Des réactions inhabituelles et disproportionnées face aux changements survenant de manière imprévisible dans l’environnement sont observées dans l’autisme. L’objectif de ce travail est de caractériser chez des adolescents et des jeunes adultes avec autisme les mécanismes neurophysiologiques impliqués dans le traitement d’un contexte visuel prédictif à partir de l’analyse des potentiels évoqués et des oscillations cérébrales. L’étude de la maturation au cours de l’adolescence chez le sujet au développement typique montre que les mécanismes de prédiction sont matures dès l’âge de 12 ans. Les personnes avec autisme parviennent à extraire l’information pertinente dans un contexte simple, certain et explicite, et à l’utiliser pour se préparer à la survenue d’un événement afin d’y avoir une réponse adaptée. Ces résultats suggèrent que les mécanismes de traitement d’un contexte visuel prédictif dans un contexte certain sont préservés dans l’autisme. Toutefois, les personnes avec autisme sur-anticipent les stimulations imprévisibles, en accord avec leur impression de surcharge sensorielle. Elles présentent également des difficultés pour moduler de manière flexible les activités corticales en fonction du niveau d’incertitude du contexte, en accord avec le défaut d’adaptation à un monde en perpétuel changement. Ce travail suggère qu’un dysfonctionnement des mécanismes de prédiction dans un contexte incertain pourrait fournir un cadre théorique permettant de mieux comprendre les particularités rencontrées dans l'autisme. / Individuals with autism react in an unusual and disproportionate way if unpredictable changes occur in their environment. The aim of the present work is to investigate brain mechanisms involved in visual predictive context processing in adolescents and adults with autism using analysis of event-related potentials and brain oscillations. The developmental study shows that mechanisms of prediction are mature by the age of 12 in typically developing adolescents. Individuals with autism are able to extract relevant information from the stimulus train in a simple, certain and explicit context, to use it in order to anticipate the occurrence of an event and to have an appropriate response, suggesting preserved extraction and use of predictive information during a certain context. However, individuals with autism over-anticipate stimuli during an uncertain context, consistent with the sense of being overwhelmed by incoming information, and also cannot flexibly modulate cortical activity according to changing levels of uncertainty, in agreement with atypical adaptation in an ever-changing world. This work suggests that a dysfunction of predictive processing in an uncertain context might provide a theoretical framework to better understand the symptoms encountered in autism.

Plusieurs maladies entraînent soit une augmentation soit une diminution du taux des acides gras (AG) et de leurs dérivés circulants, notamment les acyl-carnitines (AC). Ce changement a été soupçonné comme étant la cause de importants dérangements électriques. Nous avons montré que les AC à chaine longue (LCAC) du côté extracellulaire modulent le canal hERG de façon spécifique, modulant sa amplitude de courant et sa cinétique. Aucun AC testé n’a eu d’effet en intracellulaire. La CAR et les MCAC n’ont eu aucun effet. Les AC ne modulent pas les courants IKS et IK1. Le canal Cav1.2 est modulé par C16-CAR et le C16 dans la lignée HEK293-ICaL et dans des cardiomyocytes de rat. En condition physiologique il existe donc un lien strict entre le métabolisme énergétique et activité électrique cardiaque qui entraine une modulation permanente du canal hERG par les LCAC. La régulation par les LCAC du canal hERG et peut être celle du canal ICaL, pourraient participer au dérangement électrique à l’origine du déclenchement de troubles du rythme cardiaque retrouvé dans certaines maladies. / Several diseases can cause either an increase or a decrease in the rate of fatty acids (FAs) and their derivatives circulating, including acyl-carnitines (AC). This change is suspected as being the cause of major cardiac electrical perturbations. We have shown that long-chain AC (LCAC) modulate specifically by the extracellular side the hERG channel, regulating its current amplitude and kinetics. All AC tested had no effect when applied intracellularly. Carnitine and medium chain AC had no effect on hERG. LCAC does not modulate IK1 and IKS. Cav1.2 channel is modulated by C16 and C16-CAR in line HEK293-ICaL and rat cardiomyocytes. In physiological conditions there exists a strict link between energy metabolism and cardiac electrical activity which causes a permanent modulation of hERG channel by the LCAC. Regulation by the LCAC of the hERG channel and maybe ICaL, could participate in the electrical disturbance causing the onset of cardiac arrhythmia found in certain diseases.

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Les Récepteurs Couplés à un Canal Ionique (ICCRs) sont des canaux ioniques artificielscréés par fusion d'un Récepteur Couplé aux Protéines G (RCPG) au canal ionique Kir6.2. Dansce concept, le canal agit comme un rapporteur direct des changements conformationnels desRCPGs permettant de détecter par simple mesure de courant, la fixation d'agonistes etd'antagonistes proportionnellement à leur concentration.Le signal induit étant directement corrélé à l'activité du récepteur, indépendamment desvoies de signalisation des protéines G, nous avons exploité cet avantage pour étendre le champd'applications des ICCRs au cours de cette thèse. Nous avons développé quatre applications quisont: 1) la caractérisation fonctionnelle des RCPG optimisés pour la cristallisation par insertionde domaine du lysozyme du phage T4 dans la boucle ICL3; 2) la détection de la dépendance desRCPGs au cholestérol; 3) la détection de ligands dits "biaisés" pour faciliter leur criblage; et 4) lacartographie fonctionnelle des portes du canal Kir6.2 régulées par des protéines membranairesinteragissant par le domaine N-terminal. / Ion Channel-Coupled Receptors (ICCRs) are artificial ion channels created by the fusion of a Gprotein-coupled receptor to a Kir6.2 channel. In this concept, the channel acts a direct reporter ofthe conformational changes of the GPCRs, allowing the detection by simple current recordingsof agonists and antagonists binding in concentration-dependent manner.The signal being directly correlated to the receptor activity, independently of G protein signallingpathways, we exploited this advantage to extend the field of applications of ICCRs during thisthesis. We developed 4 applications: 1) the functional characterization of the optimized GPCRsfor crystallization by insertion of the T4 phage lysozyme domain in the ICL3 loop; 2) thedetection of a cholesterol-dependence of the GPCRs; 3) the detection of the so-called "biasedligands" to simplify their screening; and 4) the functional mapping of the Kir6.2 channel gatesunder control of membrane proteins interaction with the N-terminus domain.

Le travail de cette thèse a permis de comparer les adaptations mises en place par le système nerveux après différentes méthodes d’altération et de récupération. Nos deux premières études portaient sur l’altérations de la réponse des afférences musculaires suite à une injection de toxine botulique. La troisième étude analysait la relation entre le phénotype musculaire et la réponse des afférences métabosensibles. Les deux dernières études analysaient si le vieillissement et l’activité physique altéraient la boucle sensori-motrice et la réponse des afférences métabosensibles. Les résultats de ce travail de thèse indiquent que la réponse des afférences mécano- et métabosensibles ont des profils de récupération qui diffèrent et que la réponse des afférences métabosensibles est dépendante en partie du phénotype musculaire. Enfin, le vieillissement induit une altération la boucle sensori-motrice, et l’entrainement permet de récupérer selon les muscles. L’activité des afférences métabosensibles est aussi altéré par les vieillissement mais l’entrainement ne permet pas de récupération. / This thesis work compared nervous system adaptations after different methods of alteration and recovery. The two first studies were about muscle afferents response alterations following botulinum toxin injections. The third study analyzed the relation between muscle phenotype and metabosensitive response. The two last studies analyzed whether aging and physical activity could alter the metabosensitive response and the sensory-motor loop. Results indicate that mechano- and metabosensitive afferents response have different recovery pattern and that metabosensitive afferents response is in part dependent on the muscle phenotype. Aging results indicate an alteration of the sensory-motor loop and depending on the muscle, training allows a recovery. Metabosensitive afferents response is also altered but training does not induce a recovery.

L’agression de l'organisme par un agent physique, psychique ou émotionnel déclenche une réponse physiologique et comportementale qui permet à un individu de se prévenir du danger et de maintenir sa survie. Le système nerveux central a depuis longtemps été identifié comme un majeur acteur de cette réponse adaptative. Cependant, une exposition prolongée au stress conduit à des adaptations cellulaires et des réadaptations de circuits neuronaux qui contribuent à l'émergence de troubles neuropsychiatriques. L’interaction entre le système dopaminergique (DA) et sérotoninergique (5HT) a été impliquées dans ces réarrangements physiologiques et pathologiques qui influencent les comportements motivationnels de l'individu face à une menace. Fait intéressant, l'habenula latérale (Hbl), une région du cerveau très conservée entre les espèces, contrôle directement et indirectement les systèmes DA et 5HT, et son activité est modulée par des stimuli aversifs chez les humains et les animaux. De plus, l'activité de la Hbl est augmentée chez des modèles animaux de la dépression ou lors de l'induction d'un épisode dépressif chez des patients humains. Inversement, l’emploie de stratégies ayant pour cible la Hbl permettent d’améliorer certains symptômes dépressifs à la fois chez les modèles animaux de dépression et chez l’homme. Ainsi, la dérégulation de l’Hbl pourrait jouer un rôle dans l'apparition de symptômes dépressifs. Cependant, les changements moléculaires et cellulaires précoces qui occurrent au niveau de Hbl suite à l'exposition continue à un environnent aversifs restent peu connus. De plus, la plupart des modèles animaux utilisés pour interroger le rôle de Hbl dans l'état dépressif implique une exposition répétée de l’animal à des stimuli douloureux. Si la fonction de l’Hb est aberrante lors d’une exposition chronique à d’autre type de stress reste méconnu. Dans mon travail de thèse, je me suis intéressée aux adaptations cellulaires et moléculaires au niveau des neurones Hbl suite à l’exposition de différents types d'expériences aversives et leurs relatives importances pour l'expression de symptômes dépressifs. Plus précisément, je présente dans ce manuscrit, les résultats d'un premier travail qui vise à identifier les adaptations cellulaires et moléculaires de Hbl suite à l’exposition de souris à des chocs électriques et leurs rôles dans l'émergence de symptômes dépressifs. Cette étude montre que l’exposition à de brefs aléatoires chocs électriques entraine une diminution de l’expression de surface de récepteur métabotropiques gamma-aminobutyrate B (GABABRs), et par conséquent une diminution de leur fonction au niveau des neurones de l’Hbl. GABABR est un récepteur métabotropique couplé à la protéine Gi, il hyperpolarise les neurones de l’Hbl 4.par l'activation du canal potassique GIRK. La diminution de la signalisation GABABR-GIRK est accompagnée par une augmentation de l'activité de la protéine phosphatase 2 (PP2A), reconnue pour induire l’endocytose du complexe GABABR-GIRK. GABABR-GIRK contrôle étroitement l'activité Hbl, et par conséquent une diminution de leurs fonctions conduit à l’hyperexcitabilité des neurones de l’Hbl. En adoptant des stratégies visant à restaurer spécifiquement la signalisation GABABR-GIRK dans l’Hbl, telle que la surexpression GIRK, ou l'inhibition pharmacologique locale de l'activité PP2A, nous avons observé une amélioration de certains symptomes « dépressifs », établissant ainsi un lien causal entre l’aberrante diminution du signal GABABR et certain aspect de l’état dépressifs. / Prolonged exposure to aversive stimuli leads to cellular and circuit adaptations that contribute to the emergence of neuropsychiatric disorders such as depression. Interactions between the dopaminergic (DA) and the serotoninergic (5HT) systems have been implicated in these pathological adaptations ultimately influencing motivated behaviors. Interestingly, the lateral habenula (LHb), an ethologically well-conserved epithalamic region, directly and indirectly controls DA and 5HT systems, and its activity is modulated by aversive events in both humans and animals. Moreover, the activity of the LHb increases in animal models of depression and depressed human patients. Conversely, strategies that locally target the LHb have been shown to reverse depressive-like symptoms both in animal models and in humans. Altogether, this led to the hypothesis that LHb dysregulation could play a role in the emergence of depressive like symptoms. However, little is known about the early cellular and molecular adaptations that occur within the LHb after exposure to aversive events. Moreover, most of the animal models employed to interrogate the LHb role in depressive states used acute painful stimuli; whether LHb function becomes aberrant after chronic exposure to painless stressors remain elusive. In my thesis work, I explored the precise cellular and molecular adaptations of LHb neurons following exposure to different kind of unpredictable aversive experiences, and their importance for the expression of depressive like symptoms.More precisely, I will present the results of an initial work aiming to identify early cellular and molecular adaptations within the LHb following unpredictable stimuli and their importance for the emergence of depressive symptoms. This study shows that unpredictable foot-shocks lead to decreased surface expression and function of the gamma-aminobutyrate receptor (GABABR), a metabotropic receptor that hyperpolarizes LHb neurons through the activation of the G protein-coupled inwardly-rectifying potassium channels (GIRKs). This decrease of GABABR-GIRK signaling went along with an upregulation of the activity of the protein phosphatase 2 (PP2A), which is a well-known down-regulator of GABAB-GIRK complex surface expression. GABABR-GIRK signaling tightly controls LHb activity, and its downregulation consequently leads to aberrant hyperexcitability of LHb neurons. Using specific strategies to restore the GABABR-GIRK signaling within the LHb, such as GIRK overexpression, or local pharmacological inhibition of PP2A activity, we were able to ameliorate depressive like states following unpredictable foot-shocks. The second study allowed instead to establish the cellular adaptations within the LHb following a chronic non-painful aversive experience and during a critical developmental period. I showed that exposure to maternal separation in childhood (MS mice) also leads to depressive like symptoms together with a hyperexcitability of LHb neurons. This stress-driven increase in LHb activity was causally linked to a decrease of the GABABR-GIRK signaling. Moreover, using diverse reversal strategies such as chemogenetics or a therapeutically-relevant intervention such as Deep Brain Stimulation (DBS), we could selectively decrease LHb neuronal activity and consequently ameliorate the depressive like symptoms, suggesting a causal link between these two phenotypes.Altogether, the work presented in this thesis suggests that LHb neuronal hyperexcitability could represent a common substrate necessary for the expression of certain aspects of the depressive like state and further supports its relevance as a potential target in the treatment of this disorder.

En utilisant des enregistrements en patch-clamp sur des tranches aigues de cervelet de rat, j'ai observé que les informations à haute fréquence traitées dans la voie fibre moussues (FM)-cellules granulaires (CG) sont conservées à la synapse CG-cellule de Purkinje (CP). Des trains de potentiels d'action évoquent des courants postsynaptiques excitateurs importants, même à haute fréquence, avec une haute probabilité de libération initiale, une forte facilitation jusqu'à 700Hz, et ceci de façon soutenue. Ce mécanisme est possible grâce au recrutement de vésicules initialement réfractaires. Une seconde étude utilisant du decageage de Rubi-Glutamate sur les CG a permis de révéler une organisation spatialeprécise des connexions CG-PC, CG-Interneurones de la couche moléculaire (ICM) et CG-Cellules de Golgi (CGo). Des groupes spécifiques de CP/CGo ou ICM, identifiables via des marqueurs histochimiques sont contacté par des populations spécifiques de CG. / Using whole cell patch clamp recording in rat cerebellum acute slices, I found that high frequency information processed in mossy fibre (MF)-granule cell (GC) pathway is conseved at the GC-Purkinje cell (PC) synapse. Bursts of action potential could evoke strong, excitatory postsynaptic currents at the PC soma that can follow high frequency rates, with high initial release probability, paired-pulse facilitation up to 700 Hz, and sustained facilitation during tensof pulses. This fast and sustained release is possible during bursts through the recruitment of reluctant vesicles that boost vesicular release. In a second study, by using precise RuBi-Glutamate uncaging onto granule cells, and by recording either PC, molecular layer interneurons or Golgi cells, 1 found that in the anterior vermis of the mouse cerebellum, GC-PC connection follows a precise spatial organisation. Specifie sets of PC, that can be identified using histochemical markers, receive inputs from small GC hotspots.

Pseudomonas aeruginosa est un pathogène opportuniste impliqué dans les infections nosocomiales. Sa multi résistance aux antibiotiques s’exerce notamment grâce à l’activation de pompes d’efflux membranaires. Il s’agit de systèmes tripartites composés d’une porine de la famille OMF (Outer Membrane Factor) ancrée dans la membrane externe, d’un transporteur de la famille des RND (Resistance Nodulation Division) localisé dans la membrane interne et d’un adaptateur périplasmique de la famille des MFP (Membrane Fusion Protein) qui consolide l’ensemble. Le travail réalisé au cours de cette thèse apporte une contribution à la compréhension des mécanismes d’assemblage et d’ouverture des pompes d’efflux ainsi qu’à leur régulation grâce au développement de nouveaux outils empruntés à la physique, à la biochimie et à la microbiologie. Une première étude a permis de déterminer la stoechiométrie d’interaction entre MexA et OprM par gel bleu natif (Ferrandez, Monlezun et al. 2012). Une deuxième étude a été consacrée, dans le cadre d’une collaboration avec l’équipe de B. Le Pioufle (ENS Cachan), à la caractérisation par électrophysiologie de l'ouverture de la porine OprM, insérée dans une membrane artificielle reconstituée sur une biopuce (Wang, Monlezun et al. 2012). Puis, afin d’étudier cette fois ci, le mécanisme d’ouverture de la porine OprM in vivo, une étude fonctionnelle par complémentation chez Pseudomonas aeruginosa a été initiée. Enfin, dans le cadre d'une collaboration avec l’équipe de P. Plésiat (Laboratoire de Bactériologie, Besançon), deux analyses de mutants cliniques par modélisation ont été réalisées sur le régulateur MexZ de la pompe MexXY/OprM et de la porine d’influx des carbapénèmes OprD. / Pseudomonas aeruginosa is an opportunistic pathogen involved in nosocomial infections. This bacteria has developed various strategies to resist antibiotics treatments, one of them being the activation of membrane efflux pumps. These tripartite systems consist of an OMF (Outer Membrane Factor) family porin, localized in the outer membrane, an active transporter in the inner membrane, belonging to the RND (Resistance Nodulation Division) family and a periplasmic adaptator protein, member of the MFP (Membrane Fusion Protein) family which consolidates the whole complex. Results obtained during this thesis contribute to a better understanding of efflux pumps’ assembly and opening thanks to the development of new research tools borrowed from physic, biochemistry and microbiology. The first study describes the binding stoechiometry of MexA with its cognate partner OprM by Blue Native Polyacrylamide gel Electrophoresis (Ferrandez, Monlezun et al. 2012). Secondly, a study, in collaboration with B. Le Pioufle’s team (ENS Cachan), was dedicated to the electrophysiologic caracterization of OprM opening using a microfluidic device incorporated with a miniaturized artificial bilayer membrane (Wang, Monlezun et al. 2012). Then, to complete this analysis in vivo, in the third part of this thesis, complementation experiments were initiated in a Pseudomonas aeruginosa strain deleted of its chromosomal oprM gene. Finally, in collaboration with P. Plésiat’s team (Laboratoire de Bactériologie, Besançon), modelling of MexZ, the MexXY/OprM pump’s regulator and modelling of the carbapenems’ porin OprD were made in order to link structural modifications to mutations observed in clinical strains.

Les neurones dopaminergiques (DA) mésencéphaliques jouent un rôle prépondérant dans de nombreuses fonctions cérébrales telles que la motivation, mais ils sont également impliques dans l’émergence de pathologies telles que la maladie de Parkinson et l’addiction aux drogues. Ces processus ayant en commun de modifier l’activité de décharge des neurones DA mésencéphaliques, il est d’une importance primordiale de comprendre les mécanismes sous-tendant cette activité. Parmi les différents canaux ioniques et récepteurs impliques dans la génération de l’activité de décharge des neurones DA, les récepteurs au glutamate de type N-Methyl-D-Aspartate (NMDAR) et les canaux potassiques calcium-dépendants SK régulent fortement le patron de décharge, et interagissent fonctionnellement dans divers types neuronaux incluant les neurones DA. Cependant, les mécanismes mis en jeu dans cette régulation restent méconnus. Le couplage fonctionnel des NMDAR et des canaux SK dépendant notamment de leur distribution membranaire relative, nous avons émis l’hypothèse que la diffusion latérale des NMDAR, processus qui régule la localisation de surface du récepteur, pouvait jouer un rôle dans le patron de décharge des neurones DA via la modulation de la fonction des canaux SK. Nous avons tout d’abord montre que les NMDAR membranaires étaient mobiles dans les neurones DA en culture. L’altération de leur trafic de surface par immobilisation avec des anticorps anti-NMDAR modifie profondément la régularité du patron de décharge des neurones DA issus de tranches aigües de mésencéphale, alors que le blocage pharmacologique des NMDAR est sans effet. De plus, j’ai mis en évidence qu’un bloqueur des canaux SK, l’apamine, qui induit un changement similaire de la regularite du patron de décharge en condition contrôle, etait moins efficace lorsque la mobilité latérale des NMDAR etait alteree. Ainsi, ces résultats démontrent que la dynamique de surface des NMDAR module le patron de décharge des neurones DA en régulant la fonction des canaux SK. / Midbrain dopaminergic (DA) neurons play several key functions in the brain such as the processing of salient information but are also associated with the emergence of pathologies including Parkinson’s disease and drug addiction. Because these processes have in common to modify the firing activity of midbrain DA neurons, it is of crucial importance to understand the mechanisms underlying this activity. Among the various ions channels and receptors involved in the generation of the firing activity of midbrain DA neurons, glutamate N-methyl-D-aspartate receptors (NMDAR) and calciumdependent potassium SK channels strongly modulate the firing pattern and functionally interact in several neuronal types including DA neurons. However, the mechanisms by which they regulate the firing pattern are poorly understood. Since the functional coupling between NMDAR and SK channels depends on their relative membrane distribution, we hypothesized that the lateral diffusion of NMDAR, which regulates the surface localization of the receptor, could play a role in the firing pattern of midbrain DA neurons through the modulation of SK channel function. We showed first that membrane NMDAR was highly mobile in cultured DA neurons. Alteration of its surface trafficking by a crosslink with NMDAR antibodies profoundly modified the regularity of the firing pattern of DA neurons in midbrain slices, whereas pharmacological blockade of NMDAR did not affect it. Furthermore, a SK channel blocker, which induces a similar change in the firing regularity in control conditions, was less effective when NMDAR surface trafficking was altered. Taken together, these results demonstrate that NMDAR surface dynamics modulate the firing pattern of midbrain DA neurons by regulating SK channel function.