Les difficultés de théorie de l’esprit (ToM) associées à la schizophrénie (SZ) et la schizotypie (Szt) seraient dues à un trouble élémentaire de traitement du contexte. Or, traiter le contexte engagerait deux types de processus inégalement atteints dans la SZ: les processus prédictifs (génération de prédictions) seraient préservés et les processus intégratifs (intégration a posteriori des informations nouvelles avec le contexte) seraient altérés. Ces processus sont mobilisés lors de la production d’inférences et reflétés par la modulation de la N400 ou de la P600. À l’aide de mesures comportementales et électrophysiologiques, l’objectif de ce travail était de: a) vérifier l’inégale atteinte de ces processus dans la Szt, b) évaluer si ce pattern d’inégale atteinte est observé lors d’une tâche de production d’inférences intentionnelles (PII), c) faciliter la mobilisation des processus altérés par le renforcement du contexte (sémantique, ajout d’un indice social). L’étude réalisée avec un paradigme d’amorçage sémantique en contexte mot confirme l’altération spécifique des processus intégratifs dans la Szt. La suite des études, conduite autour d’une tâche de PII reposant sur les processus prédictifs ou intégratifs dans la SZ et la Szt, montre: 1) des difficultés de PII lorsqu’elle mobilise les processus intégratifs, 2) une réduction de ces difficultés par le renforcement sémantique et 3) que l’ajout d’un indice social pourrait faciliter le traitement du contexte. Ainsi, la PII n’est pas totalement altérée dans la Szt et la SZ. Les études futures devraient considérer cette inégale atteinte des processus en ToM pour aider les patients à attribuer des intentions à autrui. / Theory of mind (ToM) impairments in schizophrenia (SZ) and in schizotypy (Szt) may stem from a context-processing deficit. However, treating the context would involve two types of processes differently affected impacted in SZ: predictive strategy (generation of expectations) would be preserved and integrative strategy (retroactive integration of new information with the context) would be altered. These processes are mobilized during inference generation tasks and reflected by modulations of the N400 and P600 components. Using behavioral and electrophysiological measures, the aim of this thesis was to: (a) confirm the unequal alteration of these processes in the Szt, (b) assess whether this pattern of unequal alteration is observed in intentional inference production tasks (IIP), and (c) facilitate the mobilization of altered processes by increasing the contextual constraints (semantic constraint, contextual reinforcement by social cue). Using a semantic priming task in word context, a first study showed that integrative processes are specifically altered in Szt. Subsequent studies were based on IIP task in which the inference production involved predictive processes or integrative processes. Results showed that: (1) difficulties were observed only when IIP involved integrative processes, (2) semantic constraints decreased these difficulties and (3) context processing may be facilitated by the addition of a social cue. Thus, IIP is not totally altered in Szt and SZ. Future studies should consider this unequal impact of ToM processes to help patients attribute intentions to others.

Notre environnement est complexe et changeant, ce qui apporte de l'incertitude dans les décisions de tous les jours. La capacité de détecter et résoudre l'incertitude est cruciale pour un comportement flexible et adapté. Notre hypothèse est que l'efficacité et la flexibilité comportementale en situation d'incertitude dépendent de la façon dont l'individu a appris à apprendre. Dans une 1ère étude, trois singes ont acquis un learning set pour une tâche aux règles stochastiques et changeantes. Leur réactivité aux évènements inattendus a augmenté lors de l'apprentissage, suivant l'évolution du degré d'incertitude environnementale. Cela a permis un transfert sans coût à une tâche plus complexe partageant la même structure, suggérant que les singes ont appris à apprendre la structure statistique de l'environnement. Nous avons ensuite étudié les mécanismes cérébraux sous-jacents à ce comportement flexible. Deux animaux ont reçu un implant d'électrocorticographie, sur les aires frontales et pariétales. Nous montrons d'abord, avec les données d'un animal, que des potentiels évoqués au feedback sont sensibles à la valence et au degré de surprise du feedback, et prédisent la stratégie à venir. Ensuite, nous présentons des résultats préliminaires montrant que des oscillations dans les bandes beta et thêta sont présentes au moment du feedback et de la décision, et que leur puissance est modulée de manière différente par les facteurs de la tâche. Ces résultats contribuent à révéler la complexité du réseau frontal pour la flexibilité comportementale, et ouvrent la voie à de nouvelles expériences pour comprendre comment ces mécanismes sont façonnés au cours du processus d'apprendre à apprendre / Our environment is both complex and changing, which triggers uncertainty in every decision we make. The ability to detect and solve the resulting uncertainty is crucial for adapted and flexible behavior. Our hypothesis is that behavioral efficiency and flexibility in an uncertain environment depend on the way the agent has learnt to learn. In a first study, 3 macaque monkeys developed a learning-set for a task with stochastic and changing rules. Monkey’s reactivity to unexpected feedback increased across learning and paralleled the evolution of the degree of environmental uncertainty. This enabled them to transfer, without cost, to a more complex task with the same structure, suggesting that they learned to learn the statistical structure of the environment. We then studied the cerebral mechanisms underpinning this flexible behavior. Two animals were implanted with an electrocorticography implant over the frontal and parietal areas. We first showed, using data from one animal, that feedback related potentials were sensitive to feedback valence and unexpectedness, and predictive of the upcoming behavioral strategy. Then, we present preliminary results showing that oscillations in the beta and theta bands can be recorded at the time of feedback and at the time of decision, and that their power is modulated differently depending on the various task factors. These results contribute to reveal the complexity of the frontal cortical network enabling behavioral flexibility and open new horizons for future research to understand how these mechanisms are shaped throughout the learning to learn process

Au niveau de la synapse, la liaison des neurotransmetteurs aux récepteurs membranaires induit l’ouverture de canaux ioniques. Le Récepteur de la Glycine (RGly) est un récepteur ionotrope impliqué dans des troubles neuronaux tels que l’addiction, la douleur chronique, ou l’hyperekplexie ; pour cette raison il est important de développer des nouveaux traitements ciblant ce récepteur. Nous avons utilisé des simulations de Dynamiques Moléculaire (DM) et d’électrophysiologie numérique afin d’évaluer la fonction des structures du RGly disponibles et montré qu’aucune d’entre elles ne satisfait les propriétés fonctionnelles de l’état ouvert. Grâce aux simulations de DM, nous avons caractérisé une nouvelle conformation du RGly, qui est compatible avec cet état. Nous avons souligné le rôle majeur des portails latéraux pour la perméation des ions. Nous avons proposé un protocole, nommé pharmacologie dépendante de l’état, pour identifier des molécules modulatrices de protéines allostériques. / Signals within neurons are mostly transmitted through chemical synapses. Signal transduction arises from the binding of neurotransmitters to membrane receptors in order to open ion channels. The Glycine Receptor (GlyR) is an ionotropic receptor which is involved in several neurological disorders such as addiction, chronic pain, or hyperekplexia. Because of its implication in human diseases, it is interesting to design novel drugs targeting this receptor. We used Molecular Dynamics (MD) simulations and computational electrophysiology to probe the function of available GlyR structures. We showed that none of the experimental structures display the physiological behavior of the conductive state. Using MD simulations, we captured a novel conformation of the GlyR compatible with a conductive state and demonstrated the importance of lateral portals for ionic permeation. Lastly, we proposed an original protocol, named state-based pharmacology, to discover modulators of allosteric proteins.

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.

Les cellules β des îlots de Langerhans jouent un rôle central dans l’homéostasie glucidique car elles seules sécrètent l’insuline, unique hormone hypoglycémiante de l’organisme. La cellule β est un détecteur du glucose qui couple sa réponse sécrétoire et son expression génique aux niveaux ambiants de glucose. Le couplage entre le métabolisme du glucose et l’exocytose des granules d’insuline implique la génération d’une activité électrique. Son étude est importante pour déchiffrer la façon dont la cellule β encode la demande en insuline de l’organisme. Afin de contourner les limites des approches électrophysiologiques classiques incompatibles avec les études à long-terme, les enregistrements extracellulaires par matrice de microélectrodes (MEA) ont été mis en place.L’objectif de ma thèse était de mieux comprendre les signaux complexes enregistrés par MEAs. Cette étude a révélé l’existence d’une nouvelle signature électrique des cellules des îlots, les slow potentials (SP), qui reflète la fonction de couplage des cellules β. Les SP jouent un rôle important dans l’homéostasie du glucose et représentent un biomarqueur de la fonction normale des îlots. La réponse en hystérèse des îlots au glucose suggère l’existence d’un algorithme d’encodage de la demande en insuline intégrée au niveau du micro-organe. De plus, ce nouveau signal a été exploité pour le phénotypage d’îlots de souris invalidées pour le gène GluK2, que nous avons utilisées comme modèle d’interaction entre les cellules α et β. La caractérisation de ce nouveau type de signal constitue aussi une avancée importante pour le développement d’un biocapteur destiné à être intégré dans le futur à un pancréas artificiel. / Pancreatic β cells are central to glucose homeostasis because they are the only cell that secretes insulin, the sole hypoglycemic hormone in the organism. The β cell is a glucose sensor that regulates its secretory response and gene expression according to ambient glucose levels. The coupling between glucose metabolism and insulin granule exocytosis involves the generation of electrical activity. An investigation of this activity is important to decipher how β cells encode the organism’s insulin demand. In order to overcome the limits of classically used electrophysiological approaches that are not compatible with long-term studies, extracellular recordings using multielectrode arrays (MEA) have been set-up.My thesis aim was to better understand the complex signals recorded with MEA. This study revealed the existence of a new electrical signature of islet cells: slow potentials (SP) that reflect the coupling function of β cells. SP play an important role in glucose homeostasis and represent a biomarker of normal functioning of islets. The observed hysteretic response of islets to glucose suggests the existence of an algorithm encoding the insulin demand embedded at the microorgan level. Moreover, this new signal was used for the phenotyping of GluK2 deficient mouse islets that were employed as an α-to-β cell interaction model. The characterization of this new signal is an important progress in the development of a biosensor intended to be integrated in an artificial pancreas in the future.

Le traitement de l'information sensorielle par le cortex cérébral requiert l'activation harmonieuse de micro-circuits neuronaux excitateurs et inhibiteurs interconnectés, ciblant les neurones pyramidaux de couche 5. Ces derniers élaborent les signaux de sortie corticaux et reçoivent un ratio de 20% d'excitation (E) et 80% d'inhibition (I). La dérégulation de cette balance E-I ou du système sérotoninergique conduit à des neuropathologies telles la dépression et la schizophrénie mais les interrelations entre la sérotonine et la balance E-I sont inconnues. Nous avons montré que la 5-HT endogène module la balance E-I en fonction du type de récepteur 5-HT recruté (1A, 2A, 3, 4, 7) et de sa localisation spécifique dans la colonne corticale. Ces données électrophysiologiques constituent la première évidence pour une action modulatrice fine de la sérotonine corticale sur la balance E-I et révèle la ségrégation fonctionnelle des récepteurs 5-HT dans les réseaux de neurones sensoriels.

La perception auditive repose notamment sur la séparation des sources sonores simultanément actives (l'analyse de la scène auditive) et l'extraction d'attributs fréquentiels et spatiaux.<br />Nous avons précisé les mécanismes neurophysiologiques impliqués dans ces processus en explorant les réponses électrophysiologiques corticales à des flux sonores de longue durée, dans différents contextes acoustiques et attentionnels, à partir d'enregistrements EEG de surface ou intracérébraux chez l'Homme. <br />Les résultats suggèrent un encodage différentiel des attributs fréquentiels et spatiaux dans le cortex auditif. La perception de deux flux sonores simultanés reposerait en partie sur des mécanismes de sélectivité fréquentielle et d'habituation. L'attention auditive faciliterait la sélection d'un son dans un mélange acoustique en augmentant les réponses corticales aux informations pertinentes et en diminuant celles aux sons distracteurs; ces mécanismes étant contrôlés par un réseau fronto-pariétal.

Les canaux Ca2+ activés par le voltage (CaV) sont des protéines membranaires qui génèrent des courants Ca2+ dans les cellules excitables suite à une dépolarisation membranaire. Ces complexes oligomériques sont classifiés selon les propriétés structurelles de la sous-unité principale qui forme le pore du canal, soit la sous-unité CaVα1. La sous-unité auxiliaire CaVβ module l’expression membranaire et la dépendance au voltage du « gating » de la sous-unité CaVα1 des canaux HVA (« high-voltage-activated ») CaV1 et CaV2. La sous-unité CaVβ est formée par un domaine SH3 (« Src homology-3 ») connecté à un domaine GK (« guanylate kinase-like ») par le biais d’un domaine variable HOOK. Dans le but d’identifier les résidus dans la CaVβ3 qui sont responsables de la densité membranaire du CaV2.3, nous avons produit des mutants de la sous-unité auxiliaire le long de ses domaines fonctionnels. Cela dit, la délétion complète du domaine SH3 ainsi que la délétion du domaine HOOK n’ont pas modifié la densité membranaire de CaV2.3 ni ses propriétés d’activation. Cependant, la délétion de cinq résidus dans le domaine GK interrompt l’expression membranaire et l’expression fonctionnelle de CaV2.3. La mutation de résidus identifiés précédemment comme soutenant une affinité de liaison de l’ordre du nanomolaire dans le domaine GK de CaVβ n’a pas modifié de manière significative l’adressage membranaire de CaV2.3. Toutefois, les mutations de quatre résidus leucine dans les régions α3, α6, β10 et α9 du domaine GK ont grandement réduit l’adressage membranaire du canal CaV2.3. Nos résultats confirment que le domaine GK contient les déterminants moléculaires responsables de la fonction chaperone de CaVβ. Cela dit, l’adressage membranaire induit par CaVβ semble être déterminé par des éléments structuraux qui ne sont pas strictement dépendants d’une liaison à haute affinité de CaVβ sur CaVα1. / Voltage-activated Ca2+ channels (CaV) are membrane proteins that play a key role in promoting Ca2+ influx in response to membrane depolarization in excitable cells. They form oligomeric complexes that are classified according to the structural properties of the pore-forming CaVα1 subunit. Auxiliary CaVβ subunits modulate cell-surface expression and voltage-dependent gating of high-voltage-activated (HVA) CaV1 and CaV2 α1 subunits. CaVβ subunits are formed by a Src homology-3 (SH3) domain and a guanylate kinase-like (GK) domain connected through a variable HOOK-domain. In order to identify the residues responsible for the CaVβ3-induced membrane density of CaV2.3, we produced mutants along CaVβ3’s fonctionnal domains. Complete deletion of the SH3 domain as well as deletion of the HOOK domain did not alter plasma membrane targeting of CaV2.3 nor its typical activation gating. In contrast, 5-residue deletions in the GK domain disrupted cell surface trafficking and functional expression of CaV2.3. Mutations of residues known to carry nanomolar affinity binding in the GK domain of CaVβ did not significantly alter cell surface density. Mutations of a quartet of leucine residues in the α3, α6, β10, and α9 regions of the GK domain, each expected to curtail protein-protein interaction, were found to significantly impair cell surface targeting of CaV2.3 channels. Altogether, our results confirm that the GK domain includes the molecular determinants carrying the chaperone function of CaVβ. However, CaVβ-induced cell surface targeting appears to be determined by structural elements that are not strictly dominated by high-affinity binding of CaVβ onto CaVα1.

Le but de cette thèse est d'étudier la neurobiologie du conditionnement de peur à l'odeur chez le rat adulte. Nous avons d'abord cherché si cet apprentissage s'accompagnait de plasticité dans les voies olfactives en enregistrant les potentiels évoqués par la stimulation électrique du bulbe olfactif dans l'amygdale et le cortex piriforme, avant et après apprentissage. Une facilitation synaptique entre le bulbe olfactif et l'amygdale et le cortex piriforme postérieur a été mise en évidence suite à l'apprentissage, suggérant un rôle de ces structures dans cette tâche. Nous avons ensuite étudié les conséquences du même conditionnement réalisé en période néonatale sur l'apprentissage adulte. Un déficit d'apprentissage à l'âge adulte corrélé à une absence d'activation de l'amygdale et du cortex piriforme postérieur lors de la séance d'acquisition (cartographie au 2-DG) a été observé. Cette étude souligne l'importance critique des expériences précoces sur la mémoire émotionnelle adulte.

Les canaux calciques dépendants du voltage CaV font partie de la famille structurale des canaux ioniques à 6 segments transmembranaires. Tout comme les canaux potassiques Kv, les canaux CaV possèdent une série de résidus chargés dans l’hélice S4 de chaque domaine ou sous-unité qui conférerait à la protéine une sensibilité aux changements de voltage. De plus les hélices S6 tapissent la paroi du pore et forment la porte d’activation de la protéine. Comment le mouvement des hélices S4 se traduit par l’ouverture de la porte d’activation des hélices S6 demeure une question encore non résolue. Suite à la publication de la structure cristalline du canal Kv1.2 en 2005, le groupe de MacKinnon a proposé que le mouvement des hélices S4 est mécaniquement couplé à la porte d’activation S6 à travers le glissement de l’hélice amphiphile S4-S5 selon un mécanisme nommé couplage électromécanique (Long et al. 2005b). Dans le but de déterminer si la région S4-S5 joue un rôle dans l’activation du canal calcique CaV2.3, nous avons étudié, par la méthode d’analyse cyclique de mutations doubles (« Double Mutant Cycle Analysis », (Horovitz 1996)), le couplage entre la boucle S4-S5 et l’hélice S6 du domaine II de ce canal. Les mesures d’énergies d’activation, ΔGact, obtenues en présence des sous-unités auxiliaires CaVα2δ et CaVβ3 ont affiché un couplage significatif pour l’activation entre les paires de résidus V593G/L699G, V593G/A700G, V593G/A702G, S595G/V703G L596G/L699G, L596G/A700G, L596G/I701G, L596G/A702G, L596G/V703G, L596G/D704G, M597G/I701G, et S602G/I701G. Aucune de ces paires de résidus n’a affiché de couplage lors de l’inactivation, suggérant que les effets observés sont spécifiques au mécanisme d’activation. Mis ensemble, ces résultats suggèrent que la boucle IIS4-S5 et l’hélice IIS6 interagissent et jouent un rôle déterminant dans l’activation de CaV2.3. / Voltage dependent calcium channels share a strong structural homology with voltage gated potassium channels. Both families present a conserved series of charged residues present in the S4 helix of each domain that most certainly accounts for the voltage sensitivity of these proteins. Moreover, in both cases, the S6 helices seem to be lining up the pore. How does the movement of the S4 sensors translate into channel opening remains elusive in Ca2+ channels. Following the publication of the crystal structure of the Kv1.2 channel in 2005, the group of Roderick MacKinnon proposed that the voltage sensor is mechanically coupled to the S6 pore through the amphipathic S4-S5 helix that crosses over the S6 inner helix from the same subunit. To determine if the S4-S5 linker, that runs parallel to the membrane plane inside the cell in the Kv1.2 three-D structure, plays a role in the activation of the CaV2.3 calcium channel, we have studied by double mutant cycle analysis the coupling between the S4-S5 linker and the S6 helix of domain II of this channel. The activation energies, Gact, obtained from classical two electrode voltage clamp experiments in the presence of auxiliary subunits CaV2 and CaV3 displayed significant activation coupling coefficients for the pairs of residues V593G/L699G, V593G/A700G, V593G/A702G, S595G/V703G L596G/L699G, L596G/A700G, L596G/I701G, L596G/A702G, L596G/V703G, L596G/D704G, M597G/I701G, and S602G/I701G. None of these pairs displayed significant coupling in the inactivation mechanism, suggesting that the effects observed were specific to activation. Altogether, our results strongly suggest that the S4-S5 linker and the S6 helix of domain II are actively involved in the activation of CaV2.3.