Naviguer avec la lumière : du comportement aux circuits neuronaux chez la larve de poisson zèbre

Light-seeking navigation in zebrafish larva : from behavior to neural circuits

• Auteur / Autrice : Sophia Karpenko
• Direction : Georges Debrégeas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Frontières du vivant
• Date : Soutenance le 11/12/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Jean Perrin (Paris ; 2009-....) - Laboratoire Jean Perrin
• Jury : Président / Présidente : Laurent Bourdieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Georges Debrégeas, Laurent Bourdieu, Philippe Vernier, Elena Dreosti, Antoine Wystrach, Elim Hong
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Vernier, Elena Dreosti

Mots clés

Mots clés libres

Neurosciences comportementales

Imagerie calcique fonctionnelle

Microscopie a nappe laser 2 photon

Navigation

Systeme visuel

Integration sensori-Motrice

Behavioral neuroscience

Functional calcium imaging

2 photon light-Sheet microscopy

Navigation

Visual system

Sensory-Motor integration

Résumé

Afin de survivre et de se développer, les organismes motiles utilisent les signaux sensoriels de leur environnement pour naviguer vers les environnements où ils sont les plus susceptibles d'éviter les prédateurs, trouver de la nourriture ou rencontrer des partenaires. Cette navigation exige que la perception sensorielle et l'action motrice soient coordonnées au sein d'une même boucle de rétroaction. Celle-ci est mise en œuvre chez nombre d'organismes - des bactéries aux nématodes, en passant par les insectes, ainsi que chez les vertébrés.Comprendre la relation entre comportement à l'échelle de l'organisme et dynamique des circuits à l'échelle d'un cerveau chez les vertébrés est un défi central dans les neurosciences, auquel ce travail vise à contribuer. La larve de poisson-zèbre, ayant une accessibilité unique pour l'imagerie fonctionnelle à l'échelle du cerveau entier ainsi qu'une large palette de comportements innés, est un organisme idéal pour aborder ce sujet. Je m'intéresse plus particulièrement à la navigation biaiée par la lumière -aussi appelée phototaxie - chez la larve de poisson-zèbre : j'étudie comment une telle tâche sensorimotrice est mise en œuvre sur le plan comportemental, et quelle est la dynamique du réseau neuronal sous-jacent.La première section (i) de cette thèse vise à caractériser la façon dont les séquences de stimulation motrice et visuelle régissent la sélection d'événements de nage discrets qui font la navigation du poisson, en présence d'une source lumineuse distante. En utilisant une expérience de réalité virtuelle, deux stratégies différentes de phototaxie sont étudiées : l'une basée sur le contraste spatial perçu, l'autre sur le changement d'intensité lumineuse totale perçu lors d'un événement de nage. Les séquences de nage sont décrites à l'aide d'un modèle de chaînes de Markov qui prédit quantitativement la distribution stationnaire de l'orientation du poisson sous un profil d'illumination donné.Une deuxième partie (ii) se concentre sur la transposition de l'expérience de phototaxie développée dans la section (i) d'un animal en nage libre à un animal partiellement immobilisé. Le suivi des mouvements de la queue permet de calculer une orientation virtuelle, utilisée pour mettre à jour l'environnement visuel. Cette approche permet d'émuler une navigation virtuelle en présence d'une source de lumière distante.La dernière partie du projet (iii) se concentre sur le circuit neuronal qui sous-tend ce comportement. Spécifiquement un circuit nommé ARTR, connu pour être impliqué dans la sélection de l'orientation à chaque mouvement de nage. La technique développée dans la section (ii) est utilisée en combinaison avec un microscope à feuille de lumière 2 photons, permettant d'interroger expérimentalement les circuits d'intérêt, en utilisant des stimuli visuels simples, soit délivrés lors d'un mouvement de la queue, soit de manière aléatoire. Cela permet de démêler les contributions du stimulus visuel et de l'efférence motrice.Dans son ensemble, cette contribution pourrait permettre de mieux comprendre comment un stimulus peut biaiser la dynamique neurale interne d'un animal qui navigue, afin de déclencher une réponse appropriée à changement de l'environnement abrupt.

In order to survive and thrive, motile organisms use sensory cues to navigate towards environments where they are most likely to avoid predators, obtain food or find mates. This sensory-guided navigation requires sensory perception and motor action to be coordinated in a feedback loop which is implemented by number of organisms - ranging from bacteria to nematodes or insects, and also by vertebrates.Bridging brain-scale circuit dynamics and organism-scale behaviour in a model vertebrate is a central challenge in neuroscience, to which this work aims to contribute. Zebrafish larva, for its unique accessibility to brain-wide functional imaging and wide display of innate behaviours is an ideal organism to tackle this topic. I specifically focus on light-seeking navigation of larval zebrafish: I investigate how such a sensorimotor task is behaviourally implemented, and what the underlying neural dynamics are.The first section (i) of this thesis is aimed at the characterisation of how motor and visual stimulation sequences govern the selection of discrete swim-bout events that sub-serve the fish navigation in the presence and absence of a distant light source. Using a virtual reality assay, two different light-seeking strategies are tested: either based on spatial contrast or on global intensity modulation according to the fish's body orientation. The swim bout sequences are described using a comprehensive Markov-chain model of navigation that quantitatively predicts the stationary distribution of the fish’s orientation under any given illumination profile.A second part (ii) focuses on the transposition of the virtual assay developed in section (i) from a freely swimming onto a partially tethered animal. Recording its eye and tail movements in order to compute a virtual orientation and thus updating the visual environment enables the emulation of a navigation with respect to a distant light source, using spatial contrast cues.And the final part (iii) targets the neural circuit that sub-serves this behaviour. The behavioural description of section (i) is mapped on a neuronal model of the ARTR, a small neural circuit involved in the orientation-selection of swim bouts, which can capture the statistics of both spontaneous and contrast-driven navigation. Using the assay developed in section (ii) added onto a 2-photon light-sheet microscope, this neural circuit is experimentally interrogated using illumination changes upon an attempted swim bout or uncorrelated from a swim event. This enables to disentangle the contributions of the visual stimulus and motor efference in biasing global neural dynamics.All in all, this work might participate to a better understanding of how a stimulus may bias the internal neural dynamics of a navigating animal in order to trigger an appropriate response to an acute sensible environmental fluctuation.