Les études cliniques montrent que l’incidence des crises épileptiformes est la plus forte durant la période néonatale. Ces crises ont de nombreux facteurs étiologiques : un traumatisme crânien, des épisodes anoxo-ischémiques, des infections périnatales, des hémorragies intracrâniennes, des troubles métaboliques et de la fièvre... Ces crises per se peuvent entrainer des conséquences délétères à long terme. Notamment, l’hypothèse que la propagation des crises répétées vers des structures cérébrales naïves peut conduire à la formation d’un foyer épileptique secondaire qui génère des crises spontanées a été longtemps suggérée comme étant un mécanisme de base dans l’épilepsie humaine. Par conséquent, il est nécessaire de traiter efficacement les crises néonatales. Cependant, les traitements de premier choix comme le phénobarbital et le diazépam qui ont été développés pour traiter les crises chez l’adulte, sont souvent inefficaces chez les nouveau-nés et peuvent même aggraver les crises. Les mécanismes à l’origine de cette différence sont actuellement mal connus. Récemment, à l’aide d’une préparation développée dans le laboratoire composée des deux hippocampes néonataux interconnectés, il a été montré pour la première fois que des crises induites dans un hippocampe qui se propagent vers l’hippocampe controlatéral pouvaient conduire à la formation d’un foyer épileptique secondaire - foyer miroir (« seizure beget seizure »). Ce modèle a permis de montrer qu’un des mécanismes clés de la formation d’un foyer épileptique était l’augmentation permanente du chlore intracellulaire résultant en une action GABAergique excitatrice favorisant la genèse de crises spontanées. Déterminer les mécanismes à l’origine de l’épileptogenèse secondaire est d’une importance clinique majeure, et permettra de développer de nouvelles stratégies de prévention des effets pathologiques des crises.La première partie de ce travail a été de définir l’implication du co-transporteur de chlore NKCC1 dans la genèse de crises et l’épileptogenèse secondaire. Nous avons montré que le blocage de NKCC1, à l’aide d’outils pharmacologiques ou génétiques, ne prévient ni la formation d’un foyer miroir par des crises propagées ni l’augmentation permanente de chlore intracellulaire. Par conséquent, NKCC1 n’est ni nécessaire ni suffisant à induire ces modifications. Dans la deuxième partie, utilisant des outils électrophysiologiques et immunochimiques, nous apportons un faisceau d’évidences montrant que le co-transporteur de chlore KCC2 est internalisé et altéré fonctionnellement par des crises suggérant que l’accumulation de chlore résulte essentiellement de l’incapacité des neurones à évacuer le chlore. Dans la troisième partie nous avons étudié les effets du phénobarbital (PB) et du diazépam (DZP) sur la genèse de crises et l’épileptogenèse durant la période néonatale. En particulier, nous montrons que le PB, mais pas le DZP, bloque des crises initiales induites et prévient l’induction d’un foyer épileptique secondaire. Cette différence est due à un blocage partiel des récepteurs AMPA/KA par le PB. Cependant, une fois le foyer miroir établi, le PB comme le DZP aggravent les crises spontanées en exacerbant les effets excitateurs du GABA. Ces résultats montrent que l’histoire des crises détermine les effets du PB. En outre, le bumétanide, un antagoniste de NKCC1 qui réduit le chlore intracellulaire, améliore l’action du PB et bloque les crises spontanées. En conclusion, nos observations plaident fortement pour un traitement rapide des crises néonatales afin de protéger autant que faire les capacités du neurone à réguler le chlore intracellulaire. / Clinical studies show that children, especially neonates are in a much higher risk than adults to develop seizures. Such seizures in the brain may be provoked by different factors: tumor, infection, anoxia, fever, trauma, cysts, vascular malformations... Seizures in neonates are also often resistant to treatments and available antiepileptic drugs (AEDs) are inefficient or even provoke and aggravate neonatal seizures. A fundamental concept in epilepsy is that the seizures generated in epileptogenic regions propagate to the other brain structures even to the contralateral side and may develop permanent epileptic focus in the naïve brain structures – secondary epileptic focus. Consequently, it is necessary to treat the neonatal seizures. Diazepam (DZP) and phenobarbital (PB) are extensively used as first and second line drugs to treat acute seizures in neonates and their actions are thought to be mediated by increasing the actions of GABAergic signals. Yet, their efficacy is different and variable with occasional failure or even aggravation of recurrent seizures questioning whether other mechanisms are not involved in their actions. We studied these issues in the intact interconnected hippocampal preparation from neonatal rats and mice. Using this preparation and three-compartment chamber we induced seizures in one hippocampus that propagated to the contralateral one. The propagation of recurrent seizures transformed the contralateral hippocampus into independent epileptogenic focus – mirror focus (MF) - that was capable of generating spontaneous seizures (« seizure beget seizure »). The formation of MF is associated with a permanent increase of the intracellular concentration of chloride and a shift of the actions of GABA from inhibitory to excitatory. Therefore determining how secondary epileptogenesis is induced will have major clinical impact as it will enable to develop tools that prevent selectively the pathogenic seizures.At first, we have determined the impact and the contribution of chloride co-transporter NKCC1 in seizure generation and secondary epileptigenesis. We have shown that the pharmacologically or genetically blockade of NKCC1 did not prevent neither the generation nor propagation of evoked seizures nor formation of MF. However, in the isolated MF, bumetanide effectively blocked spontaneous epileptiform activity. Bumetanide partially reduced DFGABA and therefore the excitatory action of GABA in epileptic neurons. Therefore, bumetanide is a potent anticonvulsive agent although it cannot prevent formation of the epileptogenic MF.Second using different electrophysiological and immunochemistry approaches we have demonstrated that the accumulation of chloride and the excitatory actions of GABA in mirror foci neurons are mediated by NKCC1 chloride importer and by a downregulation and internalisation of the chloride exporter KCC2.Finally using our MF model we have compared the actions of PB and DZP on neonatal seizures. We have revealed that PB but not DZP dramatically reduced initial propagating seizures and prevented formation of epileptogenic MF. We show that PB in contrast to DZP has a highly specific action on AMPA/kainate receptor mediated currents. This action underlies an important difference between the two AEDs as in contrast to PB, DZP aggravates early seizures reflecting the advantage of PB over DZP to prevent secondary epileptogenesis. Yet, after repeated seizures, once an epileptogenic MF has been formed, this difference is abolished because of the strong excitatory actions of GABA. Therefore, the history of seizures prior to GABA acting AED treatment determines its effects and rapid treatment of severe potentially epileptogenic neonatal seizures is recommended to prevent secondary epileptogenesis associated with KCC2 down regulation.

Les épilepsies acquises se déclarent après un processus graduel appelé épileptogenèse. Bien que cliniquement silencieux, ce processus implique des modifications fonctionnelles observables notamment par électroencéphalographie. Cette thèse vise i) à identifier des marqueurs électrophysiologiques apparaissant au cours de l'épileptogenèse, et ii) à comprendre les modifications physiopathologiques sous-jacentes responsables de ces marqueurs et de leur évolution temporelle. Dans un premier temps, nous avons, dans un modèle d'épilepsie partielle chez la souris, monitoré des signaux électrophysiologiques intracérébraux pendant la mise en place de la maladie. Nous avons observé dans ces signaux expérimentaux, l'émergence d'événements transitoires pathologiques appelés pointes épileptiques. Nous avons développé des méthodes de traitement du signal pour détecter et caractériser automatiquement ces événements. Ainsi, nous avons pu mettre en évidence certains changements dans la forme des pointes épileptiques au cours de l'épileptogenèse ; en particulier l'apparition et l'augmentation d'une onde qui suit la pointe épileptique. Une hypothèse défendue dans ces travaux est que ces changements morphologiques peuvent constituer des marqueurs de l'épileptogenèse dans ce modèle animal. Dans un second temps, afin d'interpréter ces modifications électrophysiologiques en termes de processus neurophysiologiques sous-jacents, nous avons implémenté un modèle biomathématique, physiologiquement argumenté, capable de simuler des pointes épileptiques. Formellement, ce modèle est un système dynamique non linéaire qui reproduit les interactions synaptiques (excitatrices et inhibitrices) dans une population de neurones. Une analyse de sensibilité de ce modèle a permis de mettre en évidence le rôle critique de certains paramètres de connectivité dans la morphologie des pointes. Nos résultats montrent en effet, qu'une diminution de l'inhibition GABAergique entraîne un accroissement de l'onde dans les pointes épileptiques. À partir du modèle théorique, nous avons pu ainsi émettre des hypothèses sur les modifications opérant au cours du processus d'épileptogenèse. Ces hypothèses ont pu être en partie vérifiées expérimentalement en bloquant artificiellement l'inhibition GABAergique, dans le modèle in vivo chez la souris, et dans un modèle in vitro chez le rat. En conclusion, ce travail de thèse fournit, dans un modèle animal, un biomarqueur électrophysiologique de l'épileptogenèse et tente d'expliquer, grâce à une modélisation biomathématique, les processus neurophysiologiques sous-jacents qu'il reflète.

Les épilepsies acquises se déclarent après un processus graduel appelé épileptogenèse. Bien que cliniquement silencieux, ce processus implique des modifications fonctionnelles observables notamment par électroencéphalographie. Cette thèse vise i) à identifier des marqueurs électrophysiologiques apparaissant au cours de l’épileptogenèse, et ii) à comprendre les modifications physiopathologiques sous-jacentes responsables de ces marqueurs et de leur évolution temporelle. Dans un premier temps, nous avons, dans un modèle d’épilepsie partielle chez la souris, monitoré des signaux électrophysiologiques intracérébraux pendant la mise en place de la maladie. Nous avons observé dans ces signaux expérimentaux, l’émergence d’événements transitoires pathologiques appelés pointes épileptiques. Nous avons développé des méthodes de traitement du signal pour détecter et caractériser automatiquement ces événements. Ainsi, nous avons pu mettre en évidence certains changements dans la forme des pointes épileptiques au cours de l’épileptogenèse ; en particulier l’apparition et l’augmentation d’une onde qui suit la pointe épileptique. Une hypothèse défendue dans ces travaux est que ces changements morphologiques peuvent constituer des marqueurs de l’épileptogenèse dans ce modèle animal. Dans un second temps, afin d’interpréter ces modifications électrophysiologiques en termes de processus neurophysiologiques sous-jacents, nous avons implémenté un modèle biomathématique, physiologiquement argumenté, capable de simuler des pointes épileptiques. Formellement, ce modèle est un système dynamique non linéaire qui reproduit les interactions synaptiques (excitatrices et inhibitrices) dans une population de neurones. Une analyse de sensibilité de ce modèle a permis de mettre en évidence le rôle critique de certains paramètres de connectivité dans la morphologie des pointes. Nos résultats montrent en effet, qu’une diminution de l’inhibition GABAergique entraîne un accroissement de l’onde dans les pointes épileptiques. À partir du modèle théorique, nous avons pu ainsi émettre des hypothèses sur les modifications opérant au cours du processus d’épileptogenèse. Ces hypothèses ont pu être en partie vérifiées expérimentalement en bloquant artificiellement l’inhibition GABAergique, dans le modèle in vivo chez la souris, et dans un modèle in vitro chez le rat. En conclusion, ce travail de thèse fournit, dans un modèle animal, un biomarqueur électrophysiologique de l’épileptogenèse et tente d’expliquer, grâce à une modélisation biomathématique, les processus neurophysiologiques sous-jacents qu’il reflète. / Acquired epilepsies occur after a process called epileptogenesis. Although clinically silent, this process involves some functional modifications which can be observed by electroencephalography. The objectives of this thesis are i) to identify electrophysiological markers occurring during epileptogenesis, and ii) to understand which underlying pathophysiological modifications are responsible for these markers and their evolution. Firstly, using an in vivo experimental mouse model of partial epilepsy, we have monitored intracranial electrophysiological signals during epileptogenesis. We observed the emergence of pathological transient events called epileptic spikes. We have developed signal processing methods in order to automatically detect and characterize these events. Hence, we observed and quantified morphological changes of epileptic spikes during epileptogenesis. In particular, we noticed the emergence and the increase of a wave which directly follows the spike component. In this work, we defend the hypothesis that these morphological modifications can constitute markers of the epileptogenesis process in this animal model of epilepsy. Secondly, in order to interpret these electrophysiological modifications in terms of underlying pathophysiological processes, we have implemented a computational model able to simulate epileptic spikes. This neural mass model is a neurophysiologically-plausible mesoscopic representation of synaptic interactions (excitation and inhibition) in the hippocampus. Based on a sensitivity analysis of model parameters, we were able to determine some connectivity parameters that play a key role in the morphology of simulated epileptic spikes. In particular, our results show that a diminution of GABAergic inhibition leads to an increase of the aforementioned wave. Thus, using this theoretical model, we defined some hypotheses about pathophysiological modifications occurring during the epileptogenesis process. One of these hypotheses has been confirmed in blocking GABAa receptors in the in vivo mouse model, as well as in an in vitro model (rat, organotypic slices). In summary, based on the shape features of epileptic spikes, we devised an electrophysiological biomarker of epileptogenesis observed in a mouse model but useful in Human studies as well. Moreover, a computational modeling approach has permitted to suggest which pathophysiological processes might underlie this biomarker.