La deuxième semaine qui suit la naissance est critique pour le développement du système locomoteur de la souris. C’est pendant cette semaine que les souriceaux acquièrent leur posture et commencent à marcher. Cette transformation implique une réorganisation en profondeur des éléments composant les unités motrices. Cependant, nous ne savons encore que peu de choses sur la différenciation des propriétés intrinsèques des motoneurones innervant les fibres musculaires. Contrairement à l’adulte, où la décharge démarre au début de la stimulation, les motoneurones de souriceaux déchargent de façon hétérogène. En effet, une stimulation au seuil induit chez certains motoneurones une décharge commençant au début du créneau alors que la décharge est retardée dans d’autres motoneurones. Par des enregistrements de motoneurones sur des tranches de moelle épinière à P6-P10, j’ai dans un premier temps caractérisé les courants sous‐tendant la décharge retardée et j’ai constaté que deux conductances potassiques (l’une ressemblant au courant de type A et l’autre très lente) étaient activées autour du seuil de décharge. Lorsqu’elles s’activent, ces conductances sont capables d’hyperpolariser le potentiel de membrane et d’empêcher le motoneurone de décharger. Puis, en s’inactivant, la membrane se dépolarise et le neurone commence à décharger avec un retard pouvant aller jusqu’à plusieurs secondes après le début du créneau. En outre, les deux populations de motoneurones présentent des propriétés électro-physiologiques et morphologiques différentes. Les motoneurones à décharge retardée possèdent un arbre dendritique plus ramifié que ceux à décharge immédiate. En conséquence, les motoneurones à décharge retardée possèdent une conductance d’entrée et un seuil de recrutement plus faible. De plus le temps de relaxation de l’hyperpolarisation suivant chaque potentiel d’action (AHP) est plus long dans les motoneurones à décharge immédiate. Enfin, une partie des motoneurones à décharge retardée exprime la protéine chondrolectine récemment décrite comme un marqueur moléculaire des motoneurones de type rapide. L’ensemble de nos résultats nous permet de faire l’hypothèse que les motoneurones à décharge retardée sont des motoneurones innervant les unités motrices de type rapide alors que ceux à décharge immédiate innervent les unités motrices de type lent. Dans un second temps, j’ai étudié l’effet de la mutation SOD1 G93A, un modèle murin de la sclérose latérale amyotrophique, sur les motoneurones spinaux à P6‐P10. Sachant que cette maladie affecte les motoneurones de façon différente à l’âge adulte, j’ai cherché à savoir si, chez les souriceaux SOD1 G93A, les motoneurones à décharge retardée et immédiate étaient affectés de la même façon. Mes résultats montrent que seuls les motoneurones à décharge immédiate sont hyperexcitables. Pour ces motoneurones, le seuil de décharge est plus hyperpolarisé et leurs dendrites sont plus courtes de 35%. Ces résultats amènent à reconsidérer le lien supposé entre hyperexcitabilité et dégénérescence des motoneurones. / In the second postnatal week, the locomotor behavior of mice changes from crawling to walking. This is made possible by profound changes in motor units. Yet, how the discharge properties of spinal motoneurons evolve during post-­‐natal maturation and whether they have an effect on the motor unit maturation remains an open question. In neonates, the spinal motoneurons display two modes of discharge. For threshold pulses, 33% of the motoneurons have a discharge that start at the current onset and adapts during the pulse (“immediate firing motoneurons”). The remaining 66% motoneurons fire with a large delay and the discharge then accelerates throughout the pulse (“delayed firing motoneurons”). Though the delayed firing pattern is quite common in spinal motoneurons of neonates, the ionic mechanisms that elicit this mode of discharge have received little attention. Using the patch-clamp technique to record P6‐P10 mouse motoneurons in a spinal cord slice preparation, I characterized the ionic currents that underlie the delayed firing pattern. This is caused by a combination of an A-like potassium current that acts on a short time scale and a slow‐inactivating potassium current that delays the discharge on a much longer time scale. I then investigated how these two potassium currents contribute to the recruitment threshold and how they shape the F-I function of delayed motoneurons in neonatal mice. The slow inactivating potassium current induces memory effects that have a strong impact on motoneuron excitability and on its discharge. Building on these results, I tried to correlate the discharge pattern to known physiological sub‐types. The delayed firing motoneurons have a larger input conductance, a higher rheobase, a narrower action potential, a shorter AHP and a more complex dendritic arbor than the immediate firing motoneurons. Additionally, only a sub-­‐population of the delayed firing motoneurons expressed the chondrolectin protein, a fast motoneuron marker. Based on this body of corroborating evidence, the immediate firing motoneurons would be slow type motoneurons whereas the delayed firing motoneurons would be fast type motoneurons. Finally, numerous electrical and geometrical abnormalities have been observed in spinal motoneurons of SOD1 G934 mice (model of the amyotrophic lateral sclerosis) during the second post-natal week but the results were somehow contradictory. In relation to the known differential sensitivity to the disease exhibited by slow and fast motoneurons, I investigated whether the immediate and delayed firing motoneurons are equally affected by the SOD1 mutation. This is not the case. I found that the SOD1 mutation induced a decrease in the rheobase and a hyperpolarization of the voltage threshold only in the immediate firing motoneurons, thereby making them more excitable than in WT mice. Furthermore, the dendrites of the immediate firing motoneurons are substantially shorter (about 35%) in the mutant than in the WT. In sharp contrast, the excitability of the delayed firing motoneurons is unchanged and the dendritic tree is nearly unaffected (the dendrites only undergo a 10% elongation). These results allow for reconsidering the link between hyperexcitability and degenerescence of the motoneurons

La mémoire est communément définie comme la capacité de coder, stocker et rappeler les informations que nous avons perçues. Lorsque nous traversons le monde, nous ressentons des stimuli, nous assistons à des événements, nous constatons des faits, nous étudions des concepts et nous acquérons des compétences. Bien que la mémoire soit un comportement humain inné et familier, les mécanismes cérébraux qui nous fournissent de telles facultés sont loin d'être compris. Des études expérimentales ont montré que, lors des tâches de mémoire, certaines structures cérébrales présentent une activité synchrone qui est censée être corrélée avec le maintien à court terme des stimuli saillants. L'objectif de cette thèse est d'utiliser la modélisation mathématique biologiquement inspirée et des simulations d'activité neuronale pour éclairer les mécanismes permettant l'émergence de ces oscillations synchrones liées à la mémoire. Nous nous concentrons en particulier sur l'activité mnémonique de l'hippocampe pendant l'état éveillé, et l'amnésie et la consolidation inattendue de la mémoire sous anesthésie générale. Nous commençons par présenter un modèle détaillé de neurone pyramidal qui se trouve couramment dans les zones CA3 et CA1 de l'hippocampe. Stimulé par une courte impulsion de courant, le neurone produit une activité persistante maintenue pour de longues périodes (> 30s) au-delà du stimulus uniquement par des récepteurs calciques non spécifiques (CAN). Les paramètres du modèle sont dérivés des enregistrements in vitro de neurones hippocampiques réalisés par nos collaborateurs Beate Knauer et Motoharu Yoshida à l'Université de la Ruhr à Bochum, en Allemagne. Par la suite, nous étudions la dynamique d'une population de ces neurones pyramidaux-CAN interconnectés. Nous supposons que les réseaux de neurones à tir persistant pourraient fournir le mécanisme neuronale pour la maintenance des oscillations hippocampiques mnésiques. Nos résultats montrent que le réseau génère une activité oscillante auto-soutenue dans la fréquence thêta. Lors de la connexion du réseau pyramidal-CAN à des interneurones inhibiteurs, la dynamique du modèle révèle que l'inhibition rétroactive améliore la robustesse des oscillations thêta rapides, en resserrant la synchronisation des neurones pyramidaux. Nous démontrons que, dans le modèle, la fréquence et la puissance spectrale des oscillations sont modulées uniquement par le courant CAN, permettant une large gamme de fréquences d'oscillation dans la bande theta. Il s'agit d'un mécanisme biologiquement plausible pour la maintenance des oscillations thêta synchrones dans l'hippocampe qui vise à étendre les modèles traditionnels d'activité rythmique hippocampique entraînée par le septum. En outre, nous présentons une étude approfondie des effets perturbateurs de l'anesthésie générale sur les oscillations gamma dans l'hippocampe. Nous introduisons un nouveau modèle qui prend en compte les quatre principaux effets de l'agent anesthésique propofol sur les récepteurs GABAA. Nos résultats indiquent que l'inhibition tonique médiée par le propofol contribue à améliorer la synchronisation du réseau dans un réseau d'interneurones de l'hippocampe. Cette synchronisation améliorée pourrait fournir une explication possible pour l'apparition d'une conscience intra-opératoire, d'une formation explicite de la mémoire et même d'une excitation paradoxale sous anesthésie générale, en facilitant la communication entre structures cérébrales qui ne devraient pas être autorisées à le faire lorsqu'elles sont anesthésiées. En conclusion, les résultats décrits dans cette thèse fournissent de nouvelles idées sur les mécanismes sous-jacents de l'activité neuronale mnémonique, à la fois au cours du réveil et de l'anesthésie, en ouvrant des voies convaincantes pour les travaux futurs sur les applications cliniques qui s'attaquent aux maladies de la mémoire neurodégénératives et la surveillance de l'anesthésie. / Memory is commonly defined as the ability to encode, store, and recall information we perceived. As we experience the world, we sense stimuli, we witness events, we ascertain facts, we study concepts, and we acquire skills. Although memory is an innate and familiar human behaviour, the interior workings of the brain which provide us with such faculties are far from being fully unravelled. Experimental studies have shown that during memory tasks, certain brain structures exhibit synchronous activity which is thought to be correlated with the short-term maintenance of salient stimuli. The objective of this thesis is to use biologically-inspired mathematical modelling and simulations of neural activity to shed some light on the mechanisms enabling the emergence of these memory-related synchronous oscillations. We focus in particular on hippocampal mnemonic activity during the awake state, and the amnesia and paradoxical memory consolidation occurring under general anaesthesia. We begin by introducing a detailed model of a type of persistent-firing pyramidal neuron commonly found in the CA3 and CA1 areas of the hippocampus. Stimulated with a brief transient current pulse, the neuron displays persistent activity maintained solely by cholinergic calcium-activated non-specific (CAN) receptors, and outlasting the stimulus for long delay periods (> 30s). Our model neuron and its parameters are derived from experimental in-vitro recordings of persistent firing hippocampal neurons carried out by our collaborators Beate Knauer and Motoharu Yoshida at the Ruhr University in Bochum, Germany. Subsequently, we turn our attention to the dynamics of a population of such interconnected pyramidal-CAN neurons. We hypothesise that networks of persistent firing neurons could provide the neural mechanism for the maintenance of memory-related hippocampal oscillations. The firing patterns elicited by this network are in accord with both experimental recordings and modelling studies. In addition, the network displays self-sustained oscillatory activity in the theta frequency. When connecting the pyramidal-CAN network to fast-spiking inhibitory interneurons, the dynamics of the model reveal that feedback inhibition improves the robustness of fast theta oscillations, by tightening the synchronisation of the pyramidal CAN neurons. We demonstrate that, in the model, the frequency and spectral power of the oscillations are modulated solely by the cholinergic mechanisms mediating the intrinsic persistent firing, allowing for a wide range of oscillation rates within the theta band. This is a biologically plausible mechanism for the maintenance of synchronous theta oscillations in the hippocampus which aims at extending the traditional models of septum-driven hippocampal rhythmic activity. In addition, we study the disruptive effects of general anaesthesia on hippocampal gamma-frequency oscillations. We present an in-depth study of the action of anaesthesia on neural oscillations by introducing a new computational model which takes into account the four main effects of the anaesthetic agent propofol GABAergic hippocampal interneurons. Our results indicate that propofol-mediated tonic inhibition contributes to enhancing network synchronisation in a network of hippocampal interneurons. This enhanced synchronisation could provide a possible mechanism supporting the occurrence of intraoperative awareness, explicit memory formation, and even paradoxical excitation under general anaesthesia, by facilitating the communication between brain structures which should supposedly be not allowed to do so when anaesthetised. In conclusion, the findings described within this thesis provide new insights into the mechanisms underlying mnemonic neural activity, both during wake and anaesthesia, opening compelling avenues for future work on clinical applications tackling neurodegenerative memory diseases, and anaesthesia monitoring

Engrailed (En) est un facteur de transcription important pour la mise en place de la segmentation de l’embryon et du plan d’organisation antéro-postérieur. Comme d’autres membres de la famille des homéoprotéines, Engrailed peut aussi agir comme une molécule de signalisation extracellulaire, internalisable grâce à son domaine « pénétratine » et stimulant dans la cellule cible la transcription ou la traduction des ARNm. De cette façon, Engrailed guide les axones en modifiant la traduction dans le cône de croissance axonal et l’infusion cérébrale d’Engrailed protège les neurones dopaminergiques dans un modèle de la maladie de Parkinson en augmentant la traduction de protéines mitochondriales. Des troubles cognitifs et un déficit des interactions sociales ont été observés chez les souris En1+/- et les souris En2-/-. Une augmentation de l’expression d’En2 a aussi été observée chez des patients atteints de troubles du spectre autistique. Néanmoins, le lien entre les modifications de l’expression d’Engrailed et l’autisme ne sont pas compris. L’objectif de cette thèse a été d’étendre notre connaissance des fonctions d’Engrailed dans une région télencéphalique où elle est a priori peu exprimée (l’hippocampe). Nos résultats confirment l’expression d’En1 et En2 dans l’hippocampe mature et décrivent les variations de l’expression de ces gènes au cours du développement de cette structure. En1 et En2 présentent des patrons d’expression différents pendant la première semaine postnatale et chez l’adulte suggérant que des variations du dosage génique d’Engrailed sont liées à certaines phases du développement, en particulier au début de la synaptogenèse. Nous avons également découvert que dans les cultures de cellules d’hippocampe Engrailed est exprimé dans les neurones et que son expression est plus forte dans les neurones GABA-ergiques, notamment dans leurs prolongements dendritiques et axonaux. Nous avons constaté qu’un excès d’Engrailed (décrit dans certains cas de TSA) augmente la complexité dendritique ainsi que la densité des épines dendritiques plastiques mais sans augmenter parallèlement la formation de synapses matures excitatrices. Nous avons observé des variations de densité des épines dendritiques chez les souris En2-/- et les souris En1+/-, ce qui confirme l’implication d’Engrailed dans leur formation ou leur stabilisation. Si dans nos conditions expérimentales l’excès d’Engrailed ne modifie pas la densité des synapses, un mutant d’Engrailed qui présente une interaction réduite avec eIF4E est moins efficace qu’Engrailed pour augmenter la densité des épines et diminue la densité des boutons présynaptiques et le synaptic matching. Ces résultats indiquent que l’interaction avec eIF4E régule au moins en partie les effets d’Engrailed sur la spinogenèse et suggèrent également une implication d’Engrailed dans la formation ou la stabilisation des boutons présynaptiques. Le rôle clef d’eIF4E dans la traduction permet de postuler que certains effets d’Engrailed observés dans notre étude pourraient dépendre de la synthèse protéique. Nos résultats montrent à cet égard qu’Engrailed augmente la synthèse protéique dans les neurones d’hippocampe. Cette traduction est différente de celle induite par la LTP chimique (LTPc) car insensible à l’action des oligomères synthétiques d’AβO, responsables sous leur forme naturelle de synaptopathies dans le contexte de la maladie d’Alzheimer. Engrailed permet également de restaurer la traduction défaillante de neurones issus de souris TG2576, modèles de la maladie d’Alzheimer. Dans leur ensemble, nos résultats identifient Engrailed comme un nouvel acteur de la plasticité dendritique. Ils révèlent qu’un excès d’Engrailed au cours de la synaptogenèse modifie les caractéristiques des dendrites, une situation susceptible d’altérer les caractéristiques fonctionnelles du réseau dendritique dans une situation de surexpression pathologique de la protéine. (...) / Engrailed (En) is an important transcription factor in embryo’s segmentation and anterior-posterior axis establishment during early embryogenesis. As several homeoproteins, Engrailed can act as an extracellular signalling molecule which can be internalized by target cells thanks to its penetratin domain and act through transcriptional and/or translation dependent mechanisms. Engrailed has for instance, translation-dependent effects on axonal guidance and cerebral infusion of Engrailed protects dopaminergic neurons in a Parkinson disease model by increasing mitochondrial protein translation. Also, cognitive defects were observed in En1+/+ and En2-/- and En2 expression is increased in ASD patients. This work consisted in extending the knowledge of Engrailed expression and functions. We explored the links with a telencephalic structure where it is a priori fewly expressed (hippocampus). Our results confirm En1 and En2 expression in the mature hippocampus and describe their respective expression along the development of this structure. En1 and En2 have different expression patterns during the first post-natal week as well as in the adulthood suggesting a genetic dosage of Engrailed during the development, specifically with the beginning of synaptogenesis. We also reveal that Engrailed, expressed in hippocampal neurons, is more expressed in GABA-ergic neurons, notably in their dendritic and axonal neurites. We observe that an excess of Engrailed (described in some ASD cases) increases dendritic complexity as well as plastic dendritic spine density, without affecting mature excitatory synapses. We show that En2-/- and heterozygote En1 mice have variations in dendritic spine density, which confirms that Engrailed is involved either in their formation or stabilization. Even though our experiments show no modification of synapse density with an excess of Engrailed, a mutant showing a decreased eIF4E interaction and less efficient than wild type Engrailed to increase dendritic spine density, decreases presynaptic button density and synaptic matching. Those results indicate that eIF4E interaction with Engrailed is, at least in part, responsible for its effects on spinogenesis and suggest a role of Engrailed in presynaptic button formation/stabilization. Key-role of eIF4E in translation allow to hypothesize that some of Engrailed effects we report could be translation dependent. In this sense, our results show that Engrailed is able to increase proteic synthesis in hippocampal neurons. This translation is different from the one induced by chemical LTP (LTPc): it is not altered by synthetic AβO, which are the main toxic agent when produced at abnormally high levels in Alzheimer disease. Engrailed is also able to restore defaulting translation in neurons from Alzheimer disease mice model (TG2576). As a whole, our results identify Engrailed as a novel actor in dendritic plasticity. They reveal that an excess of Engrailed during synaptogenesis can modify dendrite characteristics. This can lead to dendritic network dysfunction in a context of pathologic surexpression of Engrailed. Our observations open to new perspectives contributing to a better understanding of the relationship between Engrailed and ASD. Finally, this work lays the foundation to potentially fruitful links between Engrailed and AβOligomers signalling pathways, where modulation of protein synthesis could be a therapeutic lever in physiopathologic conditions.

Le travail présenté dans cette thèse fait partie d’un programme de recherche qui vise à comprendre comment le cerveau traite et représente les structures symboliques dans des domaines comme le langage ou les mathématiques. L’existence de structures composées de sous-éléments, tel que les morphèmes, les mots ou les phrases est très fortement suggérée par les analyses linguistiques et les données expérimentales de la psycholinguistique. En revanche, l’implémentation neuronale des opérations et des représentations qui permettent la nature combinatoire du langage reste encore essentiellement inconnue. Certaines opérations de composition élémentaires permettant une représentation interne stable des objets dans le cortex sensoriel, tel que la reconnaissance hiérarchique des formes, sont aujourd’hui mieux comprises [5]. En revanche, les modèles concernant les opérations de liaisons(binding) nécessaires à la construction de structures symboliques complexes et possiblement hiérarchiques, pour lesquelles des manipulations précises des composants doit être possible, sont encore peu testés de façon expérimentale et incapables de prédire les signaux en neuroimagerie. Combler le fossé entre les données de neuroimagerie expérimentale et les modèles proposés pour résoudre le problème de binding est une étape cruciale pour mieux comprendre les processus de traitements et de représentation des structures symboliques. Au regard de ce problème, l’objectif de ce travail était d’identifier et de tester expérimentalement les théories basées sur des réseaux neuronaux, capables de traiter des structures symboliques pour lesquelles nous avons pu établir des prédictions testables, contre des mesures existantes de neuroimagerie fMRI et ECoG dérivées de tâches de traitement du langage. Nous avons identifié deux approches de modélisation pertinentes. La première approche s’inscrit dans le contexte des architectures symboliques vectorielles (VSA), qui propose une modélisation mathématique précise des opérations nécessaires pour représenter les structures dans des réseaux neuronaux artificiels. C’est le formalisme de Paul Smolensky[10], utilisant des produit tensoriel (TPR) qui englobe la plupart des architectures VSA précédemment proposées comme, par exemple, les modèles d’Activation synchrones[9], les représentations réduites holographique[8], et les mémoires auto-associatives récursives[1]. La seconde approche que nous avons identifiée est celle du "Neural Blackboard Architecture" (NBA), développée par Marc De Kamps et Van der Velde[11]. Elle se démarque des autres en proposant une implémentation des mécanismes associatifs à travers des circuits formés par des assemblages de réseaux neuronaux. L’architecture du Blackboard repose sur des changements de connectivité transitoires des circuits d’assemblages neuronaux, de sorte que le potentiel de l’activité neurale permise par les mécanismes de mémoire de travail après un processus de liaison, représente implicitement les structures symboliques. Dans la première partie de cette thèse, nous détaillons la théorie derrière chacun de ces modèles et les comparons, du point de vue du problème de binding. Les deux modèles sont capables de répondre à la plupart des défis théoriques posés par la modélisation neuronale des structures symboliques, notamment ceux présentées par Jackendo[3]. Néanmoins, ces deux classes de modèles sont très différentes. Le TPR de Smolenky s’appuie principalement sur des considérations spatiales statiques d’unités neurales artificielles, avec des représentations explicites complètement distribuées et spatialement stables mises en œuvre par des vecteurs. La NBA en revanche, considère les dynamiques temporelles de décharge de neurones artificiels, avec des représentations spatialement instables implémentées par des assemblages neuronaux. (...) / The aim of this thesis is to understand how the brain computes and represents symbolic structures, such like those encountered in language or mathematics. The existence of parts in structures like morphemes, words and phrases has been established through decades of linguistic analysis and psycholinguistic experiments. Nonetheless the neural implementation of the operations that support the extreme combinatorial nature of language remains unsettled. Some basic composition operations that allow the stable internal representation of sensory objects in the sensory cortex, like hierarchical pattern recognition, receptive fields, pooling and normalization, have started to be understood[5]. But models of the binding operations required for construction of complex, possibly hierarchical, symbolic structures on which precise manipulation of its components is a requisite, lack empirical testing and are still unable to predict neuroimaging signals. In this sense, bridging the gap between experimental neuroimaging evidence and the available modelling solutions to the binding problem is a crucial step for the advancement of our understanding of the brain computation and representation of symbolic structures. From the recognition of this problem, the goal of this PhD became the identification and experimental test of the theories, based on neural networks, capable of dealing with symbolic structures, for which we could establish testable predictions against existing fMRI and ECoG neuroimaging measurements derived from language processing tasks. We identified two powerful but very different modelling approaches to the problem. The first is in the context of the tradition of Vectorial Symbolic Architectures (VSA) that bring precise mathematical modelling to the operations required to represent structures in the neural units of artificial neural networks and manipulate them. This is Smolensky’s formalism with tensor product representations (TPR)[10], which he demonstrates can encompass most of the previous work in VSA, like Synchronous Firing[9], Holographic Reduced Representations[8] and Recursive Auto-Associative Memories[1]. The second, is the Neural Blackboard Architecture (NBA) developed by Marc De Kamps and Van der Velde[11], that importantly differentiates itself by proposing an implementation of binding by process in circuits formed by neural assemblies of spiking neural networks. Instead of solving binding by assuming precise and particular algebraic operations on vectors, the NBA proposes the establishment of transient connectivity changes in a circuit structure of neural assemblies, such that the potential _ow of neural activity allowed by working memory mechanisms after a binding process takes place, implicitly represents symbolic structures. The first part of the thesis develops in more detail the theory behind each of these models and their relationship from the common perspective of solving the binding problem. Both models are capable of addressing most of the theoretical challenges posed currently for the neural modelling of symbolic structures, including those presented by Jackendo_[3]. Nonetheless they are very different, Smolenky’s TPR relies mostly on spatial static considerations of artificial neural units with explicit completely distributed and spatially stable representations implemented through vectors, while the NBA relies on temporal dynamic considerations of biologically based spiking neural units with implicit semi-local and spatially unstable representations implemented through neural assemblies. For the second part of the thesis, we identified the superposition principle, which consists on the addition of the neural activations of each of the sub-parts of a symbolic structure, as one of the most crucial assumptions of Smolensky’s TPR. (...)

Τα οξύαιχμα κύματα-ριπιδισμοί αποτελούν μία σημαντική και ενδογενή νευρική δραστηριότητα του ιπποκάμπου που εμφανίζεται κυρίως κατά το στάδιο των βραδέων κυμάτων του ύπνου και σε φάσεις ακινησίας κατά την εγρήγορση και πιστεύεται ότι διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στην διαδικασία της παγίωσης της μνήμης, που εμπλέκεται στη μεταφορά της πληροφορίας από τον ιππόκαμπο στον νεοφλοιό. Στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιώντας καταγραφές των δυναμικών πεδίου από την CA1 περιοχή τομών του κοιλιακού πόλου του ιπποκάμπου, εξετάσαμε την επίδραση της νιφεδιπίνης, ενός ανταγωνιστή των L-τύπου τασεοελεγχόμενων διαύλων ασβεστίου, στην δραστηριότητα των οξύαιχμων κυμάτων-ριπιδισμών. Παρατηρήσαμε ότι η νιφεδιπίνη αύξησε το πλάτος των ριπιδισμών χωρίς να επηρεάζει σημαντικά την διάρκεια και τη συχνότητα της ριπιδικής ταλάντωσης. Επίσης η νιφεδιπίνη αύξησε το πλάτος των οξύαιχμων κυμάτων και προκάλεσε μία μετρημένη αύξηση στην εμφάνιση των επεισοδίων των οξύαιχμων κυμάτων. Αυτά τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι η ροή ασβεστίου διαμέσου των L-τύπου διαύλων συμμετέχει στην τροποποίηση των οξύαιχμων κυμάτων-ριπιδισμών. / Sharp wave-ripples (SWRs) are a prominent and endogenous network activity in the hippocampus occurring during slow-wave sleep, and awake immobility, and it is thought to play a critical role in process of memory consolidation implicated in the transfer of information from the hippocampal to neocortex. In the present study using recordings of field potentials from the CA1 field of ventral hippocampal slices we examined the effect of nifedipine, a blocker of voltage-dependent calcium channels of L-type, in the activity of SWRs. We observed that nifedipine increased the amplitude of ripples without significantly affecting the duration and frequency of the ripple oscillation. Also, nifedipine increased the amplitude of sharp waves and produced a moderate increase in the incidence of episodes of SWRs. These results indicate that calcium influx through L-type calcium channels participate in the modulation of SWRs.

Les troubles du spectre autistique (TSA) affectent un individu sur 100 et sont caractérisés par des déficits de la communication et des interactions sociales, et par des comportements restreints et répétitifs. Les TSA présentent une forte composante génétique ; les premiers gènes impliqués ont été identifiés au laboratoire et codent des protéines d’adhérence ou d’échafaudage localisées à la synapse : les neuroligines (NLGN) et SHANK. Nous nous sommes intéressés à l’implication dans les TSA des contactines (CNTN), un groupe de six molécules d’adhérence neurales de la superfamille des immunoglobulines. Ces protéines sont ancrées à la membrane plasmique par un groupement glycosyl phosphatidylinositol (GPI) et peuvent être sécrétées par clivage du GPI. Elles interviennent dans des processus variés du développement neuronal comme la croissance neuritique, le guidage et la fasciculation des axones ou la myélinisation. Des études génétiques ont suggéré l’implication des contactines 4 à 6 dans les TSA, mais aucune étude fonctionnelle n’a confirmé cette hypothèse. Ce travail de thèse associe une analyse génétique, une analyse fonctionnelle sur des cultures de neurones primaires de rat et une analyse structurale par modélisation moléculaire. Nous avons identifié plusieurs "Copy-Number Variants" (CNV) dans les gènes CNTN (essentiellement des délétions affectant CNTN5 et CNTN6) et observé une tendance à l’enrichissement chez les patients par rapport aux individus témoins. Le séquençage des exons codants de CNTN5 et CNTN6 chez plus de 200 patients et 200 témoins nous a ensuite permis d’identifier des variants ponctuels non synonymes. Les variants privés (présents chez un seul individu ou dans une seule famille) sont plus fréquents chez les patients que chez les témoins. Les CNV et les variants ponctuels sont hérités, de parents pour la plupart non atteints, ce qui suggère que les altérations des contactines constituent des facteurs de vulnérabilité aux TSA plutôt que des facteurs causaux. Afin de déterminer l’effet fonctionnel des variants ponctuels rares, nous avons comparé l’effet sur la neuritogenèse des CNTN mutées à celui des CNTN sauvages. Nous avons ainsi analysé, sur plusieurs centaines de neurones par condition, la longueur et la ramification des neurites dans un système de co-culture avec des cellules HEK surexprimant la CNTN. La plupart des protéines CNTN5 et CNTN6 mutées présentent des effets différents de ceux des protéines sauvages (inhibition ou augmentation des effets positifs de celles-ci). Le dernier objectif de cette étude consistait à évaluer l’influence de certains de ces variants sur l’interaction des CNTN, via les domaines immunoglobuline (Ig) 2 et 3, avec l’un de leurs ligands, le récepteur à activité tyrosine phosphatase PTPRG. Par homologie avec la structure cristallographique déjà résolue pour les quatre premiers domaines Ig de CNTN4 de souris, nous avons modélisé cette région pour les CNTN5 et 6 humaines, sauvages et mutées. Nous avons ainsi pu prédire que certains variants étaient susceptibles de modifier les liaisons ioniques ou l’encombrement stérique dans cette région d’interaction. L’ensemble de nos résultats démontre l’existence d’effets fonctionnels délétères de plusieurs variants rares des contactines retrouvés chez les patients atteints de TSA. La présence de ces variants rares chez des apparentés non atteints indique que les altérations des CNTN s’inscrivent dans un modèle de "multiple hit", qui propose que l’autisme puisse résulter de la combinaison de plusieurs atteintes génétiques, chacune représentant un facteur de risque à effet modéré et n’entraînant pas, à elle seule, le développement du trouble. Le séquençage d’exomes et de génomes entiers, en cours au laboratoire, permettra une meilleure compréhension de ces atteintes génétiques multiples. / Autism Spectrum Disorders (ASDs) affect one individual out of 100 and are characterised by deficits in communication and social interactions, and by restricted and repetitive behaviours. ASDs display a strong genetic component ; the first genes involved were identified in our laboratory and encode for cell-adhesion or scaffolding proteins localised at the synapse : neuroligins (NLGNs) and SHANKs. We were interested in the implication, in the ASDs, of contactins (CNTNs), a group of six neural cell-adhesion molecules of the immunoglobulin superfamily. These proteins are anchored to the plasma membrane by a glycosyl phosphatidylinositol (GPI) and can be secreted by cleavage of this anchor. They participate in various processes of neuronal development such as neurite outgrowth, axon guidance and fasciculation, and myelination. Genetic studies have suggested the involvement of contactins 4, 5 and 6 in the ASDs, but no functional study has confirmed this hypothesis. The present work combines a genetic analysis, a functional analysis on cultured primary rat cortical neurons and a structural analysis by molecular modelling. We identified several "Copy-Number Variants" (CNVs) in CNTN genes (mainly deletions affecting CNTN5 and CNTN6) and observed a trend of enrichment in patients compared to control individuals. Subsequent sequencing of CNTN5 and CNTN6 coding exons in more than 200 patients and 200 controls allowed us to identify non synonymous single-nucleotide variants (SNVs). Private variants (present only in one individual or one family) are enriched in patients compared to controls. CNVs and SNVs are inherited, mainly from unaffected parents, which suggests that impairments in contactins represent susceptibility factors for ASDs, rather than causal factors. In order to determine the functional effects of rare SNVs, we compared the effect on neuritogenesis of mutant CNTNs to that of WT CNTNs. We therefore analysed, on several hundreds of neurons per condition, the length and branching of neurites in a co-culture system with HEK cells overexpressing a CNTN protein. Most of CNTN5 and CNTN6 mutant proteins either inhibited or increased the positive effects of WT proteins. The last aim of the present study consisted in evaluating the influence of some of these variants on the interaction of CNTNs, via their immunoglobulin (Ig) domains 2 and 3, with one of their ligands, the protein tyrosine phosphatase receptor PTPRG. Using homology with the crystal structure that had already been solved for the first four Ig domains Ig of mouse CNTN4, we modelled this region for human CNTN5 and CNTN6, WT and mutated. We have thus been able to predict that some variants were likely to alter ionic bonds or steric constraints in this interaction module. Taken as a whole, our results demonstrate that several rare CNTN variants found in patients with ASD have deleterious functional effects. The presence of these rare variants in unaffected relatives indicates that CNTN impairments fit into a "multiple hit" model, according to which autism may result from the combination of several genetic defects, each being a risk factor with moderate effect but not triggering, in itself, the development of the disorder. Sequencing of exomes and whole genomes, ongoing in the laboratory, will allow better understanding of those multiple genetic impairments.

Η παρούσα εργασία εστιάζει στον τρόπο επεξεργασίας των σύνθετων λέξεων της Νέας Ελληνικής (ΝΕ) στην Πρωτοπαθή Προοδευτική Αφασία με αγραμματικό λόγο (ΠΠΑ-α). Οι μέχρι τώρα έρευνες επικεντρώνονται κυρίως σε κλινικές περι- πτώσεις αφασίας από κάποια εστιακή εγκεφαλική βλάβη (ΕΑ), ενώ η ΠΠΑ δεν έχει μελετηθεί ως προς το ζήτημα αυτό τόσο στη ΝΕ όσο και διαγλωσσικά. Στόχο, λοι- πόν, της συγκεκριμένης εργασίας αποτελεί η εξέταση του κατά πόσο ελληνόφωνοι ασθενείς με ΠΠΑ-α παρουσιάζουν ελλείμματα στην κατονομασία σύνθετων λέξεων. Μέθοδος: Διεξαγωγή πειράματος κατονομασίας μέσω ορισμού (naming on definition task), το οποίο αφορά την κατονομασία σύνθετων λέξεων της ΝΕ. Συμμετέχοντες: 2 ΠΠΑ-α ασθενείς (ο πρώτος σε πιο πρώιμο στάδιο της ΠΠΑ-α σε σχέση με το δεύτερο) και 2 άτομα που συνιστούν την ομάδα ελέγχου (controls). Πειραματικό υλικό: 71 σύνθετα της ΝΕ, 45 υποτακτικά (π.χ. μολυβοθήκη, μαυροπί- νακας, σιγοτραγουδώ), 15 παρατακτικά (π.χ. αλατοπίπερο, βορειοδυτικός) και 11 εξωκεντρικά (π.χ. κοκκινομάλλης, κακόγουστος).Υποθέσεις: Σύμφωνα με τα πορίσματα της τρέχουσας βιβλιογραφίας, ασθενείς με αγραμματικού τύπου ΕΑ και ΠΠΑ-α εμφανίζουν παρόμοια επίδοση σε πειράματα που ελέγχουν τη μορφοσύνταξη (Thompson et al.). Έτσι, αναμένεται να έχουν εξί- σου παρόμοια επίδοση και όσον αφορά την επεξεργασία συνθέτων, αφού η σύνθεση αποτελεί μία αμιγώς μορφολογική διαδικασία. Βάσει του παραπάνω παραλληλι- σμού, υποθέτουμε πως οι ΠΠΑ-α ασθενείς θα κατονομάζουν ευκολότερα τα σημα- σιολογικά διαφανή σύνθετα (πρώτη υπόθεση), θα διατηρούν τη γνώση της δομής του συνθέτου (δεύτερη υπόθεση), θα διατηρούν τα όρια των επιμέρους συστατικών σε πιθανά λάθη υποκατάστασης ή παράλειψης (τρίτη υπόθεση), και θα προβαίνουν σε ανάκληση του συνθέτου μέσω τεμαχισμού στα επιμέρους συστατικά του (τέταρτηυπόθεση). Τέλος, αν το συστατικό-κεφαλή έχει κάποιο βασικό ρόλο στη διαδικασία της κατονομασίας, αναμένονται συστηματικά περισσότερα λάθη σε αυτό το συστα- τικό (πέμπτη υπόθεση). Ακόμη, στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος βρίσκονται και κάποια επιπλέον ερωτήματα που αφορούν το αν και κατά πόσο υπάρχει όντως σύ- γκλιση μεταξύ της ΠΠΑ-α και της ΕΑ-α στην κατονομασία σύνθετων λέξεων, το αν υπάρχει συσχέτιση μεταξύ του είδους/αριθμού των λαθών και του τύπου συνθέτου και το αν υφίστανται πρόβλημα με συστατικά συγκεκριμένης γραμματικής κατηγο- ρίας. Αποτελέσματα: Τα αποτελέσματα του πειράματος ανέδειξαν σημαντικές διαφορές στην επίδοση των δύο ασθενών. Ειδικότερα, ο πρώτος ασθενης είχε περισσότερα λάθη υποκατάστασης, τα οποία σηματοδοτούν επίγνωση της σύνθετης δομής και ανάκληση του συνθέτου μέσω τεμαχισμού στα επιμέρους συστατικά του. Αντίθετα, η δεύτερη ασθενής είχε περισσότερα λάθη περίφρασης και απάντησης με μία λέξη- λέξημα, ενώ ο στόχος ήταν η απάντηση με σύνθετη λέξη. Έτσι, τα λάθη της δεύ- τερης ασθενούς παραπέμπουν σε μη επίγνωση της σύνθετης δομής και σε μία πιο ολιστική διαδικασία ανάκλησης του συνθέτου. Τέλος, τα περισσότερα λάθη και των δύο ασθενών έγιναν σε υποτακτικά σύνθετα της γραμματικής κατηγορίας του ονό- ματος, ενώ δεν εντοπίστηκε επίδραση τόσο της σημασιολογικής διαφάνειας όσο και της μορφολογικής κεφαλής. Συμπεράσματα: Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων γίνεται σαφές πως το στά- διο της διαταραχής καθορίζει και το είδος των γλωσσικών ελλειμμάτων. Συγκεκρι- μένα, στα πρώιμα στάδια της ΠΠΑ-α εμφανίζονται γλωσσικά ελλείμματα τα οποία συγκλίνουν με αυτά της ΕΑ-α, ενώ σε μετέπειτα στάδια η ικανότητα κατονομασίας πλήττεται σοβαρά διαμορφώνοντας ένα ιδιαίτερο κλινικό προφίλ, το οποίο δεν φαί- νεται να συγκλίνει ξεκάθαρα με κάποιον άλλο παθολογικό πληθυσμό. Αναλυτικό- τερα, στα αρχικά στάδια το πρόβλημα εδράζεται στην ενεργοποίηση της φωνολο- γικής μορφής της λέξης, ενώ οι μορφολογικοί κανόνες φαίνεται ότι διατηρούνται (γνώση της σύνθετης δομής, ορίων των συστατικών). Αντίθετα, σε μετέπειτα στά- δια το πρόβλημα εντοπίζεται στην ενεργοποίηση τόσο της φωνολογικής όσο και της μορφολογικής δομής του συνθέτου. Σε ό,τι αφορά τα υποτακτικά σύνθετα, η αυξη- μένη δυσκολία που δημιουργούν μπορεί να συσχετιστεί με τη λειτουργική σχέση των επιμέρους συστατικών τους. Εν κατακλείδι, η παρούσα εργασία αποτελεί μία πρώτη προσπάθεια μελέτης της σύνθεσης στην ΠΠΑ-α. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων έφερε στο φως μία σειρά από γλωσσικά ελλείμματα, τα οποία αναμένεται να ελεγχθούν σε μεγαλύτερο δείγμα ΠΠΑ-α ασθενών για τον καθορισμό ασφαλέστερων συμπερασμάτων. / The present study is focused on the agrammatic variant of Primary Progressive Aphasia (PPA-a), which is a language impairment caused by neurodegenerative disease and characterized by difficulties in processing the grammatical aspects of speech (Mesulam, 2013). PPA-a has not examined about the grammatical deficits in Modern Greek (MG). Therefore, the aim of the present study is to examine if the Greek-speaking individuals with PPA-a have problems in naming compound words in MG. Procedure: Naming definition task of compound words in MG. Participants: Two patients with PPA-a (the first patient is in earlier stage of the disease than the other patient). Stimulus set: 71 compounds in MG, 45 subordinate compounds (e.g. [molivo’θici]>pencil case, [mavro’pinakas]>blackboard), 15 coordinate compounds (e.g. [alato’pipero]>salt and pepper, [vorioδiti’kos]>northwest) and 11 exocentric compounds (e.g. [kokkino’malis]>redhead, [ka’koγustos]>vulgar/tasteless). Hypotheses: According to the recent bibliography, agrammatic patients caused by stroke (StrAgr) and PPA-a patients have common performance in tasks which examine the morphosyntax (Thompson et al. 2013). So, PPA-a is expected to have the same deficits with StrAgr in naming compounds, given that compounding is a pure morphological procedure. Specifically, we expected compound effect, semantic transparency effect and lexical access through decomposition. Results: The error analysis showed differences in the performance of the two patients respect to the stage of the disease. Specifically, in the early stage substitution errors were occurred, supporting compound effect and a view of lexical access through decomposition. On the contrary, noncomposed semantic paraphasias and single words errors were occurred mainly at a later stage , indicating a more holistic access. Finally, the most errors were in subordinate compounds, whereas no effect of headedness and semantic transparency were found. Discussion: The results produce clear evidence that the stage of the PPA-a can affect the kind of the linguistic deficits. Specifically, in the initial stages, the linguistic deficits resemble with those of StrAgr patients with problems in the activation of the phonological form of the compound, whereas the morphological rules are intact. On the other hand, the naming competence is more impaired and distinctly different from other pathological populations at a later stage. Specifically, there are problems in the activation of both the phonological and the morphological compound forms. Finally, the increased difficulty with subordinate compounds will be correlated with the grammatical relations holding between the constituents.

Le système nerveux central est capable de mémoriser des percepts sur de longues échelles de temps (mémoire à long terme), ainsi que de maintenir activement ces percepts en mémoire pour quelques secondes en vue d’effectuer des tâches comportementales (mémoire de travail). Ces deux phénomènes peuvent être étudiés conjointement dans le cadre de la théorie des réseaux de neurones à attracteurs. Dans ce cadre, un percept, représenté par un patron d’activité neuronale, est stocké en mémoire à long terme et peut être chargé en mémoire de travail à condition que le réseau soit capable de maintenir de manière stable et autonome ce patron d’activité. Une telle dynamique est rendue possible par la forme spécifique de la connectivité du réseau. Ici on examine des modèles de connectivité corticale à différentes échelles, dans le but d’étudier quels circuits corticaux peuvent soutenir efficacement des dynamiques de type réseau à attracteurs. Ceci est fait en montrant comment les performances de modèles théoriques, quantifiées par la capacité de stockage des réseaux (nombre de percepts qu’il est possible de stocker, puis réutiliser), dépendent des caractéristiques de la connectivité. Une première partie est dédiée à l’étude de réseaux complètement connectés où un neurone peut potentiellement être connecté à chacun des autres neurones du réseau. Cette situation modélise des colonnes corticales dont le rayon est de l’ordre de quelques centaines de microns. On s’intéresse d’abord à la capacité de stockage de réseaux où les synapses entre neurones sont décrites par des variables binaires, modifiées de manière stochastique lorsque des patrons d’activité sont imposés sur le réseau. On étend cette étude à des cas où les synapses peuvent être dans K états discrets, ce qui, par exemple, permet de modéliser le fait que les connections entre deux cellules pyramidales voisines du cortex sont connectées par l’intermédiaire de plusieurs contacts synaptiques. Dans un second temps, on étudie des réseaux modulaires où chaque module est un réseau complètement connecté et où la connectivité entre modules est diluée. On montre comment la capacité de stockage dépend de la connectivité entre modules et de l’organisation des patrons d’activité à stocker. La comparaison avec les mesures expérimentales sur la connectivité à grande échelle du cortex permet de montrer que ces connections peuvent implémenter un réseau à attracteur à l’échelle de plusieurs aires cérébrales. Enfin on étudie un réseau dont les unités sont connectées par des poids dont l’amplitude a un coût qui dépend de la distance entre unités. On utilise une approche à la Gardner pour calculer la distribution des poids qui optimise le stockage de patrons d’activité dans ce réseau. On interprète chaque unité de ce réseau comme une aire cérébrale et on compare la distribution des poids obtenue théoriquement avec des mesures expérimentales de connectivité entre aires cérébrales. / The central nervous system is able to memorize percepts on long time scales (long-term memory), as well as actively maintain these percepts in memory for a few seconds in order to perform behavioral tasks (working memory). These two phenomena can be studied together in the framework of the attractor neural network theory. In this framework, a percept, represented by a pattern of neural activity, is stored as a long-term memory and can be loaded in working memory if the network is able to maintain, in a stable and autonomous manner, this pattern of activity. Such a dynamics is made possible by the specific form of the connectivity of the network. Here we examine models of cortical connectivity at different scales, in order to study which cortical circuits can efficiently sustain attractor neural network dynamics. This is done by showing how the performance of theoretical models, quantified by the networks storage capacity (number of percepts it is possible to store), depends on the characteristics of the connectivity. In the first part we study fully-connected networks, where potentially each neuron connects to all the other neurons in the network. This situation models cortical columns whose radius is of the order of a few hundred microns. We first compute the storage capacity of networks whose synapses are described by binary variables that are modified in a stochastic manner when patterns of activity are imposed on the network. We generalize this study to the case in which synapses can be in K discrete states, which, for instance, allows to model the fact that two neighboring pyramidal cells in cortex touches each others at multiple contact points. In the second part, we study modular networks where each module is a fully-connected network and connections between modules are diluted. We show how the storage capacity depends on the connectivity between modules and on the organization of the patterns of activity to store. The comparison with experimental measurements of large-scale connectivity suggests that these connections can implement an attractor neural network at the scale of multiple cortical areas. Finally, we study a network in which units are connected by weights whose amplitude has a cost that depends on the distance between the units. We use a Gardner's approach to compute the distribution of weights that optimizes storage in this network. We interpret each unit of this network as a cortical area and compare the obtained theoretical weights distribution with measures of connectivity between cortical areas.

Les douleurs neuropathiques, celles qui sont provoquées par des lésions du système nerveux central ou périphérique, sont les plus difficiles à traiter du fait de leur résistance aux traitements antalgiques classiques. Les traitements utilisés aujourd’hui font appel à des classes thérapeutiques non spécifiquement ciblées sur la douleur, en particulier des antidépresseurs et des anticonvulsivants. Leur efficacité limitée ne repose en fait que sur des observations empiriques. Une meilleure connaissance des processus physiopathologiques sous-tendant les douleurs neuropathiques constitue un préalable à toute innovation thérapeutique, et c’est à cette fin que je me suis appliqué à développer deux modèles de douleurs neuropathiques chez le rat pour en étudier les caractéristiques comportementales, fonctionnelles, cellulaires et biochimiques. Le premier modèle visait à l’induction d’une douleur neuropathique centrale provoquée par la section complète de la moelle épinière au niveau thoracique (T8-T9) ; le second a consisté à injecter, directement au niveau spinal, par voie intrathécale (i.t.), le facteur neurotrophique BDNF (Brain Derived Neurotrophic Factor ; dont l’implication dans les voies de signalisation nociceptive est bien établie dans la littérature). Dans les deux cas, les conséquences pro-algiques de ces interventions ont été comparées à celles induites par la ligature unilatérale du nerf sciatique, qui constitue encore aujourd’hui un modèle classique, mais très imparfait, d’une douleur neuropathique périphérique. Dès le 2ème jour après la section spinale, et jusqu’au moins deux mois plus tard, les rats lésés présentent une forte allodynie mécanique (test des filaments de von Frey) dans le territoire cutané juste en avant de la lésion. Cet effet traduit bien une neuropathie centrale car il n’existe pas chez les rats « sham » qui ont subi l’intégralité de l’intervention chirurgicale à l’exception de la section spinale. L’allodynie mécanique est associée à une induction significative de l’expression (RTqPCR) de marqueurs de souffrance neuronale (ATF-3) et d’activation microgliale (OX-42, récepteurs P2X4, P2X7 et TLR4) et astrocytaire (GFAP), ainsi que du BDNF et de cytokines pro-inflammatoires (IL-1ß, IL-6, TNF-α), mais de façon plus transitoire, ceci dans les ganglions de racines dorsales et/ou la moelle épinière dorsale (comme à la suite de la ligature du nerf sciatique, mais avec des cinétiques différentes). Pour sa part, l’injection intrathécale i.t. d’une dose infra-nanomolaire unique de BDNF (0.3 – 3.0 ng) induit aussi une forte allodynie et une hyperalgésie mécaniques, au niveau des pattes postérieures, qui se développent en 3-5 jours, et perdurent pendant deux semaines. Cependant, au contraire de la section spinale (et de la ligature du nerf sciatique), l’injection i.t. de BDNF ne provoque pas d’activation microgliale ni d’induction de cytokines. Elle entraine en revanche une auto-induction du BDNF, qui semble clé pour l’hyperalgésie puisque celle-ci peut être, en grande partie, supprimée par l’administration d’un inhibiteur du récepteur TrkB du BDNF, la cyclotraxine B (20 mg/kg i.p.), comme d’ailleurs l’hyperalgésie induite par la ligature du nerf sciatique. Au plan pharmacologique, un antalgique opiacé comme le tapentadol s’est révélé efficace dans les deux modèles. De même, les anticonvulsivants, comme la prégabaline et la gabapentine, ont réduit la douleur neuropathique chez les rats injectés par le BDNF i.t. et chez les rats CCI-SN. En conclusion, il semble que l’injection intrathécale de BDNF, qui évite la réalisation de lésions par intervention chirurgicale, puisse constituer un nouveau modèle pertinent de douleur neuropathique chez le rat. De plus, nos résultats laissent à penser que le blocage de la voie de signalisation BDNF-TrkB pourrait ouvrir de nouvelles pistes pour la réduction des douleurs neuropathiques périphériques. (...) / Neuropathic pain, caused by lesions of central or peripheral nervous system, is difficult to treat because of its resistance to classical antalgic treatments. Most of pharmacotherapeutic treatments of neuropathic pain (antidepressants, anticonvulsants) currently used are only based on empirical data and are not specifically aimed at relieving pain. Better knowledge of the mechanisms underlying neuropathic pain is an absolute prerequesite to develop new and innovative treatments. With the aim of contributing to elucidate these mechanisms, I developed two models of neuropathic pain in rats, and studied their behavioral, pharmacological, cellular and biochemical characteristics. The first model consisted of the induction of central neuropathic pain by complete transection of the spinal cord at T8-T9 level. The second one consisted of the administration of BDNF (Brain Derived Neurotrophic Factor; which implication in nociceptive signaling pathways is well established in the literature), directly at the spinal level, via intrathecal (i.t.) injection. In both cases, pro-algesic consequences of these interventions have been compared to those induced by unilateral ligation of the sciatic nerve, which is still considered as a classical, although not really satisfactory, model of peripheral neuropathic pain. From the second day after spinal cord transection up to (at least) 2 months later, lesioned rats developed a strong mechanical allodynia (von Frey filaments test) within a limited cutaneous territory just rostral to the surgical scar. This effect really reflected central neuropathic pain because it did not occur in control, « sham operated » animals, that underwent the same surgical intervention except the spinal cord transection. Mechanical allodynia was associated with marked overexpression of markers of neuronal injury (ATF-3), microglial activation (OX-42, P2X4, P2X7 and TLR4 receptors), astrocyte activation (GFAP), as well as upregulation of transcripts encoding BDNF and pro-inflammatory cytokines (IL-1ß, IL-6 and TNF-α, but only transiently for the latter cytokine), in dorsal root ganglia and/or spinal cord. Therefore, spinal cord transection triggered a strong neuroinflammatory reaction, like that occurring after peripheral nerve lesion, but with different time course and amplitude. On the other hand, intrathecal injection of an infra-nanomolar dose of BDNF (0.3 – 3.0 ng) also induced a strong mechanical allodynia and hyperalgesia at hindpaw level, which developed within 3-5 days and lasted for at least two weeks. However, in sharp contrast with spinal cord transection (and sciatic nerve ligation), i.t. injection of BDNF did not induce any microglial activation and/or proinflammatory cytokines upregulation. Intrathecal (exogenous) BDNF-induced (endogenous) BDNF auto-induction might play a key role in the maintenance of i.t. BDNF-induced hyperalgesia as the latter can be reversed by pharmacological blockade of the BDNF receptor TrkB (with cyclotraxin B at 20 mg/kg i.p., which also reversed sciatic nerve ligation-induced hyperalgesia). Pharmacological investigations showed that the opioid antalgic drug tapentadol and anticonvulsants such as pregabalin and gabapentin efficiently reduced neuropathic pain in i.t. BDNF i.t. as well as in sciatic nerve-ligated rats. Accordingly, intrathecal injection of BDNF might represent a new non-surgical model of neuropathic pain in rats. Moreover, our results indicate that blockade of BDNF-TrkB signaling could open new therapeutic perspectives for alleviating peripheral neuropathic pain. This innovative pharmacological approach should also be explored in the case of central neuropathic pain caused by spinal cord injury.

Les techniques optogénétiques ont laissé entrevoir un potentiel exceptionnel dans l’étude des mécanismes gouvernant l’intégration de l’information dans le système nerveux. Afin d’établir les relations existant entre des séquences d’activité neuronale définies et le comportement, les techniques optiques doivent permettre d’appréhender des groupes de neurones avec une résolution cellulaire chez l’animal éveillé et mobile. Jusqu’alors, l’activité neuronale chez l’animal vigile non contraint n’a été contrôlée que via l’illumination en champs large. Dans ce travail, nous démontrons une résolution proche de la cellule unique pour la photoactivation, chez l’animal éveillé et mobile, à l’aide d’un fibroscope. Les motifs de photoactivation, produits par holographie, sont transmis jusqu’à la souris par un guide d’image couplé à un micro-objectif. Une imagerie de fluorescence permet de localiser les cellules d’intérêt et d’enregistrer l’activité neuronale, par épifluorescence, illumination structurée, ou encore microscopie confocale multi-point sans balayage. Le fibroscope est testé chez l’animal anesthésié et chez l’animal éveillé et mobile, dont les interneurones de la couche moléculaire du cervelet expriment les protéines ChR2-tdTomato et GCaMP. Nous avons généré des signaux calciques somatiques en ciblant les corps cellulaires avec des spots de photoactivation de 5µm de diamètre. Chez l’animal anesthésié, nous avons démontré que la photoactivation pouvait être réalisée avec une résolution latérale de 10µm et une résolution axiale de 40µm, en considérant la demi-largeur à mi-hauteur de la courbe de résolution. Nous avons montré qu’un ou plusieurs soma pouvaient être ciblés sélectivement. Chez l’animal éveillé et mobile, le champs de vue est resté stable au cours des acquisitions. Nous avons trouvé une résolution latérale pour la photoactivation égale à 10µm, démontrant une résolution de photoactivation proche de la cellule unique chez l’animal vigile non contraint. / Optogenetics has shown great potential to study the mechanisms governing information integration in the brain. To link specific spatiotemporal activity patterns and behaviours, optical methods should provide simultaneous access to a group of neurons with single cell resolution in freely behaving animals. So far, however, optogenetic control of neural activity in freely behaving rodents has been performed with widefield illumination only. Here, we demonstrate photoactivation with near-cellular resolution in freely behaving mice using a fiberscope. Photoactivation patterns, produced with computer-generated holography, were transmitted to the mouse using a fiber bundle coupled to a micro-objective. Fluorescence imaging allowed locating cells and recording neuronal activity, via either epifluorescence, structured illumination, or scanless multi-point confocal microscopy. The fiberscope was tested both in anesthetized and freely-behaving mice co-expressing ChR2-tdTomato and GCaMP proteins in cerebellar molecular layer interneurons. By targeting an interneuron soma with a 5µm diameter photoactivation spot, we could elicit a calcium transient. In anesthetized animals, we demonstrated that photoactivation could be performed with 10µm and 40µm lateral and axial resolution, half-width at half maximum, respectively. We showed that either a single or multiple somata could be selectively targeted. In awake unrestrained animals, the field of view remained stable during our acquisitions. We found that photoactivation lateral resolution remained equal to 10µm, demonstrating photoactivation with near-cellular resolution in freely behaving mice.