut des Neurosciences Paris-Saclay UMR9197
Examinateur Mme Fanny MANN IBDM CNRS AMU UMR7288

Résumé de la thèse

L'architecture du cerveau peut être pensée de deux manières, structurelle et fonctionnelle. Le sujet de ma thèse était de découvrir certaines des règles qui régissent l'architecture morpho-fonctionnelle des réseaux neuronaux corticaux. Les neurones corticaux sont générés sur de longues périodes embryonnaires et post-natales. Des travaux précédents ont montré que les neurones générés à des stades embryonnaires précoces jouent un rôle essentiel dans la coordination de l'activité neuronale nécessaire à la maturation des réseaux de neurones corticaux (neurones « hubs »). La première partie de mon travail a consisté à caractériser le connectome structural des neurones glutamatergiques et GABAergiques en utilisant la méthode du « fate mapping » permettant l’expression de protéines fluorescentes en fonction de la date de genèse des neurones. En utilisant la microscopie à feuillet de lumière sur des cerveaux transparisés, j’ai pu quantifier la distribution de différentes populations neuronales dans le cerveau entier. Tout d'abord, j'ai mis en œuvre une nouvelle méthode de traitement d’images permettant d’augmenter leur contraste optimisant ainsi l’analyse quantitative. Pour détecter les cellules marquées au sein d’un bruit de fond plus ou moins dense, j’ai également développé de nouveaux algorithmes en faisant appel au « machine learning ». Ainsi, il a été atteint un taux de réussite de 98% pour une classification correcte de toutes les populations de neurones fluorescents. Finalement, nous avons établi des atlas « quantitatifs » en référence à « l’Allen Mouse Brain Atlas » des neurones GABAergiques et glutamatergiques en fonction de leur date de neurogenèse. La deuxième partie de mon travail a été consacrée à caractériser le connectome fonctionnel GABAergique et à démontrer la présence de neurones « hubs » dans le cortex en baril en développement. En utilisant des lignées de souris transgéniques exprimant l’indicateur de calcium GCaMP6s, nous avons suivi la maturation et la dynamique fonctionnelle du réseau neuronal au cours des deux premières semaines postnatales en utilisant l’imagerie à deux photons in vivo. Nous avons analysé le recrutement des neurones dans des activités corrélées et spontanées (assemblées). Nos résultats suggèrent que ces assemblées constituent la base fonctionnelle nécessaire à la maturation du réseau neuronal du cortex en baril. La distribution des liens fonctionnels entre neurones suit une loi de probabilité à queue lourde suggérant la présence de neurones « hubs ». En utilisant l’imagerie calcique à deux photons et une stimulation « optogénétique-holographique », nous avons démontré le rôle « hub » d’une sous-population de neurones GABAergiques dans la synchronisation de l’activité du réseau dans le cortex en baril au cours du développement.

Thesis resume

The architecture of the brain can be thought of in two ways, the structural and the functional ones, characterized by the physical connections and statistical dependencies, respectively. The core of my thesis was to uncover some of the rules that govern brain architecture. Cortical neurons are generated throughout an extended embryonic period. Recent studies indicate that the cells originating from the earliest stages of neurogenesis are critically involved in coordinating neuronal activity, instructing network maturation throughout large cortical areas. The first part of my work was building and mining brain cell atlases and connectomes. I first characterized the brain-wide structural connectome of early-born glutamatergic and GABAergic neurons, fluorescently labeled according to their date of birth (genetic fate-mapping approach). Using lightsheet microscopy on cleared brains, I quantify the distribution of both populations in the whole brain to create an Atlas. First of all, I implemented a new technique that allows to stitch images and deconvolve large data using a measured point-spread function to increase the contrast of the images. To detect cells, I systematically evaluated the responses of a large library of image filters to discriminate between cells and background and then fed them into a myriad of machine learning classifiers to apply these filters to a large amount of data. Therefore, by using the best filters and machine learning algorithm we achieve a success rate of 98% of correct classifications of all the populations of fate-mapped cells. Finally, we have direct access to the position and amount of cells in terms of the regions according to the annotated Allen Mouse Brain reference Atlas. The second part of my work was the characterization of GABAergic functional connectome and the characterization of hub cells in the developing barrel cortex in vivo. By using transgenic mice lines expressing the calcium indicator GCaMP6s, we follow the maturation and the functional dynamics of the network during the two first postnatal weeks using two-photon imaging. We specifically aim to understand the dynamics of neurons recruitment into spontaneous correlated activity patterns (assemblies). We believe that these assemblies form the building blocks of information processing in the barrel cortex. The characteristically heavy-tailed distribution of functional connections between neurons that we observed, strongly suggest the presence of hub neurons. Using two-photon calcium imaging and holographic optogenetic stimulation we entangle the necessary and sufficient conditions of how GABA neurons contribute to and synchronize network activity as acting as hub neuron in the barrel cortex.