Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η μελέτη της έκφρασης των υπομονάδων του GABAΑ υποδοχέα σε τομές από τον διαφραγματικό και τον κροταφικό ιππόκαμπο αμέσως μετά την θανάτωση του ζώου και κατά την διάρκεια της ανάπτυξης των "in vitro" οξέων κυμάτων που έχουν παρατηρηθεί μόνο σε τομές του κροταφικού ιππόκαμπου. Επιπλέον, μελετήθηκε η ποσοτική και τοπογραφική κατανομή των Α1 υποδοχέων αδενοσίνης με την χρήση του ραδιενεργού ιχνηθέτη [3H]-CHA (αγωνιστής των Α1 υποδοχέων) στον κροταφικό και τον διαφραγματικό ιππόκαμπο αμέσως μετά την θανάτωση του επίμυος. Η μελέτη της κατανομής των Α1 υποδοχέων αδενοσίνης έδειξε ότι η δέσμευση της [3H]-CHA ήταν μικρότερη στον κροταφικό σε σύγκριση με τον διαφραγματικό ιππόκαμπο με την μεγαλύτερη διαφορά να εντοπίζεται στην CA1 περιοχή. Το παραπάνω αποτέλεσμα έρχεται σε συμφωνία με την υπόθεση, ότι οι συνάψεις του κροταφικού ιππόκαμπου εμφανίζουν μεγαλύτερη πιθανότητα απελευθέρωσης γλουταμινικού οξέος σε σύγκριση με αυτές του διαφραγματικού ιππόκαμπου, καθώς οι Α1 υποδοχέων αδενοσίνης εντοπίζονται στην CA1 περιοχή κυρίως προσυναπτικά όπου ελέγχουν την απελευθέρωση γλουταμινικού οξέος. Στη συνέχεια της παρούσας μελέτης δείξαμε ότι η έκφραση του mRNA και των πρωτεϊνών για τις κυριότερες υπομονάδες του GABAA υποδοχέα είναι διαφορετική μεταξύ του διαφραγματικού και του κροταφικού ιπποκάμπου. Ειδικά, στην CA1 περιοχή του ιπποκάμπου η έκφραση των α1, β2 και γ2 υπομονάδων ήταν μικρότερη, ενώ αντίθετα η έκφραση των α2 και β1 υπομονάδων ήταν μεγαλύτερη στον κροταφικό ιπποκάμπο σε σύγκριση με τον διαφραγματικό ιππόκαμπο. Σύμφωνα με προηγούμενες μελέτες που αφορούν την συνέκφραση των υπομονάδων στο σύμπλοκο του GABAA υποδοχέα τα αποτελέσματα μας υποδηλώνουν ότι ο α1β2 υποτύπος του GABAA υποδοχέα επικρατεί στον διαφραγματικό ιππόκαμπο, ενώ ο α2β1 υπότυπος κυριαρχεί στον κροταφικό ιππόκαμπο. Η διαφορετική κατανομή των υποτύπων στους δυο πόλους του ιπποκάμπου που είναι εντονότερη στην CA1 περιοχή, μπορεί να επηρεάζει τις ιδιότητες του διαύλου (αγωγιμότητα, πλάτος και διάρκεια των IPSCs), δείχνοντας ότι οι υπότυποι του GABAA υποδοχέα που εντοπίζονται στον κροταφικό ιππόκαμπο έχουν μικρότερη ανασταλτική αποτελεσματικότητα, η οποία συμφωνεί με την μικρότερη GABAA-προερχόμενη αναστολή που έχει δειχθεί στην CA1 περιοχή του κροταφικού ιππόκαμπου. Επιπλέον θα μπορούσε να εξηγήσει την μεγαλύτερη επιρρέπεια του κροταφικού ιππόκαμπου στην επιληψία. Η χαμηλότερη έκφραση του mRNA για τις α4, β3 και δ υπομονάδες του GABAA υποδοχέα στην περιοχή της οδοντωτής έλικας του κροταφικού ιπποκάμπο υποδεικνύει ότι η έκφραση του α4β3δ υποτύπου είναι μικρότερη στον κροταφικό σε σύγκριση με τον διαφραγματικό ιππόκαμπο. Καθώς έχει δειχθεί ότι ο α4β3δ υπότυπος παίζει σημαντικό ρόλο στην τονική αναστολή στα κοκκιώδη κύτταρα της οδοντωτής έλικας, τα παραπάνω αποτέλεσμα μας πιθανώς σημαίνει ότι η τονική αναστολή είναι διαφορετική στους δυο πόλους του ιππόκαμπου. Η αύξηση της έκφρασης του mRNA της α5 υπομονάδας στην CA1 περιοχή του κροταφικού ιπποκάμπου μπορεί να επηρεάζει την ικανότητα για συναπτική βραχυ- και μακρο-χρόνια πλαστικότητα η οποία έχει βρεθεί να είναι διαφορετική μεταξύ του κροταφικού και του διαφραγματικού ιπποκάμπου καθώς έχει δειχθεί ότι οι α5-υπότυποι παίζουν ρόλο σε διαδικασίες μνήμης και μάθησης. Επίσης, οι α5-υπότυποι του GABAA υποδοχέα στην CA1 περιοχή του ιππόκαμπου συμμετέχουν στην τονική αναστολή. Τα υψηλότερα επίπεδα στην έκφραση του mRNA για την α5 υπομονάδα στον κροταφικό ιππόκαμπο σε σύγκριση με τον διαφραγματικό ιππόκαμπο πιθανώς υποδεικνύουν ότι η τονική αναστολή είναι διαφορετική στην CA1 περιοχή των δυο πόλων του ιππόκαμπου. Στο δεύτερο μέρος της παρούσας διατριβής μελετήσαμε την πιθανή συσχέτιση του GABAεργικού συστήματος με την οργάνωση των "in vitro" οξέων κυμάτων η οποία έχει παρατηρηθεί, σε κανονικές "in vitro" συνθήκες, μόνο σε τομές του κροταφικού ιππόκαμπου. Για το λόγο αυτό πραγματοποιήσαμε αναλυτική μελέτη της έκφρασης του mRNA των υπομονάδων (α1, α2, α5, β1, β2, β3, γ2) του GABAΑ υποδοχέα σε διάφορα χρονικά διαστήματα κατά την κανονική "in vitro" διατήρηση των τομών (15min, 1, 3, 5 και 8h). Αρχικά μελετήσαμε την έκφραση των πρώιμων γονιδίων (c-fos, zif-268), που είναι δείκτες της νευρωνικής ενεργότητας, μετά από 5 ώρες κανονικής "in vitro" διατήρησης των τομών με σκοπό τη πιθανή συχέτιση της έκφρασης τους με την οργάνωση των "in vitro" οξέων κυμάτων. Τα αποτελέσματα μας έδειξαν και στους δυο πόλους του ιπποκάμπου παρόμοια αύξηση της έκφρασης του mRNA τόσο για το c-fos όσο και για zif-268 γεγονός που υποδηλώνει ότι γονιδιακή ενεργότητα είναι παρόμοια και όσο αφορά τα συγκεκριμένα πρώιμα γονίδια ανεξάρτητη της ανάπτυξης των "in vitro" οξέων κυμάτων. Στην CA1 περιοχή του κροταφικού ιππόκαμπου παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση της έκφρασης του mRNA των α1, β2 και γ2 υπομονάδων του GABAΑ υποδοχέα η οποία ξεκινάει την 1η ώρα, δηλαδή πριν την οργανωμένη εμφάνιση της αυθόρμητης δραστηριότητας, γίνεται μέγιστη στις 4 ώρες παραμονής των τομών σε Τεχνητό Εγκεφαλονωτιαίο Υγρό (ΤΕΝΥ) και συμβαδίζει χρονικά με την οργάνωση των "in vitro" οξέων κυμάτων. Δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές αλλαγές σε τομές που προέρχονται από τον διαφραγματικό ιππόκαμπο. Έχει δειχθεί ότι οι α1-υπότυποι παίζουν σημαντικό ρόλο στην ανασταλτική ικανότητα του υποδοχέα. Επίσης η παρουσία της β2 υπομονάδας στον δίαυλο χαρακτηρίζει μεγαλύτερα σε πλάτος και διάρκεια ανασταλτικά ρεύματα συγκρινόμενη με τις β1 υπομονάδες. Φαίνεται λοιπόν ότι ο υπότυπος α1β2γ2, του οποίου η έκφραση αυξάνει πριν την έναρξη της οργανωμένης ρυθμικής δραστηριότητας, λόγω της συγκρότησης του από τις συγκεκριμένες υπομονάδες, έχει μεγάλη ανασταλτική αποτελεσματικότητα η οποία μπορεί να συμμετέχει στην ανάπτυξη των "in vitro" οξέων κυμάτων. Η δέσμευση της [3H]–muscimol αυξάνει σε τομές που προέρχονται μόνο από τον κροταφικό ιππόκαμπο και έχουν παραμείνει σε κανονικές "in vitro" συνθήκες για 8 ώρες σε σύγκριση με αντίστοιχες τομές που προέρχονται αμέσως μετά την θανάτωση του ζώου. Καμία αλλαγή δεν παρατηρήθηκε στην δέσμευση της [3H]–muscimol σε τομές που προέρχονται από τον διαφραγματικό ιππόκαμπο. Η αύξηση της δέσμευσης της [3H]–muscimol μόνο στις τομές που προέρχονται από τον κροταφικό ιππόκαμπο είναι σε συμφωνία με την αύξηση της έκφρασης του α1β2γ2-υποτύπου καθώς έχει δειχθεί ότι η θέση δέσμευσης της muscimol στο δίαυλο του GABAA υποδοχέα είναι μεταξύ των α1 και β2 υπομονάδων. Συμπερασματικά, η εκλεκτική αύξηση της έκφρασης του α1β2γ2-υπότυπου μόνο στην CA1 περιοχή του κροταφικού δηλώνει μεγαλύτερη ανασταλτική αποτελεσματικότητα των GABAA υποδοχέων, δεδομένου ότι ο α1β2γ2-υπότυπος προκαλεί μεγαλύτερα ανασταλτικά μετασυναπτικά ρεύματα. Το παραπάνω μπορεί να σχετίζεται με την "in vitro" εμφάνιση των οξέων κυμάτων καθώς η αυθόρμητη δραστηριότητα προέρχεται από GABAA-επαγόμενες υπερπολώσεις των πυραμιδικών κυττάρων, ενώ και η αύξηση στην έκφραση του α1β2γ2-υποτύπου συμπίπτει χρονικά με την εμφάνιση των "in vitro" οξέων κυμάτων. / The hippocampus in the rat appears grossly as an elongated structure with its long axis bending in a C-shaped manner from the septal nuclei rostrodorsally to the incipient temporal lobe caudoventrally. The long axis of the hippocampal formation is referred as the dorsoventral axis. Although hippocampus has been traditionally thought as a homogeneous structure, several studies have been demonstrated differences at several organization levels (from the behavioural to the cellular) between its dorsal (DH) and ventral (VH) pole. In the present study, we examined whether the recently reported differences in the GABA-mediated somatic inhibition between the DH and VH could be related to variations in the GABAA receptors. We therefore studied the quantitative distribution, the kinetic parameters and the subunit composition of the GABAA receptors in the two parts of hippocampus. We also studied the A1 adenosine receptors in order to examine the involvement of the adenosinergic system in the glutamate release between the two hippocampal poles. The study of [3H]-CHA binding on A1 adenosine receptors by using "in vitro" quantitative autoradiography, revealed a weaker A1 receptor binding in VH compared to DH in all regions we examined. Taken into consideration that the A1 adenosine receptors are localized in the CA1 glutamatergic terminals, these results may to some extend explain our hypothesis that synapses in the VH have greater probability of glutamate release compared to those in the DH counterpart. Recent data have demonstrated a weaker somatic GABAergic inhibition in CA1 region of VH compared to DH. We therefore examined possible differences in the GABAA receptor subunit composition and receptor binding parameters between DH and VH by using "in situ" hybridization, western blotting and the specific binding of the GABAA receptor agonist [3H]-muscimol using quantitative autoradiography and saturation experiments. The experiments demonstrated that the VH compared to DH displayed: 1) lower levels of mRNA expression for α1, β2, γ2 but higher levels for α2 and β1 subunits in CA1, CA2 and CA3, with the differences being more pronounced in CA1 region. Western blot analysis confirmed the mRNA expression data, showing lower levels for α1, β2 and higher levels for α2 subunits’ protein. Only in the CA1 region the mRNA levels of α5 were higher, while those of α4 subunit were slightly lower; in dentate gyrus, the mRNA levels of α4, β3 and δ subunits were significantly lower in VH compared to DH presumably suggesting a lower expression of the α4/β3/δ receptor subtype; 2) lower levels of [3H]-muscimol binding in the VH, with the lowest value observed in CA1, apparently resulting from weaker affinity for GABA and not from a decreased receptor density, since the KD values were higher in VH, while the Bmax values were similar between DH and VH. In conclusion, the differences in the subunit mRNA and protein expression and the lower affinity of GABAA receptor observed predominantly in CA1 region of VH, suggest that the α1 subunit-containing GABAA receptors dominate in the DH, while the α2 subunit-containing receptors prevail in VH. This could underlie the lower GABAA mediated somatic inhibition observed in VH and, to some extent, explain: a) the higher liability of VH for epileptic activity and b) the differential involvement of DH and VH in cognitive and emotional processes. Recent electrophysiological experiments have been shown that slices from the VH of adult rats generate rhythmical activity during their maintenance in the recording chamber. This activity is fully organized during the first 3 hours of in vitro maintenance and resembles the in vivo recorded hippocampal "sharp waves", therefore called "in vitro sharp waves". The field manifestation of this spontaneous activity results from GABAA receptor-mediated hyperpolarizations in pyramidal cells. The aim of the second part of the present thesis focused on the possible relationship between the characteristics of GABAA receptors and the development of "in vitro sharp waves". Using the "in situ hybridisation" technique, we examined the mRNA expression of the alpha1/2/5,beta1/2/3 and gamma2 subunits of GABAA receptor and the binding of GABAA receptor agonist [3H]-muscimol in a time course including periods before and during the development of the "in vitro sharp waves". Six sets of transversely cut DH and VH slices were prepared: slices frozen immediately after killing the animal (naive slices), and slices maintained in vitro and frozen at different time points (15min, 1, 3, 5 and 8h) during the electrophysiological experiment. The results showed: A) Upregulation of alpha1, beta2 and gamma2 subunits mRNA in VH but not in DH slices at 1h of their maintenance, which became significant at 3h as compared to the respective naive slices; B) Increase in [3H]-muscimol binding only in VH slices, obtained at 8h compared to the respective naive ones. The upregulation of the α1β2γ2 GABAA receptor subtype (starting at 1h) in VH but not in DH presumably suggests an increase in GABAergic activity, which could be related with the appearance of "in vitro sharp waves" observed only in VH; C) Τhe similar mRNA expression of the early genes c-fos and zif-268 in the two hippocampal poles showing a comparable general gene activity in DH and VH. In conclusion, the α1β2γ2 subtype dominates in DH while the α2β2-subtype prevails in VH and this could be related to the weaker somatic inhibition observed in the CA1 region of VH, and also to the distinct involvement of DH and VH in cognitive and emotional processes. Moreover, the higher expression of the GABAA receptor subtype α4β4δ in the DG of DH compared to VH may imply a higher tonic inhibition in the former hippocampal pole. The upregulation of the α1β2γ2- subtype only in VH slices during their in vitro maintenance may reflect an increase in the impact of GABAA receptor-mediated transmission, which is required for the organization of "in vitro" sharp waves.

La survie des individus dépend de leur capacité d’anticiper la survenue d’une récompense ou d’un danger leur permettant ainsi de s’adapter à leur environnement. De considérables efforts ont été réalisés pour identifier les mécanismes cellulaires et synaptiques ayant lieu au niveau du circuit de la récompense afin d’avoir une meilleure compréhension des processus sous tendant des états motivationnels physiologiques et pathologiques tels que l’addiction et la dépression. Pour autant, ce n’est que récemment qu’on commence à comprendre les circuits capables de contrôler les systèmes monoaminergiques mésencéphaliques et leurs contributions aux comportements motivés. Dans les dernières décennies l’habénula latérale (LHb) a émergé comme un acteur majeur capable d’encoder des stimuli de valeur motivationnelle et de contrôler les systèmes monoaminergiques. La connectivité de cette structure épithalamique joue un rôle clé dans différents aspects des comportements motivationnels, comme l’approche et la fuite. Des avancées récentes ont aussi démontré que des altérations de la fonction de la LHb entrainent des états émotionnels négatifs caractéristiques de la dépression et l’addiction. Ces observations suggèrent que la LHb pourrait s’avérer une cible importante pour le traitement de ces pathologies. Au cours de mon travail de thèse, j’ai d’abord cherché à comprendre comment moduler la transmission synaptique au niveau de la LHb pouvait contrôler son activité. Pour répondre à cette question, je me suis focalisée sur le rôle des récepteurs métabotropiques au glutamate (mGluRs). Dans une seconde étude, j’ai examiné les mécanismes par lesquels les drogues d’abus modifient la transmission synaptique des neurones de la LHb. Ces modifications se produisent spécifiquement dans les neurones LHb se projetant vers le noyau tegmental rostral (RMT) et sont nécessaires pour l’émergence des états dépressifs. Dans un premier temps, nous avons démontré qu’au niveau de la LHb les mGluRs de type I sont capables d’induire une dépression à long terme de la transmission synaptique excitatrice (eLTD) et inhibitrice (iLTD). Ces deux formes de plasticité dépendent de la signalisation PKC, mais requièrent des mécanismes d’expression différents. Tandis que eLTD réduit la probabilité de libération du glutamate via l’activation de récepteurs présynaptiques aux endocannabinoides (CB1), iLTD s’exprime par la réduction de la fonction des récepteurs GABAA postsynaptiques contenant la sous-unité β2. De plus, eLTD and iLTD exercent un contrôle bidirectionnel sur la décharge des neurones de la LHb. Dans un second temps, nous avons mis en évidence qu’une exposition chronique à la cocaïne produit une augmentation persistante de la transmission excitatrice au niveau des neurones de la LHb ciblant le RMTg. Cette forme de potentialisation synaptique nécessite l’insertion membranaire de récepteurs contenant la sous-unité GluA1, ainsi que la réduction de conductances potassiques entrainant une hyperexcitabilité neuronale in vitro et in vivo dans la LHb. Ces modifications sont nécessaires pour l’établissement d’états dépressifs émergeant lors de la période de sevrage à la cocaïne. En conclusion, ce travail a contribué à la compréhension de mécanismes de plasticité synaptique ayant lieu au niveau de la LHb et leurs répercussions pour son activité contrôlant ainsi des comportements motivationnels. / The capacity of the brain to anticipate and seek future rewards or alternatively escape aversive events allows individuals to adapt to their environment. A considerable research effort has focused on unraveling the cellular and synaptic mechanisms within the meso-cortico-limbic system underlying motivational processing both in physiological conditions and in pathologies such as addiction and depression. However, only recently we begin to understand the circuit substrates capable to control midbrain monoaminergic nuclei and their contribution to motivated behaviors. The Lateral Habenula (LHb) has emerged in the last decade, as a major player encoding stimuli with motivational value and in controlling monoaminergic systems. The wiring of this epithalamic structure subserves discrete features of motivated behaviors, including preference and avoidance. Recent advances have also demonstrated that aberrant modifications in LHb function trigger negative emotional states in disorders including depression and addiction, highlighting the LHb as an important brain target for therapeutic intervention for these pathological states. In my thesis work I first sought to investigate how modulation of synaptic transmission in the LHb controls neuronal activity, especially focusing on the role of metabotropic glutamate receptors. In a second study, I expanded my work examining how drug experience changes synaptic transmission in a precise habenular circuit that we discovered to be crucial for depressive states during cocaine withdrawal. In an initial data set, we found that, in the LHb, metabotropic glutamate receptor 1 activation drives a PKC-dependent long term depression of excitatory (eLTD) and inhibitory (iLTD) synaptic transmission. Despite the common induction, eLTD and iLTD diverged in their expression mechanism. While eLTD required endocannabinoid-dependent reduction of glutamate release, iLTD expressed postsynaptically through a decrease of β2-containing GABAA receptors function. Further, eLTD and iLTD bidirectionally controlled LHb neuronal output. In a second study, we showed that chronic cocaine exposure leads to a persistent and projection-specific increase of excitatory synaptic transmission onto LHb neurons. This form of synaptic potentiation required membrane insertion of GluA1-containing AMPA receptors and a reduction in potassium channels function ultimately leading to increased LHb neuronal excitability both in vitro and in vivo. These cocaine-driven adaptations within the LHb were instrumental for depressive-like states emerging after drug withdrawal. Altogether this work demonstrates how synaptic plasticity in the LHb affects neuronal output and thereby contributes to behaviors associated with the pathology of motivation.

Les épilepsies sont des hyperactivités neuronales pathologiques largement distribuées au sein du système nerveux. Aborder la question de l'organisation spatiotemporelle de ces crises est un premier pas crucial vers la dissection des mécanismes qui les sous-tendent. Alors qu'il existe de nombreux modèles d'hyperactivité épileptiforme, il est plus difficile d'étudier les crises spontanées, qui sont altérées par la sédation. Dans cette thèse, j'ai développé une approche combinant l'électroencéphalogramme (EEG) avec l'imagerie fonctionnelle ultrasonore (fUS), sur le rat mobile. Ainsi, sur un modèle d'épilepsie absence, j'ai pu enregistrer simultanément la survenue des crises et les variations hémodynamiques, marqueurs du métabolisme cellulaire. Le suivi additionnel de l'activité hémodynamique n'avait pas d'effet en soi sur l'occurrence et la durée des crises épileptiques. L'analyse des enregistrements a permis de mettre en évidence des corrélations entre les activités électriques et vasculaires durant les crises. Tandis que le thalamus présentait des zones d'hyperperfusion pendant les crises, le cortex présentait des corrélats variables suivant les aires, avec une hyperémie des aires somato-sensorielles accompagnée parfois d'une baisse de perfusion des tissus adjacents. La sensibilité du fUS a révélé, à partir d'événements uniques, qu'une série de pointe-ondes observée par une électrode EEG ne s'accompagne pas toujours d'une hyperactivité vasculaire au même endroit. Ainsi, cette approche permet de délimiter le contour des aires présentant une activité vasculaire pendant les crises et montre une dichotomie partielle entre les composantes électriques et vasculaires des crises. / Epilepsies consist in neuronal hyperactivities distributed across the nervous system that need first to be located in order to later decipher the mechanisms of these pathologies. While there are many models of epileptiform hyperactivity, it is more difficult to study spontaneous seizures, which are altered by sedation. In this thesis, I developed an approach that combines electroencephalography (EEG) and functional ultrasound imaging (fUS), on the mobile rat. Thus, on a model of absence epilepsy, I could record simultaneously the occurrence of seizures and the hemodynamic variations, which reflect cellular metabolism. Seizures were unaltered by the recording protocol, compared to rats with EEG alone. Correlations were observed between electric and vascular activities. The thalamus showed areas of hyperperfusion during seizures. The cortex exhibited different correlates in distinct areas, with hyperaemia in somato-sensory areas, occasionally associated with a decrease in perfusion in adjacent tissue. The sensitivity of fUS, which could resolve blood changes from single occurrences, revealed that series of spike-wave discharges recorded from an EEG electrode were not always associated with vascular hyperactivity in the same region. Thus, this approach can delimit the contour of areas presenting vascular activity during seizures and shows a partial dichotomy between the electric and vascular components of seizures.

Mon travail de thèse porte sur les épilepsies focales avec ou sans malformations cérébrales de type dysplasie corticale focale. Il s'articule autour de (1) une étude fonctionnelle et génétique sur tissu cérébral postopératoire humain et (2) la caractérisation d'un nouveau modèle génétique chez l'animal. Tout d'abord, des mutations germinales hétérozygotes perte de fonction ont été identifiées dans DEPDC5, NPRL2 et NPRL3 qui codent pour le complexe GATOR1, un inhibiteur du complexe 1 de mTOR (mTORC1). Par la suite, des mutations somatiques cérébrales gain de fonction ont été identifiées dans MTOR. Nous avons émis l'hypothèse que ces mutations entrainent une hyperactivité de mTORC1, responsable des malformations cérébrales et de l'épilepsie des patients. J'ai observé une hyperactivité de mTORC1 dans les cellules cytomégaliques obtenues à partir de tissu cérébral post-opératoire de patients porteurs de mutations dans les gènes de GATOR1 ou MTOR. En parallèle, la caractérisation du premier modèle KO de Depdc5 a montré que les rats Depdc5+/- présentent des anomalies corticales rappelant celles des patients : délamination des couches corticales et cellules cytomégaliques avec une hyperactivité de mTORC1. Ce phénotype est prévenu par l'injection de rapamycine, un inhibiteur spécifique de mTORC1. Une susceptibilité accrue aux crises épileptiques induites par le pentylènetétrazole ainsi qu'un défaut des propriétés neuronales passives et actives ont été rapportés chez les rats Depdc5+/-. En conclusion, mes travaux de thèse ont contribué à mettre en évidence l'implication de la voie GATOR1-mTORC1 dans les épilepsies et dysplasies corticales focales. / In my PhD thesis work, I investigated focal epilepsies with and without brain malformations such as focal cortical dysplasia. I focused on two complementary aspects: (1) genetics and functional studies on human tissue samples and (2) characterization of a novel genetic animal model. First, germline heterozygous loss-of-function mutations were identified in DEPDC5, NPRL2 and NPRL3 genes that encode proteins which together form the GATOR1 complex, a repressor of the mTOR complex 1 (mTORC1). Additionally, brain somatic gain-of- function mutations were identified in MTOR gene that encodes mTOR itself. Both types of mutations are thought to lead to mTORC1 hyperactivity, and cause brain malformation and epilepsy in patients. To test this hypothesis, mTORC1 activity was monitored on post-operative brain tissue from patients carrying GATOR1 or mTOR genes mutations. Cytomegalic cells with mTORC1 hyperactivity were observed. Besides, the characterization of the first Depdc5 KO model revealed that Depdc5+/- rats present cortical structural abnormalities reminiscent of patient histopathology hallmarks: cortical layer dyslamination and cytomegalic cells with increased mTORC1 activity. This phenotype was prevented by rapamycin injection, a specific mTORC1 inhibitor. An increased susceptibility to pentylenetetrazol-induced epileptic seizures, as well as impaired passive and active neuronal properties were observed in Depdc5+/- rats compared to Depdc5+/+ rats. In conclusion, my PhD work largely contributed to emphasize the prominent role of the GATOR1-mTORC1 pathway in focal cortical dysplasia and epilepsies.

La synapse est une structure macromoléculaire dont les composants sont renouvelés en permanence alors que l’assemblage est quasi-stable. A l’échelle mésoscopique, les récepteurs aux neurotransmetteurs (RN) sont accumulés dans le compartiment post-synaptique (PSD). Cette accumulation résulte de la diffusion latérale des RNs dans la membrane neuronale et de leurs immobilisations transitoires dans la PSD. Les protéines d’échafaudage (PE) localisées sous la membrane post-synaptique constituent des sites de capture en interagissant avec les RNs. Mon travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration avec des chimistes et des physiciens afin de comprendre les paramètres impliqués dans le processus de diffusion-capture. Nous nous sommes intéressés au cas de la capture du récepteur de la glycine (RGly) par les agrégats de PEs des synapses inhibitrices, les géphyrines. Nous avons étudié l’impact de la liaison RGly-géphyrine sur le processus de diffusion-capture sous deux aspects. Le premier est lié à la nature bimodale de liaison du RGly. Le second aborde l’impact des phosphorylations de la boucle M3-M4 de la sous-unité β du RGly sur la liaison avec la géphyrine.Mon travail de thèse montre qu’il est maintenant possible, en utilisant des approches de microscopie super-résolutive, de quantifier les aspects thermodynamiques des interactions moléculaires dans les cellules vivantes. / The synapse is a macromolecular structure whose components are constantly renewed while the assembly remains quasi-stable. At the mesoscopic level, neurotransmitter receptors (RNs) accumulate in the post-synaptic compartment (PSD). This accumulation is the result of the lateral diffusion of RNs in the neuronal membrane and transient immobilization within the PSD. This mechanism, called diffusion-trapping has been highlighted by single-molecule-tracking techniques. Scaffold proteins (PE) are localized under the post-synaptic membrane. These proteins form trapping-sites by interacting with RNs. Through an interdisciplinary approach in collaboration with chemists and physicists, the aim of my doctoral research was to understand the parameters that are involved in diffusion-trapping mechanisms. We especially focused on glycine receptor (RGly) trapping by PE clusters at inhibitory synapses, namely the scaffold protein gephyrin. The gephyrin- interaction motif of the GlyR is located within the cytoplasmic domain of the β-subunit of the receptor, the so-called β-loop. Two aspects of the impact of RGly-gephyrin binding on diffusion-trapping were studied. The first was to identify the source of the RGly-gephyrin bimodal binding. The second one addressed the regulation of gephyrin binding by phosphorylation of the GlyR βLoop.My research thus shows that it is now possible to quantify thermodynamic aspects of molecular interactions in living cells using high-density single-molecule-tracking.

Dans cette thèse, nous étudions le vaste domaine des neurosciences à travers des outils théoriques, numériques et expérimentaux. Nous étudions comment les modèles à taux de décharge peuvent être utilisés pour capturer différents phénomènes observés dans le cerveau. Nous étudions les régimes dynamiques des réseaux couplés de neurones excitateurs (E) et inhibiteurs (I): Nous utilisons une description fournie par un modèle à taux de décharge et la comparons avec les simulations numériques des réseaux de neurones à potentiel d'action décrits par le modèle EIF. Nous nous concentrons sur le régime où le réseau EI présente des oscillations, puis nous couplons deux de ces réseaux oscillants pour étudier la dynamique résultante. La description des différents régimes pour le cas de deux populations est utile pour comprendre la synchronisation d'une chaine de modules E-I et la propagation d'ondes observées dans le cerveau. Nous examinons également les modèles à taux de décharge pour décrire l'adaptation sensorielle: Nous proposons un modèle de ce type pour décrire l'illusion du mouvement consécutif («motion after effect», (MAE)) dans la larve du poisson zèbre. Nous comparons le modèle à taux de décharge avec des données neuronales et comportementales nouvelles. / In this thesis, we investigate the vast field of neuroscience through theoretical, numerical and experimental tools. We study how rate models can be used to capture various phenomena observed in the brain. We study the dynamical regimes of coupled networks of excitatory (E) and inhibitory neurons (I) using a rate model description and compare with numerical simulations of networks of neurons described by the EIF model. We focus on the regime where the EI network exhibits oscillations and then couple two of these oscillating networks to study the resulting dynamics. The description of the different regimes for the case of two populations is helpful to understand the synchronization of a chain of E-I modules and propagation of waves observed in the brain. We also look at rate models of sensory adaptation. We propose one such model to describe the illusion of motion after effect in the zebrafish larva. We compare this rate model with newly obtained behavioural and neuronal data in the zebrafish larva.

Les connexions neuronales du système visuel forment des synapses spatialement distribuées en couches discrètes. Comprendre la base du ciblage spécifique axonale est critique pour déchiffrer la formation des réseaux neuronaux complexes. Dans une première étude, nous avons investigué le rôle de la protéine de la matrice extracellulaire Reelin dans la formation in vivo du circuit rétinotectal chez le poisson zèbre. Ce circuit se compose de cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) transmettant l’information visuelle au cerveau via la projection de leur axone dans les différentes couches du tectum optique. Nous avons démontré que la Reelin secrétée par de neurones inhibiteurs localisés dans les couches supérieures du tectum optique forme un gradient. L’induction de mutations délétères dans la voie de signalisation canonicale de la Reelin à l’aide d’outils génétiques a conduit à des défauts de ciblage des axones de CGRs. Nos résultats démontrent un nouveau rôle de la Reelin lors du développement du système visuel et la décrivent comme signature moléculaire nécessaire au ciblage et au positionnement précis des axones de CGRs.Dans une seconde étude, nous avons utilisé la technique CRISPR/Cas9 pour développer une nouvelle approche de mutagénèse conditionnelle chez le poisson zèbre. Nos résultats démontrent que la perturbation de gènes dans des tissues spécifiques peut être effectué par l’induction de l’expression de la protéine Cas9 via le système Gal4/UAS. Nous avons établis un outil pour induire l’apparition de mutations délétères dans des clones de cellules mais aussi dans des cellules individuelles, tous pouvant être suivit distinctement grâce à un marquage génétique. / Neuronal connections in the visual system are arranged in synaptic laminae. Understanding the basis of lamina-specific axonal targeting is critical to gain deeper insights on how complex neural networks form. In a first study we investigated the role of the ECM protein Reelin during zebrafish retinotectal circuit formation in vivo. Here retinal ganglion cells (RGCs) convey the visual information to the brain by projecting their axons to different layers of the optic tectum. We demonstrated that Reelin secreted by a specific class of tectal superficial inhibitory neurons is spatially distributed in a superficial-to-deep gradient within the tectal neuropil. Induced gene disruption for all the components of the canonical Reelin pathway expressed in the retinotectal system resulted in aberrant layering of RGC axons suggesting a role for Reelin pathway in axonal sublaminar segregation. Altogether our findings elucidate a new role for Reelin in vertebrate visual system development, during which it acts as molecular cue by imparting positional information for ingrowing RGCs.In a second study we took advantage of the CRISPR/Cas9 technology to develop a novel approach for conditional mutagenesis in zebrafish. Our results provide evidence that tissue-specific gene disruption can be achieved by driving Cas9 expression with the Gal4/UAS system. We established a tool to induce loss-of-function mutations in cell clones or single cells that can be followed by genetic labeling, enabling their phenotypic analysis. Our technique has the potential to be applied to a wide-range of model organisms, allowing systematic mutagenesis and labeling on a genome-wide scale.

La fasciculation des axones joue un rôle essentiel dans le développement des réseaux neuronaux. Cependant, la dynamique de la fasciculation axonale, ainsi que les mécanismes biophysiques à l’œuvre dans ce processus, demeurent encore très mal compris. En vue d'étudier les mécanismes de fasciculation d'axones ex vivo, nous avons développé un système modèle simple, constitué par des explants d'épithélium olfactif de souris embryonnaires en culture, à partir desquels poussent les axones des neurones sensoriels olfactifs. Grâce à une étude en vidéomicroscopie, nous avons observé que ces axones interagissent de façon dynamique par leur fibre, à la manière de fermetures éclair pouvant se fermer ("zippering") ou s'ouvrir ("unzippering"), ce qui conduit respectivement à la fasciculation ou à la défasciculation des axones. Mettant à profit cette nouvelle préparation expérimentale pour l'étude des interactions dynamiques entre axones, nous avons développé une analyse biophysique détaillée des processus de zippering/unzippering.Nous mettons en évidence dans notre travail l'existence d'un mécanisme biophysique cohérent de contrôle des interactions locales entre fibres axonales. Ce mécanisme local est à mettre en relation avec les changements de la structure globale du réseau axonal (degré de fasciculation) qui s'opèrent sur une échelle temporelle plus longue. Enfin, nous discutons la signification fonctionnelle de nos observations et analyses, et proposons un nouveau rôles de la tension mécanique dans le développement du système nerveux : la régulation de la fasciculation des axones et, en conséquence, de la formation des cartes topologiques au sein des réseaux neuronaux. / While axon fasciculation plays a key role in the development of neural networks, very little is known about its dynamics and the underlying biophysical mechanisms. In a model system composed of neurons grown ex vivo from explants of embryonic mouse olfactory epithelia, we observed that axons dynamically interact with each other through their shafts, leading to zippering and unzippering behaviour that regulates their fasciculation. Taking advantage of this new preparation suitable for studying such interactions, we carried out a detailed biophysical analysis of zippering, occurring either spontaneously or induced by micromanipulations and pharmacological treatments.We show that there is a consistent mechanism which governs local interactions between axon shafts, supported by broad experimental evidence. This mechanism can be reconciled with changes in global structure of axonal network developing on slower time scale, analogically to well-studied relation between local relaxations, and topological changes and coarsening in two-dimensional liquid foams. We assess our observations and analysis in light of possible in vivo functional significance and propose a new role of mechanical tension in neural development: the regulation of axon fasciculation and consequently formation of neuronal topographic maps.

Le potentiel d'action est un des événements de signalisation majeurs du cerveau. Ce travail est dédié à l'étude de la génération du potentiel d'action, et son impact dans le potentiel extracellulaire ainsi que dans le réseau local. Pour ce faire nous avons abordé trois questions principales. Premièrement, nous nous sommes intéressés à comprendre pourquoi les potentiels d'action ont souvent un début brutal dans les enregistrements somatiques des neurones de mammifères. Nous avons montré que l'hypothèse du couplage résistive critique explique comment le potentiel d'action est initié dans le segment initial de l'axone pour fournir le 'kink' dans le soma. Deuxièmement, nous avons évalué l'impact de la position du segment initial sur le potentiel extracellulaire. De façon importante, nous démontrons que l’impact de la position du segment initial axonal dans la forme et l’amplitude du potentiel d’action dépend de la distance entre le site d’enregistrement et l’axone, et de sa position par rapport à l’axe soma-segment initial axonal.Finalement, nous avons exploré l’impact d’un seul potentiel d’action dans l’activité de réseau, car cet effet est souvent questionné. Nos montrons qu’un seul potentiel d’action d’un neurone pyramidal hippocampique peut commencer l’activité «sharp-wave ripple” qui consiste en l’activation de multiple interneurones. L’ensemble de nos résultats montre que les potentiels d’action sont des événements complexes modelés par la biochimie de le membrane neuronale et la morphologie de l’axone. De plus, ces caractéristiques neuronales modulent fortement leur impact dans le champ extracellulaire et l’activité de réseau. / The action potential is considered one of the major signaling events in the brain.Although it has been studied for years, many questions remain unanswered. The present work is dedicated to the study of action potential generation, its impact on extracellular field and local network establishment. We considered three questions: Firstly, (i) we asked why mammalian neurons often have characteristically sharp onset in the somatic recordings of action potentials. We show that the Critical Resistive Coupling Hypothesis is sufficient to explain how the action potential is initiated in the axon initial segment to provide for the ‘kink’ in the soma, while the Back propagation Hypothesis is not sufficient to explain it. Next, (ii)we asked how the placement of the axon initial segment might affect the extracellular field. We show that the impact of the axon initial segment position on the shape and amplitude ofextracellular action potential depends on the distance between the recording site andthe axon and on its position along the soma–axon initial segment axis. Finally, (iii)we inquired if a single action potential might have an effect on the network activity. Weshow that a single action potential from a single pyramidal neuron in the hippocampus can trigger sharp-wave ripple activity consisting of the firing of multiple interneurons.Altogether, our results show that action potentials are complex events shaped by the biochemistry of the neuronal membrane and morphology of the axon. In addition these features strongly modulate the neuron’s impact on the extracellular field and network activity.

La régénération après une lésion de la moelle épinière (ME) est abortive. Elle est du à une cascade d'événements cellulaires et moléculaires, dont la rupture de la barrière hémato-encéphalique, une inflammation persistante, une cicatrice gliale et la formation d'une cavité, combinée à la présence de molécules inhibitrices pour la repousse. Actuellement, aucune thérapie n'est efficace, mais le design de biomatériaux implantables pourrait permettre leur développement. L'hydrogel de chitosane (hCh) apparait prometteur, notamment grâce à la modulation de ses propriétés biologiques, notamment en modifiant son degré de déacétylation (DA). J'ai donc testé, dans une hémisection dorsale de la ME de rat, différentes formulations d'hCh fragmenté et examiné leur capacité à s'intégrer dans le tissu hôte lésé, sans produire une inflammation ou une réaction astrocytaire excessive. Mon travail montre que l'implantation de fragments d'hCh avec un DA de 4% est favorable à la reconstruction du tissu, en attirant différents types cellulaires et en recréant une vascularisation fonctionnelle. Il permet aussi de moduler la réponse inflammatoire, en favorisant une polarisation des macrophages en un phénotype M2. La cicatrice gliale est aussi réduite et les processus astroytaires s'orientent vers l'implant, en s'associant aux axones qui régénèrent et caractérisés par traçage axonale et immunohistochimie. Plusieurs sont myélinisés ou entourés par des cellules de Schwann, au moins jusqu'à 10 semaines après la lésion. Enfin, le remodelage structural est associé à une récupération locomotrice significative. / Regeneration after traumatic spinal cord injury generally fails due to a cascade of cellular and molecular events, including blood-spinal cord barrier breakdown,persistent and uncontrolled inflammation, and glial scarring and cavity formation combined with the presence of axon growth-inhibitory molecules. While efficient therapies are still lacking, recent progress in the design of implantable biomaterials may well open up new possibilites for their development. Chitosan hydrogels (hCh) seem particularly promising as their biological properties can be fine-tuned, notably by their degree of acetylation (DA). In the context of a rat dorsal spinal cord hemisection, I have tested different formulations of fragmented hCh for their ability to integrate into lesioned host tissue without creating additional inflammation, or excessive astrocytic reaction. Thus, I found that implantation of hCh particles of 4% DA allows for tissue reconstruction by attracting different cell types and recreating a functional vasculature. Importantly, it modulates the inflammatory response, favoring polarization of invading macrophages towards the M2 phenotype. In lesioned-implanted animals, the glial scar is less fibrous, astrocyte processes are mainly oriented towards the lesion and accompany a robust regrowth of fibers, whose origin was identified by axon tracing and immunohistochemistry. Many of these fibers are myelinated or ensheathed by Schwann cells, maintained at long term in the implant. Finally, this structural remodeling is associated with significant, long-lasting recovery of locomotor function, as I have shown by open-field and gait analysis.