Le LPGi est la région bulbaire qui contient le plus grand nombre de neurones exprimant Fos pendant l'hypersomnie de SP. 10% de ces neurones Fos dans le LPGi projettent au locus coereleus, une région SP-Off. Récemment, Sapin et al. ont montré que 70% des neurones exprimant Fos pendant l'hypersomnie de SP sont de nature GABAergique. Notre hypothèse est que le LPGi contient des neurones de nature SP-On dont une partie participerait à l'inhibition des noyaux SP-Off. Nous cherchons à vérifier cette hypothèse, d'autre part à identifier les régions afférentes au LPGi actives au cours du SP et enfin, à identifier les projections du LPGi. Nous avons utilisé l'enregistrement extracellulaire des neurones du LPGi chez le rat vigile en contention stéréotaxique. Nous avons couplé cette technique avec le protocole de privation/ rebond de SP par la technique de la piscine. L'analyse du taux de décharge des neurones enregistrés au sein du LPGi montre que celui-ci contient trois types neuronaux différents (SP-On, SP-Off et indifférents). L'analyse des données neuroanatomiques montre que l'afférence majeure du LPGi, active au cours du SP, réside dans le SLD. Le LPGi est donc bien impliqué dans le réseau du SP car il contient des neurones faisant varier leur taux de décharge avec les différents états de vigilance. Le SLD, considéré comme la structure exécutive du SP, de nature glutamatergique, exciterait le LPGi au cours du SP. Ce dernier, de nature GABAergique, inhiberait le noyau moteur facial. Ce travail met pour la première fois en évidence l'activité de la voie SLD-bulbe rachidien ventrolatéral et suggère que le LPGi participe en partie à l'atonie musculaire caractéristique du SP

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le sommeil est essentiel pour la consolidation de notre mémoire. Chez l'homme comme chez le rongeur, il est composé de sommeil paradoxal (REM), et de non-REM caractérisé par des oscillations delta (1-4Hz), spindles (8-14Hz) et ripples (150-200Hz), impliquées dans cette consolidation. Les mécanismes fins sous-tendant l'effet bénéfique du sommeil sur la mémoire ont été le plus clairement établis pour la mémoire spatiale chez le rongeur, qui dépend de l'hippocampe. Cette structure contient des cellules de lieu: des neurones dont l'activité est directement corrélée à la position de l'animal. Durant le sommeil, l'activité des cellules de lieu est rejouée au moment des ripples, comme si la trace mnésique se répétait pour consolider l'apprentissage. Par une interface cerveau-machine, nous avons associé les réactivations spontanées d'une cellule de lieu à une stimulation de récompense. Au réveil, la souris se rendait directement dans le lieu associé, prouvant que les cellules de lieu détiennent la même information spatiale durant la navigation et le sommeil. De plus, ce résultat montre le rôle causal des cellules de lieu dans la navigation, et valide la possibilité de créer une mémoire complexe durant le sommeil.Enfin, pour favoriser la transposition à l'homme des résultats sur la consolidation mnésique chez le rongeur, nous avons développé une méthode de différenciation des sous-stades de non-REM chez la souris dont les propriétés sont semblables à l'homme. Cette méthode a permis la description fine des processus de régulation du sommeil et des oscillations cérébrales associées ; le rôle du rythme respiratoire et du bulbe olfactif dans cette régulation étant également discuté. / Sleep is crucial for memory consolidation. In humans as in rodents, sleep is composed of a paradoxical phase (REM), and a non-REM phase, which is characterized by delta oscillations (1-4Hz), spindles (8-14Hz) and ripples (150-200Hz), all implicated in the consolidation process. The fine mechanisms underlying the beneficial effect of sleep in memory consolidation have been further detailed thanks to the model of rodent spatial memory, which depends on the hippocampus. This cerebral structure contains place cells, neurons whose activity is tightly correlated to the animal position. During sleep, place cells activity is replayed during ripples, as if the memory trace was repeated to consolidate spatial learning. Using a brain-machine interface, we triggered rewarding brain stimulation on the spontaneous reactivation of a given place cell during sleep. Upon awakening, the mouse went directly to the associated place field, showing that place cells still convey the same spatial information during sleep than during navigation. Moreover, this result shows the causal role of place cells in navigation, and confirms the feasibility of creating a complex new memory during sleep. At last, in order to facilitate translational research on sleep, we developed a scoring method which distinguishes different non-REM sleep phases as those observed in human sleep. Those substages revealed very similar characteristics to humans’ and this new method allowed the fine description of sleep regulation and associated brain rhythms; the role of respiratory rhythm and olfactory bulb in this regulation is also discussed.

Cette thèse porte sur l'étude des liens entre des mesures électro-physiologiques du système auditif de la cochlée au tronc cérébral, les réglages et les performances auditives d'adultes utilisateurs d'implants cochleaires (IC) MED-EL ®.La majeure partie des travaux s'est intéressée aux ECAP (Electrically-evoked compound action potentials) traduisant l'activité synchrone des neurones auditifs cochléaires en réponse à la stimulation délivrée par l'IC. Ceux-ci ont été enregistrés soit lors de l'implantation, soit chez des utilisateurs expérimentés afin d'évaluer leur intérêt comme prédicteurs des niveaux de perceptions. Nos travaux montrent que malgré de grandes variations interindividuelles, les ECAP sont liés aux niveaux de perception. Cette relation ne permet cependant pas encore une prédiction suffisamment précise des niveaux de perception implémentés dans les réglages. Les IC MED-EL ® présentent la particularité de présenter les données d'impédance brutes sous forme de matrice de voltage pouvant servir à estimer la diffusion du courant autour de chaque électrode, au niveau de l'interface bioélectrique. Une partie des travaux a cherché à évaluer les relations entre diffusion du courant et compréhension de la parole. Les résultats indiquent que la compréhension de la parole ne semble pas liée à cette mesure de diffusion du courant intra-cochléaire.La dernière partie de cette thèse a évalué les relations entre une mesure électro-physiologique de l'intégration binaurale (BIC pour Binaural Interaction Component) et performances binaurales chez des sujets dont l'audition est entièrement médiée par l'IC. Cette étude suggère que les sujets présentant des BIC identifiables semblent tirer un meilleur profit de la binauralité / This thesis investigates the links between electro-physiological responses of the cochlea and the brainstem, the psychoacoustic levels used for CI fitting and the hearing performances of MED-EL® cochlear implant (CI) adult users.The main part focused on the electrically evoked compound action potentials (ECAP), which reflect the synchronous activity of cochlear auditory neurons in response to the electrical stimulation delivered by CI. These were recorded either during implantation surgery or in experienced users to evaluate their usefulness as predictors of the hearing levels. Our work shows that despite broad variations between users, ECAPs can be related to perception levels. This relationship does not allow yet an accurate enough prediction of the perception levels used to program the CI.In MED-EL® CIs impedances raw data are displayed in voltage matrices and can be used to estimate the spread of current around each electrode, at the bioelectric interface level. In a second part, we aimed to evaluate the relationshipss between the current spread and speech recognition. The results indicate that speech understanding does not seem to be related to this measurement of intra-cochlear current diffusion.The last part of this thesis evaluated the relationship between an electro-physiological measurement of binaural interaction (BIC) and binaural hearing performances in subjects using two CI. Our results suggest that subjects with identifiable BICs appear to have better localization scores and make a better benefit from the binaurality as they have to understand speech in noisy environment

Les récepteurs canaux pentamériques (RCPs) assurent la transmission synaptique dans le système nerveux, via des réorganisations structurales allostériques globales couplant la liaison de neurotransmetteur à l'ouverture et à la désensibilisation du canal ionique. Sur le RCP bactérien modèle GLIC, j'ai suivi ces changements conformationnels à plusieurs endroits de la protéine, par incorporation de couples fluorophore/quencher (bimane/tryptophane). Les données en détergent et en liposomes, à l'équilibre et en cinétique, m'ont permis d'identifier, et de caractériser structuralement, un intermédiaire rapide (milliseconde) de pré-activation, montrant une réorganisation majeure du domaine synaptique suite à l'application d'agoniste, mais où le pore reste fermé, et ainsi de proposer un modèle global des transitions d'activation et de désensibilisation. En combinant mutagenèse, électrophysiologie et approches structurales, j'ai également identifié une région critique, à l'interface entre les domaines extracellulaires et transmembranaires, pour l'activation et la désensibilisation. Enfin, un criblage fonctionnel m'a permis d'identifier de nouveaux modulateurs allostériques de GLIC.Mon travail de thèse contribue donc à la compréhension du mécanisme allostérique de GLIC, et présente de nouveaux outils pour l'étude des récepteurs du système nerveux humain. / Pentameric ligand-gated ion channels (pLGICs) are responsible for the synaptic transmission in the nervous system, occurring through their structural reorganizations allosterically coupling neurotransmitter binding to the opening or desensitization of the ion channel.Using the bacterial pLGIC model GLIC, I followed these conformational changes in several regions of the protein, through the incorporation of fluorophore / quencher pairs (bimane / tryptophan). The acquisition of data in detergent and liposomes, at equilibrium and in real time, allowed me to identify and structurally characterize a fast (millisecond) pre-activation intermediate. This new intermediate state is characterized by a major reorganization of the synaptic domain following agonist application, but with a closed pore, thus providing a comprehensive model for activation transitions and desensitization.Combining mutagenesis, electrophysiological and structural approaches, I also identified a critical region at the interface between the extracellular and transmembrane domains for activation and desensitization. Finally, a functional screening allowed me to identify new allosteric modulators of GLIC.This work contributes to the understanding of the allosteric mechanism of GLIC, and provides a structural template as well as new tools for the study of receptors in the human nervous system.

L'activité électrique des neurones dépend de la l’expression et de l'activité des canaux ioniques, dont le canal de fuite de sodique récemment décrit, appelé NALCN. Dans les neurones, NALCN est un canal activé par un récepteur couplé aux protéines G qui conduit un courant de fuite de sodium résistant à la TTX et résistant à Cs + et contribue à la mise en place du potentiel de la membrane du repos. Chez l'homme, des mutations récessives et dominantes de NALCN ont récemment été décrites dans des troubles neurologiques complexes tels que la Dystrophie Neuroaxonale Infantile (syndrome INAD) et l'Arthrogryposis Distal de Type 2A (syndrome CLIFHADD). Ces troubles partagent des symptômes communs tels que l'ataxie, les crises épileptiques, l'hypotonie, le retard cognitif et le retard de développement. Les conséquences fonctionnelles de ces mutations NALCN ne sont toutefois pas connues principalement en raison de l'absence d'un modèle cellulaire reproductible pour réaliser une analyse électrophysiologique du courant NALCN. Dans la présente étude, nous décrivons les propriétés des canaux NALCN recombinants dans la lignée cellulaire neuronale, NG108-15. Ces cellules, qui expriment les sous-unités auxiliaires UNC79 et UNC80 de NALCN, ont été transfectées avec des constructions encodant NALCN (type sauvage ou mutants) et sa sous-unité NLF-1. Après la transfection du NALCN de type sauvage, les enregistrements par la technique de patch-clamp ont révélé la présence d'un courant de fuite entrant dans des cellules différenciées. A noter que la transfection des mutants CLIFHADD a entraîné l'expression d'un courant de fuite de sodium significativement plus élevé, comparé aux cellules exprimant des canaux NALCN de type sauvage. Au contraire, aucun courant de ce genre n'a été observé dans les cellules exprimant le mutant INAD. Ces résultats confirment fortement l'hypothèse selon laquelle les mutations dominantes CLIFHADD est un gain de fonction, alors que l'INAD est une mutation de perte de fonction. En conclusion, nos données démontrent que la lignée cellulaire NG108-15 est un modèle cellulaire fiable pour étudier l'activité électrophysiologique des canaux NALCN de type sauvage et mutant. / Electrical activity of neurons is critically dependent on the presence and activity of ion channels, including the recently described “sodium-leak channel” named NALCN. In neurons, NALCN is a G protein-coupled receptor-activated channel that conducts a TTX-resistant and Cs+-resistant sodium-leak current and contributes to setting-up the resting’s membrane potential. In humans, both recessive and dominant mutations of NALCN were recently described in complex neurological disorders such as Infantile Neuroaxonal Dystrophy (INAD) and Type 2A Distal Arthrogryposis (CLIFHADD). These disorders share common symptoms such as ataxia, epileptic seizures, hypotonia, cognitive delay and developmental retardation. The functional consequences of these NALCN mutations are however not known mainly because of the lack of a reliable cellular model to achieve electrophysiological analysis of the NALCN current. In the present study, we describe the properties of recombinant NALCN channels in the neuronal cell line, NG108-15. These cells, which express the NALCN’s ancillary subunits Unc79 and Unc80, were transfected with constructs encoding NALCN (wild-type or mutants) and its NLF-1 subunit. Following transfection of the wild-type NALCN, patch-clamp recordings revealed the presence of an inward background current in differentiated cells. Importantly, transfection of the CLIFHADD mutants resulted in the expression of a significantly larger sodium-leak current, compared to cells expressing wild-type NALCN channels. On the contrary, no such current was observed in cells expressing the INAD mutant. These results strongly support the hypothesis that CLIFHADD are gain-of-function, while INAD are loss-of-function mutations. Altogether, our data demonstrate that the NG108-15 cell line is a reliable cellular model to study electrophysiological activity of wild-type and mutant NALCN channels

The pulvinar, which is located in the posterior thalamus, establishes reciprocal connections with nearly all of the visual cortical areas and is consequently in a strategic position to influence their stimulus decoding processes. Projections from the pulvinar to the primary visual cortex (V1) are thought to be modulatory, altering the response of neurons without changing their basic receptive field properties. Here, we investigate this issue by studying V1 single unit responses to sine wave gratings during the reversible inactivation of the lateral posterior nucleus (LP) - pulvinar complex in the cat. We also studied the contrast response function of V1 neurons, before and during the inactivation of the LP-pulvinar complex. No change in the preferred orientation or direction selectivity of V1 neurons was observed during pulvinar inactivation. However, for the majority of the cells tested the response amplitude to the optimal stimulus was reduced. The contrast response function of neurons was fitted with the Naka-Rushton function and analysis of the effects of pulvinar deactivation revealed a diverse set of modulations: 35% of cells had a decrease in their peak response, 11% had an increase in their C50, 6% showed modulations of the slope factor and 22% exhibited changes in more than one parameter. Our results suggest that the pulvinar modulates activity of V1 neurons in a contrast dependent manner and provides gain control at lower levels of the visual cortical hierarchy. / Le pulvinar, localisé dans le thalamus postérieur, établit des connections réciproques avec la vaste majorité des aires visuelles corticales et il est ainsi dans une position stratégique afin d’influencer les processus de décodage de celles-ci. Les projections du pulvinar au cortex visuel primaire (V1) sont considérées comme étant des projections modulatrices, qui modifieraient les réponses neuronales sans toutefois changer les propriétés de base des champs récepteurs. Dans la présente étude, nous avons étudié les réponses des neurones de V1 suite à l’inactivation réversible du complexe noyau latéral postérieur (LP)-pulvinar chez le chat. Des courbes de réponse au contraste ont été générées par la présentation de réseaux ayant plusieurs niveaux de contraste pendant l’inactivation du LP-pulvinar. Aucun changement n’a été observé concernant l’orientation préférée ou la sélectivité à la direction des neurones de V1 lors de l’inactivation du pulvinar. Néanmoins, pour la majorité des cellules testées, l’amplitude de la réponse aux stimuli optimaux a été réduite. La fonction de Naka-Rushton a été appliquée aux courbes de réponse au contraste et l’analyse des effets de l’inactivation du pulvinar a montré une panoplie d’effets modulateurs : 35% des cellules ont présenté une réduction de leur réponse maximale, 11% ont eu une augmentation de leur C50, 6% ont montré une modulation de la pente et 22% des neurones ont présenté des changements dans plus d’un paramètre. Nos résultats suggèrent que le pulvinar module l’activité des neurones de V1 d’une façon dépendante du contraste et qu’il contrôle le gain des réponses des neurones des aires primaires du cortex visuel.

Maged1 appartient à la famille des gènes Mage (pour Melanoma antigen gene). Bien que les gènes Mage aient tout d'abord été découverts dans des cellules tumorales, le gène Maged1 est également exprimé dans un grand nombre de tissus sains et particulièrement dans le système nerveux central, aussi bien au cours du développement que chez l'animal adulte. Les fonctions exercées par la protéine Maged1 dans le système nerveux restent actuellement fort méconnues bien que des études aient pu mettre en évidence son implication dans des processus tels que l'homéostasie du rythme circadien, certaines formes d'apprentissages, les comportements sociaux et sexuels ainsi que dans des pathologies telles que la dépression et l'obésité. Au laboratoire, nous avons pu montrer que la délétion de l'allèle Maged1 chez la souris cause une diminution d'activité locomotrice spontanée et un déficit de coordination motrice. Les animaux ne possédant plus l'allèle Maged1 montrent également une absence complète de réponse à l’administration de drogues comme la cocaïne et la morphine. Au cours de ce travail de thèse, nous avons recherché les mécanismes liant le gène Maged1 et ces comportements. La dopamine étant un neurotransmetteur connu pour réguler à la fois les comportements moteurs et les comportements liés à la dépendance aux drogues, nous avons tout d'abord fait l'hypothèse qu'un déficit en dopamine pouvait expliquer les phénotypes observés. En effet, des expériences de microdialyse in vivo ont montré que l'augmentation de concentration en dopamine dans le nucleus accumbens suite à une injection de cocaïne était significativement réduite chez les souris dépourvues de l'allèle Maged1. L'implication directe de Maged1 dans la physiologie des neurones dopaminergiques a été étudiée par la génération de souris transgéniques dont la délétion du gène Maged1 a été ciblée spécifiquement dans ces neurones. Cependant, cette lignée de souris ne récapitule pas les phénotypes observés chez les souris entièrement dépourvues de l'allèle Maged1. Ces résultats indiquent que l'expression de Maged1 dans les neurones dopaminergiques n'est pas nécessaire au contrôle moteur et à la réponse comportementale à l'administration de cocaïne. Nous avons ensuite étudié les régions innervées par les neurones dopaminergiques en réalisant des enregistrements électrophysiologiques sur tranches de cerveaux en survie. Nous avons ainsi pu mettre en évidence une altération de la transmission glutamatergique entre le cortex préfrontal et le nucleus accumbens chez les souris dépourvues du gène Maged1. La délétion spécifique de l'allèle Maged1 dans chacune de ces deux régions a ensuite été effectuée. Les souris dont la délétion de Maged1 a été ciblée dans les neurones du striatum n'ont pas montré d'altération comportementales. Cependant, lorsque la délétion de Maged1 est effectuée spécifiquement dans le cortex préfrontal, les souris montrent un déficit d'apprentissage moteur ainsi qu'une réduction de l'effet de sensibilisation à des injections répétées de cocaïne. Chez ces mêmes souris, la réduction de sensibilisation est accompagnée d'une réduction de la réponse dopaminergique à la cocaïne telle qu'observée au cours d' expériences de microdialyse in vivo. Au cours de ce travail, nous avons donc pu montrer que la présence de la protéine Maged1 dans le cortex préfrontal est nécessaire à l'apprentissage moteur et à l'expression de la sensibilisation comportementale à la cocaïne. Cette protéine exerce probablement sa fonction en régulant la neurotransmission au niveau du compartiment présynaptique. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dès les stades précoces du développement et jusqu’à l’âge adulte, le facteur de transcription TSHZ3 est fortement exprimé dans les neurones pyramidaux (PNs) du cortex. Les PNs de la couche V forment la synapse cortico-striée en contactant les neurones épineux moyens (MSNs) du striatum. A ce niveau, l’expression de TSHZ3 n’est pas retrouvée dans les MSNs mais dans les interneurones cholinergiques (CINs). Des données récentes ont établi un lien entre délétion hétérozygote du gène TSHZ3/Tshz3, troubles du spectre autistique (TSA) et dysfonctionnement de la circuiterie cortico-striée (Caubit et al., Nat Genet 2016). Afin de mieux comprendre le rôle de TSHZ3 dans la circuiterie cortico-striée, nous avons caractérisé deux modèles murins de délétion conditionnelle de Tshz3, ciblant soit les neurones de projection à partir de la période postnatale (souris Tshz3-pnCxKO), soit les neurones cholinergiques à partir de la période embryonnaire (souris Tshz3-ChATCre). Chez les souris Tshz3-pnCxKO, la perte de TSHZ3 entraîne une moindre excitabilité des PNs de la couche V, ainsi qu’une diminution de la probabilité de libération du glutamate par leurs afférences. Nous montrons également une profonde altération du fonctionnement de la synapse cortico-striée. Chez les souris Tshz3-ChATCre, nous montrons que la perte de Tshz3 modifie les propriétés membranaires et de décharge d’une proportion des CINs, qui sont les seuls neurones cholinergiques de l'encéphale exprimant TSHZ3 de façon importante. Ces changements fonctionnels suggèrent que TSHZ3 joue un rôle clé dans le développement des PNs du cortex, de la voie cortico-striée et des CINs, confirmant son implication dans les TSA. / The zinc-finger transcription factor TSHZ3 is highly expressed by cortical projection neurons (PNs) from embryonic stages to adulthood, including layer V pyramidal neurons that project to the striatum. There, TSHZ3 is expressed by cholinergic interneurons (CINs) but not by the main targets of PNs, i.e. the medium spiny neurons. Interestingly, recent evidences link heterozygous TSHZ3/Tshz3 gene deletion to autism spectrum disorder (ASD) and to corticostrial circuitry dysfunction (Caubit et al., Nat Genet 2016). In order to provide further insights on the role of Tshz3 in the corticostriatal circuitry, we have characterized two conditional KO mouse models in which its expression is lost either in projection neurons at early postnatal stage (Tshz3-pnCxKO) or in cholinergic cells beginning at embryonic stage (Tshz3-ChATCre). In Tshz3-pnCxKO mice, we confirmed that Tshz3 expression is lost in glutamatergic PNs without altering their number. Our electrophysiological study revealed that layer V PNs are less excitable and that glutamate release probability from their afferents is decreased. We also found dramatic changes of both corticostriatal synaptic transmission and plasticity. In ChAT-Cre mice, we found that Tshz3 is expressed in the striatum by almost 100% of CINs, while it is little or no expressed in the other cholinergic nuclei of the brain. Interestingly, the loss of Tshz3 impacts the spontaneous firing pattern of a subpopulation of CINs without altering their number. These functional changes suggest that TSHZ3 plays a key role in PNs, corticostriatal pathway and CINs development, supporting its implication in ASD.

Les récepteurs P2X (P2XR), activés par l’ATP, sont impliqués dans des rôles physiopathologiques. Leur fonctionnement est associé à différents états conformationnels. Le projet de thèse a mené à associer la synthèse organique et l’application de molécules photo-activables avec des techniques d’électrophysiologie patch-clamp, pour décortiquer les mouvements moléculaires de ces récepteurs et effectuer des relations structure-fonction, via trois stratégies : - La synthèse et application d’agrafes photo-isomérisables qui permet le photo-contrôle des P2XR et l’étude de mouvements - La synthèse et caractérisation d’un acide aminé (aa) photo-clivable pour étudier les implications de zones sur la fonction des P2XR via une photolyse - L’incorporation d’un aa non naturel dans les P2XR pour étudier des interactions et mouvements via un « photo-pontage ». Nous avons élucidé les mécanismes moléculaires responsables de la perméabilité des P2XR, récusé l’existence de l'état dilaté et identifié un cation organique physiologique pouvant les traverser. Nous avons aussi conçu un acide aminé photo-clivable pouvant mener à des études structure-fonction des P2XR. / P2X receptors are cationic ligand-gated ion channels, activated by extracellular ATP, involved in many physio-pathological roles. Their function is associated with different allosteric states. During this PhD, we have designed three new strategies, spanning photochemical organic synthesis and patch-clamp electrophysiology to elucidate the molecular mechanisms involved in these conformational states and to collect data in order to study structure-function relationships. - Synthesis and application of molecular tweezers, which allows the photo-control of P2X Rand the study of molecular motions - Synthesis and characterization of a photo-cleavable amino acid with the aim of incorporating it into P2XR and doing structure-function relationships - Incorporation of an unnatural amino acid for photo-crosslinking studies. We have been able to probe the molecular mechanism involved in large organic cations permeation of P2XR, to bring into question the dilated state and to identify a physiological cation that can flow through P2XR. We have also designed a photo-cleavable amino acid which could serve in the study of structure-function relationships.