Étude de la maturation comportementale et neuronale au cours du développement chez Danionella cerebrum et étude comparative avec Danio rerio

Study of behavioral and neuronal maturation during development on Danionella cerebrum and comparative study with Danio rerio

• Auteur / Autrice : Julie Lafaye
• Direction : Georges Debrégeas, Filippo Del Bene
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/09/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Jean Perrin (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Régis Lambert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elim Hong, Owen Randlett
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Peter Neri, Michael Orger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Danio rerio

Danioninae

Poissons -- Locomotion

Réseaux neuronaux (physiologie)

Mots clés libres

Danionella cerebrum

Circuits neuronaux

Étude comparative

Locomotion

Imagerie nappe laser

Danionella cerebrum

Neuronal circuits

Comparative study

Locomotion

Ligh-Sheet microscopy

Résumé

Se déplacer est essentiel pour que les animaux puissent s'adapter à leur environnement. Cette capacité est modulée par les informations sensorielles environnementales intégrées en permanence par les animaux. Chez les poissons, ce programme sensorimoteur est déjà fonctionnel au stade larvaire et évolue avec le développement de l'animal. Dans cette thèse, nous avons exploré comment les stimuli stéréotypés sont intégrés et influencent la locomotion. Nous avons également étudié comment le circuit neuronal sous-jacent de la locomotion évolue au cours du développement animal. Nous avons utilisé des larves de poisson zèbre pour répondre à la première question. Notre implication dans le développement d'un nouveau modèle vertébré, Danionella cerebrum (DC), nous a permis de commencer l’étude de la deuxième question. L’intégration de stimulations multisensorielles est un processus qui nécessite un temps de traitement des informations. Pour l’étudier, nous avons combiné deux réflexes déjà décrits indépendamment chez la larve de poisson zèbre : la réponse optomotrice et la réponse de fuite à une stimulation acoustique. Nous avons confirmé que les larves retardent leur premier mouvement lorsqu'elles sont exposées à un stimulus visuel, et nous avons montré que cette information visuelle n’influence pas la direction de fuite déclenchée par un signal acoustique. Notre laboratoire participe au développement d'un nouveau modèle vertébré, le poisson DC. Par sa petite taille, sa transparence optique de la larve à l’adulte, son large répertoire de comportements et sa relation phylogénétique étroite avec le poisson zèbre, cet organisme est adapté pour l'imagerie fonctionnelle du cerveau en entier avec une résolution cellulaire et à différents stades du développement. Nous avons créé une installation spécifique pour cette espèce et nous avons établi des protocoles d'élevage et d'alimentation basés sur des connaissances déjà existantes. En tant que collaborateurs pour une étude, nous avons profité de la proximité phylogénétique entre le poisson zèbre et le DC pour mener une étude comparative. Nous nous sommes particulièrement intéressés à la locomotion spontanée et à l'exploration à long terme chez la larve. Nous avons montré que malgré leurs différents modes de nage, les deux espèces ont une exploration à long terme similaire. Pour explorer plus en détail ce phénomène, nous avons décidé de modéliser les trajectoires avec des modèles simples. Nous souhaitons également comprendre comment la lumière affecte le programme locomoteur de DC. En parallèle, l'activité calcique neuronale a été enregistrée avec un microscope à nappe laser afin de déterminer les populations de neurones corrélées à la nage, chez la larve. Il a été publié que les deux espèces ont en commun des régions du cerveau recrutées pendant les phases de mouvements. Grâce à son comportement de nage différent, nous avons mis en évidence des populations neuronales dans le cerveau de DC qui sont activées lorsque le poisson ne nage pas. Nous avons aussi démontré qu'il est possible d'enregistrer l'activité calcique du cerveau entier chez des DC juvéniles avec le même protocole et la même configuration que pour les larves. Cela permettra de suivre la maturation du circuit neuronal locomoteur et d'identifier les mécanismes impliqués dans l'évolution du cerveau au cours du développement. Ce travail de thèse fait partie d'un effort global pour établir DC comme modèle animal en neurosciences. Les futures études dans notre laboratoire viseront à comparer les modèles d'exploration simple définis pour les larves de poisson zèbre et de DC afin d'avoir un aperçu des stratégies d'évolution créant des divergences de comportement. Nous comparerons aussi les modifications du modèle des trajectoires développé pour les larves de DC et celles du circuit neuronal locomoteur, chez les poissons juvéniles, pour révéler certains mécanismes impliqués dans la maturation au cours du développement.

Locomotion is essential for motile animal to adapt to their environment. This ability to navigate is modulated by the sensory information animals are continuously integrating from their environment in order to find food or mates and avoid predators. Both locomotion and information integration are part of the sensorimotor program that is controlling animal exploratory behavior. In fish, these operations are already functional at early development stage and evolve with animal development. In this thesis, we explored how stereotyped stimuli are integrated and influence locomotion, and we also investigate how the underlying neuronal circuit of locomotion change through animal development. We used larvae zebrafish to answer the first question. Our involvement in developing a new vertebrate model Danionella cerebrum (DC), allowed us to initiate the exploration of the second question. Sensorimotor program requires the integration of multisensory stimulation that necessitates processing time. To study this, we combined two reflexes already described independently in larvae zebrafish, the optomotor response and the acoustic startle response. We confirmed that larvae are delaying their first movement when exposed to a visual stimulus, and we showed that this visual information did not bias the escape direction triggered by an acoustic signal. Our laboratory was involved in developing a new vertebrate model for neuroscience, the miniature fish DC. With its small size, around 15 mm at adulthood, its optical transparency from larval to adult stage, its wide behavior repertoire and its close phylogenetic relation with zebrafish, this fish is suitable for whole-brain functional imaging with a single cell resolution at different developmental stages. We created a specific fish facility in our university and we established raising and feeding protocols based on already existing knowledge. During a collaborative study, we took benefits of the phylogenetic proximity between zebrafish and DC to propose a comparative study between those two larvae. We especially focused on the spontaneous locomotion and long-term exploration. We showed that despite their different swimming patterns, both species have similar long-term exploration. To explore in more details this, we decided to model both trajectories with simple models. We are also interested in understanding how light affects the locomotor program of DC. In parallel, neuronal calcium activity was recorded with light-sheet microscope in larvae to determine neuron populations that are correlated with swimming activity. It has been published that both species have in common brain region that are recruited during swimming behaviors. Thanks to its different locomotion, we highlighted neuronal populations in DC that are firing when the fish is not swimming. We also demonstrated that it is possible to record whole-brain calcium activity in juveniles DC with the same protocol and setup used for larvae, which will allow following the maturation of the locomotor neuronal circuit and to identify mechanisms involved in brain evolution through the development. This thesis work is part of a global effort to establish DC as an interesting model for neuroscience. Further studies in our laboratory will aim at comparing the simple exploration models defined for zebrafish and DC larvae to have an insight on the evolution strategies which create divergent behaviors in close species. We will also follow modification on the simple model developed for larvae DC and on the locomotor neuronal circuit, in juvenile fish to reveal some mechanisms involved in maturation through development.