Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La locomotion, comme toute autre forme d'activité physique, mobilise le système nerveux autonome pour faire face à la demande physiologique croissante. Ces réponses autonomes impliquent un couplage entre les activités motrices sympathiques et somatiques. De manière intéressante, à la fois les réseaux locomoteurs spinaux, ainsi que les neurones préganglionnaires sympathiques intermédiolatéraux (IMLs) sont les cibles d’une modulation par le système cholinergique propriospinal. Dans ce contexte, le but de mon travail doctoral a été d'étudier le rôle du système cholinergique propriospinal dans la coordination entre ces deux systèmes. En utilisant une préparation de moelle épinière de rat nouveau-né isolée in vitro, nous avons montré que l’acétylcholine pourrait permettre un couplage entre les réseaux locomoteurs et sympathiques via l’activation de récepteurs muscariniques. En effet, l'oxotrémorine, un agoniste non-sélectif de ces récepteurs, induit une activité rythmique lente bloquée par des antagonistes des récepteurs muscariniques M1, M2, M3 et M4. De plus, l’oxotrémorine permet de révéler des capacités rythmogènes endogènes de la moelle épinière thoracique. Nous avons observé que les motoneurones thoraciques étaient rythmiquement actifs à la fois durant des épisodes de locomotion fictive et lors de l’application d'oxotrémorine. A l’inverse, les IMLs présentaient une activité rythmique uniquement en présence d'oxotrémorine. Cette étude fournit ainsi de nouveaux éléments concernant les processus neuronaux à l'origine du couplage entre les systèmes somatiques et sympathiques. Nous proposons ici que ces mécanismes de synchronisation sont réalisés en partie via un réseau intraspinal pouvant être activé conditionnellement par le système cholinergique propriospinal. / Locomotion, as any other forms of physical activity, mobilizes the autonomic nervous system to match the increasing physiological demand. These autonomic responses mostly rely on the coupling between sympathetic and somatic motor activities. The propriospinal cholinergic system plays an important role in the control of locomotor networks, and several lines of evidences suggest that it may also activate sympathetic preganglionic neurons from the intermediolateral nucleus (IMLs). The aim of my doctoral thesis was to investigate the role of the cholinergic propriospinal system in the coordination between these two systems. Using the in vitro isolated spinal cord from new born rat, we showed that application of acetylcholine synchronized the locomotor and sympathetic networks, via the activation of muscarinic receptors. Indeed, the non-selective agonist oxotremorine induced slow rhythmic activity blocked by M1, M2, M3 and M4 muscarinic receptor antagonists. In addition, oxotremorine revealed endogenous rhythmogenic capabilities of the thoracic segments. This slow oscillatory activity propagated from thoracic ventral roots to lumbar ones, but not the reverse. We observed that thoracic MNs were rhythmically activated during both locomotorlike activity and oxotremorine-induced rhythm. In contrast, IMLs were rhythmically activated solely in the presence of oxotremorine. This study provides new light on the origin of the coupling between the somatic and the sympathetic systems. We propose that synchronizing mechanisms are achieved in part by an intraspinal network which may be activated under the control of the cholinergic propriospinal system.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mon travail de doctorat a consisté à étudier in vitro la bioluminescence calciumdépendante de la photoprotéine aequorine puis d'utiliser cette bioluminescence afin deréaliser l'imagerie des activités du réseau néocortical. En effet, cette protéine peut être<br />exprimée dans des types cellulaires spécifiques et sa bioluminescence présente un rapportsignal/bruit très élevé et pas de toxicité.Dans un premier temps, j'ai recherché des mutations modifiant les propriétés debioluminescence de l'aequorine par une approche de mutagenèse aléatoire et d'évolution in vitro<br />J'ai ainsi obtenu des mutants dont la stabilité, la sensibilité calcique et/ou la cinétique debioluminescence étaient modifiées. L'étude de ces mutants a permis de mettre en évidence les relations étroites entre la cinétique d'émission de la bioluminescence et la<br />sensibilité calcique de l'aequorine. Ces travaux ont permis de mieux comprendre comment laliaison du calcium induit l'émission d'un photon par l'aequorine.Dans un second temps, j'ai développé une approche d'imagerie des activitésd'ensembles neuronaux grâce à une chimère GFP-aequorine exprimée en tranches denéocortex à l'aide d'un virus Sindbis recombinant. J'ai utilisé cette approche pour étudier lamodulation cholinergique de l'activité corticale évoquée par stimulation électrique. J'ai pumontrer que les agonistes muscariniques augmentent l'extension spatiale et la durée desréponses du réseau néocortical aux stimulations électriques.

Au cours de cette thèse, j’ai cherché à comprendre comment trois structures impliquées dans la modulation des états vigilance agissaient sur la dynamique du réseau cortical. Les noyaux du thalamus non-spécifique sont impliqués dans le transfert d’informations contextuelles. À l’inverse, les noyaux spécifiques convoient des informations sensorielles vers le néocortex. Ces entrées sensorielles activent fortement les interneurones fast-spiking du cortex qui limite la durée de l’activation du réseau. À l’inverse, mes travaux montrent que les entrées contextuelles entraînent l’activation des interneurones lents, générant une activation prolongée du réseau cortical. D’autre part, je me suis intéressée à la couche VIb du néocortex dont les neurons sont sensibles à deux modulateurs des états de vigilance : l’orexine et à l’acétylcholine. J’ai pu montrer que la couche VIb projette principalement dans les couches corticales infragranulaires où elle pourrait être servir d’amplificateur dépendant de l’orexine des entrées du thalamus non-spécifique. Finalement, j’ai cherché à comprendre si la transmission nicotinique endogène était médiée par une synapse ou par transmission volumique. Pour cela, j’ai comparé les courants nicotinques reçus par les neurones des couches I et VI. Mes travaux mettent en évidence l’existence d’une synapse mixte comprenant des récepteurs α4β2 et α7 dans la couche I et d’une synapse simple comprenant uniquement α4β2 en couche VI. Ces synapses sont activées par la stimulation phasique des neurones cholinergiques. Néanmoins mes résultats suggèrent aussi l’existence de récepteurs α4β2 extra-synaptiques activés par la libération tonique des fibres cholinergiques. / During my PhD, I investigated how three structures involved in the modulation of arousal states act on the dynamic of the cortical network. Nuclei of the non-specific thalamus convey information on environmental and behavioral context, whereas specific nuclei relay sensory information to the neocortex. These sensory inputs activate strongly the fast-spiking interneurons of the neocortex that limits response duration of the network. Conversely, I showed that contextual inputs target mainly the slow adapting interneurons allowing a long-lasting activation of the cortical network. I have also been interesting in the layer VIb of the neocortex whose neurons are sensitive to orexin and acetylcholine, two main modulators of the arousal states. I showed that layer VIb projects mainly onto infragranular cortical layers where its activation should act as an orexin-dependent amplifier of the non-specific thalamic inputs. Finally, I tried to decipher whether the endogenous nicotinic transmission is mediated by a synapse or by volume transmission. To do that, I compared nicotinic currents received by layer I interneurons and layer VI pyramidal cells. I showed that nicotinic transmission is likely to be mediated by a mixed synapse comprising α4β2 and α7 receptors in layer I and a simple α4β2 containing synapse in layer VI. These synapses are activated by a phasic stimulation of the cholinergic fibers. However, my results also suggest that a tonic activation of these fibers recruits extra-synaptic α4β2 receptors in both layer I and VI neurons.

L’utilisation intensive des insecticides pour lutter contre les insectes ravageurs de culture et vecteurs demaladies, a conduit à des polémiques sur le mode d’action des insecticides. Ces polémiques sont liéesau fait que le mode d’action des insecticides, notamment des néonicotinoïdes est mal connu. Ils agissentprincipalement sur les récepteurs à l’acétylcholine (ACh) de type nicotinique (nAChR) qui jouent un rôlefondamental dans la transmission synaptique cholinergique. Bien que ces récepteurs soient bien décritschez les mammifères, très peu d’études ont évalué l’effet des néoniotinoïdes sur un récepteur natifd’insecte.Au cours de cette thèse, nous avons pour la première fois exprimé en ovocytes de xénope un récepteurhomomérique ⍺7 de blatte et étudié ces propriétés pharmacologiques vis-à-vis des néonicotinoïdes,comparativement au récepteur a7 de rat. Nos résultats révèlent un récepteur atypique qui est insensibleà l’⍺-bungarotoxine et qui n’est pas activé par les néonicotinoïdes. Ainsi, bien que les gènes codantpour les sous-unités α7 de blatte et de rat forment un groupe monophylétique distinct des autres sousunitésd’insectes et de mammifères, les récepteurs homomériques obtenus semblent avoir despropriétés pharmacologiques différentes. Parallèlement, nous avons étudié les propriétéspharmacologiques des nAChR natifs et notamment l’effet modulateur d’un pyréthrinoïde, la permethrine,sur les courants induits par le dinotefurane. Ce travail a permis d’évaluer le mode d’action d’unantiparasitaire, le Vectra 3D. Enfin, nous avons également entrepris de développer la techniqued’extraction membranaire afin de l’utiliser comme alternative pour étudier le mode d’action desinsecticides.Pour conclure, cette thèse a permis une avancée sur l’étude de la caractérisation des propriétéspharmacologiques des récepteurs nicotiniques neuronaux des insectes et sur l’étude du mode d’actiondes insecticides néonicotinoïdes. / The intensive use of insecticides against crop pests and vectors of human and animal leads to several polemics about their mode of action. All these controversies are related to the fact that the mode of action of insecticides in insects is poorly unknown, in particular neonicotinoids which act on nicotinic acetylcholine (ACh) receptors (nAChR).During this PhD thesis, we characterized for the first time the pharmacological properties of a cockroach ⍺7 homomeric receptor in a xenopus oocyte. Our results revealed that cockroach ⍺7 in an atypical receptor that is insensitive to ⍺-bungarotoxin and not activated by neonicotinoids. Cockroach and rat ⍺7 receptors which are included in the same cluster have distinct pharmacological properties. We then studied the pharmacological properties of native receptors, in particular, the modulatory effect of permethrin on dinotefuran-induced currents. This work was included in the study of Vectra 3D. We also evaluated the use of insect central nervous system membrane extraction as a strategy to study the pharmacological properties of insect native nAChRs.To conclude, this PhD contribute to the study of the pharmacological properties of insect nAChRs and the study of the mode of action of neonicotinoids insecticides.

DE NOMBREUSES CRAINTES SONT AUJOURD'HUI FORMULEES QUANT A L'INNOCUITE DES CHAMPS DE RADIOFREQUENCES SUR LA SANTE. PARMI CELLES-CI DES PERTURBATIONS DE LA NEUROPHYSIOLOGIE ET PLUS SPECIFIQUEMENT DU SYSTEME CHOLINERGIQUE CENTRAL ONT ETE EVOQUEES. <br />UN MODELE D'ETUDE MULTIPARAMETRIQUE A ETE DEVELOPPE CHEZ LE RAT VIGILE PRESENTANT A LA FOIS UN ASPECT ELECTROPHYSIOLOGIQUE, NEUROCHIMIQUE OBTENU PAR MICRODIALYSE, COMPORTEMENTAL PAR QUANTIFICATION DES ETATS DE VIGILANCE ET THERMOPHYSIOLOGIQUE PAR LE SUIVI DE LA TEMPERATURE CORPORELLE.<br />LORS DE L'EXPOSITION A UN CHAMP ELECTROMAGNETIQUE DE 1,8 GHZ OU 2,45 GHZ POUR DES PUISSANCES ATHERMIQUES, AUCUN EFFET SIGNIFICATIF N'A PU ETRE MIS EN EVIDENCE SUR LA NEUROPHYSIOLOGIE. PARALLELEMENT A CETTE ETUDE, UNE ETUDE DE LA COMPOSITION LIPIDIQUE DU TISSU CEREBRAL ET UNE ETUDE DE SES METABOLITES ONT ETE REALISEES PAR SPECTROSCOPIE RMN. CES ETUDES EGALEMENT N'ONT PAS MONTRE D'EFFETS DES ONDES ELECTROMAGNETIQUES.

L’addiction à la nicotine est une pathologie qui concerne un tiers de la population adulte mondiale et qui est souvent associée avec d’autres troubles psychiatriques tels que la dépression, la schizophrénie ou encore les troubles liés au stress. Chaque année, près de 8 millions de personnes décèdent des conséquences de la consommation de tabac. Cette pathologie constitue la première cause de morts évitables dans le monde. Ce phénomène de dépendance au tabac est induit par la nicotine, principale substance addictive et psychoactive du tabac, qui va agir sur les récepteurs nicotiniques de l’acétylcholine (nAChR) et ainsi détourner le fonctionnement normal de différents circuits neuronaux. De manière aigüe, la nicotine agit directement sur les nAChR ce qui va globalement activer les réseaux neuronaux. A plus long terme, elle va induire une plasticité synaptique et perturber la transmission nicotinique endogène. La nicotine va notamment détourner le système dopaminergique, acteur majeur de l’apprentissage par renforcement, de la motivation et de l’évaluation de la récompense. Ces modifications neuronales conduisent non seulement au renforcement mais entrainent aussi une perturbation de différents traits comportementaux (prise de décision, exploration, vulnérabilité au stress, etc.). Ces relations entre symptômes et traits pourraient expliquer les fortes comorbidités observées entre la dépendance aux drogues d’abus, et particulièrement au tabac, et d’autres manifestations pathologiques telles que les troubles liés au stress. Au cours de cette thèse j’ai tout d’abord abordé les bases neurophysiologiques qui sous-tendent ces comorbidités, en proposant la dopamine comme un substrat commun aux effets du stress social, de la nicotine et des perturbations de la prise de décision associées (impulsivité, sensibilité à la récompense, évaluation du risque, etc.). J’ai pu montrer que l’augmentation de l’activité des neurones dopaminergiques observée après une exposition à la nicotine ou à un stress social est responsable des perturbations des comportements de choix chez la souris. En effet, nous avons pu reproduire ces altérations comportementales en élevant artificiellement le niveau d’activité des neurones dopaminergiques à l’aide de stimulations optogénétiques. La dissection des mécanismes par lesquels la nicotine détourne les circuits neuronaux se heurte aujourd’hui à un manque d’outils permettant une manipulation sélective, réversible et avec une résolution spatio-temporelle suffisante des acteurs moléculaires impliqués. Une deuxième partie de mon travail de thèse a consisté en l’implémentation in vivo chez la souris, de la pharmacologie optogénétique pour les nAChR. La photo-inhibition des nAChR contenant la sous-unité beta2 nous a permis de mettre en évidence l’impact de la modulation cholinergique endogène sur l’activité des neurones dopaminergiques. Nous avons pu, en outre, inhiber la réponse de ces mêmes neurones à l’injection intraveineuse aiguë de nicotine et le renforcement associé dans une tâche de préférence de place conditionnée pour la nicotine. / Nicotine addiction is a condition that affects one third of the world's adult population and is often associated with other psychiatric disorders such as schizophrenia, mood- and stress-related disorders. Every year, nearly 8 million people die from the consequences of tobacco use. This pathology is the leading cause of preventable death in the world. This phenomenon of tobacco dependence is induced by nicotine, the main addictive and psychoactive substance in tobacco, which acts on nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) and thus hijacks the normal functioning of various neuronal circuits. Acute nicotine directly acts on nAChRs and activates neural networks. In the longer term, it will induce synaptic plasticity and disrupt endogenous nicotinic transmission. In particular, nicotine disrupts the dopaminergic system, a key player in reinforcement learning, motivation and reward evaluation. These neural changes not only lead to reinforcement but also to a disruption of different behavioral traits such as decision-making, exploration, vulnerability to stress, etc. These relationships between symptoms and features could explain the strong comorbidities observed between substance abuse, and particularly tobacco addiction, and other pathologies such as stress-related disorders. During this thesis, I first addressed the neurophysiological bases underlying these comorbidities, by proposing dopamine as a common substrate for the effects of social stress, nicotine and associated decision-making disorders (impulsivity, reward sensitivity, risk assessment, etc.). I have shown that the increase in dopamine neuron activity observed after exposure to nicotine or social stress is responsible for disrupting choice behavior in mice. Indeed, we could reproduce these behavioral maladaptations by artificially increasing the activity level of dopaminergic neurons using optogenetic stimuli. The dissection of the mechanisms by which nicotine diverts neuronal circuits is currently hampered by a lack of tools for selective, reversible, spatially and temporally precise manipulation of the molecular players involved. A second part of my thesis work consisted in the in vivo implementation in mice of optogenetic pharmacology for nAChR. The photoinhibition of beta2-containing nAChRs revealed the impact of endogenous cholinergic modulation on the activity of dopaminergic neurons. We could optically inhibit the response of these same neurons to acute intravenous injection of nicotine and the associated reinforcement in a task of conditioned place preference for nicotine.

Le corps carotidien est le principal senseur périphérique de l'oxygène impliqué dans le contrôle de la ventilation en condition de base et en réponse à l'hypoxie. Cette sensibilité se développe avec l'âge postnatal. Une activité inadéquate du corps carotidien en période néonatale peut prédisposer le nouveau-né prématuré à des instabilités respiratoires. La cotransmission par l'acétylcholine (récepteurs nicotiniques) et l'adénosine tri-phosphate (récepteurs purinergiques P2X) joue un rôle prépondérant dans le fonctionnement du corps carotidien chez le mammifère adulte, mais demeure très peu caractérisé chez le sujet en développement. L'objectif général de cet ouvrage est de déterminer, à l'aide de différentes approches méthodologiques, le rôle de l'acétylcholine et de l'adénosine tri-phosphate dans la ventilation, l'activité du corps carotidien et le maintien d'un patron stable de la rythmicité respiratoire chez le rat à différents âges de développement. La première étude de cet ouvrage montre que le blocage des récepteurs nicotiniques atténue la réponse ventilatoire à l'hypoxie de manière âge dépendante à l'intérieur de la gamme d'âges étudiés. Ces changements sont en partie liés à l'activation des récepteurs nicotiniques de type α7 localisés au niveau des corps carotidiens. La deuxième étude révèle que le blocage des récepteurs purinergiques de type P2X réduit l'activité ventilatoire et l'activité des corps carotidiens en condition de base et en réponse à l'hypoxie. Ces effets impliquent en partie les récepteurs exprimant la sous-unité P2X3. Contrairement aux récepteurs nicotiniques, dans la gamme d'âges que nous avons testés, la contribution des récepteurs P2X sur l'activité ventilatoire ainsi que sur l'activité des corps carotidiens demeure stable avec l'âge postnatal. Enfin, l'étude du blocage combiné des récepteurs nicotiniques et P2X chez le rat nouveau-né démontre une importante interaction sur l'homéostasie ventilatoire en condition de base, très prononcée lors des premiers jours de vie. Cette étude montre également une augmentation de la fréquence des apnées et du coefficient de variation de la ventilation minute suite au double blocage des récepteurs nicotiniques et purinergiques P2X. Ces instabilités respiratoires sont très accentuées chez le jeune rat de 4 jours de vie comparé à celui plus mature de 12 jours de vie. L'ensemble des études présentées dans cet ouvrage montre que la transmission cholinergique (nicotinique) et purinergique (adenosine tri-phosphate) joue un rôle déterminant dans la régulation de la respiration et le maintien d'un patron stable de l'activité respiratoire chez le rat en développement.

La fibrillation auriculaire (FA) est la forme d’arythmie la plus fréquente et représente environ un tiers des hospitalisations attribuables aux troubles du rythme cardiaque. Les mécanismes d’initiation et de maintenance de la FA sont complexes et multiples. Parmi ceux-ci, une contribution du système nerveux autonome a été identifiée mais son rôle exact demeure mal compris. Ce travail cible l’étude de la modulation induite par l’acétylcholine (ACh) sur l’initiation et le maintien de la FA, en utilisant un modèle de tissu bidimensionnel. La propagation de l’influx électrique sur ce tissu est décrite par une équation réaction-diffusion non-linéaire résolue sur un maillage rectangulaire avec une méthode de différences finies, et la cinétique d'ACh suit une évolution temporelle prédéfinie qui correspond à l’activation du système parasympathique. Plus de 4400 simulations ont été réalisées sur la base de 4 épisodes d’arythmies, 5 tailles différentes de région modulée par l’ACh, 10 concentrations d’ACh et 22 constantes de temps de libération et de dégradation d’ACh. La complexité de la dynamique des réentrées est décrite en fonction de la constante de temps qui représente le taux de variation d’ACh. Les résultats obtenus suggèrent que la stimulation vagale peut mener soit à une dynamique plus complexe des réentrées soit à l’arrêt de la FA en fonction des quatre paramètres étudiés. Ils démontrent qu’une décharge vagale rapide, représentée par des constantes de temps faibles combinées à une quantité suffisamment grande d’ACh, a une forte probabilité de briser la réentrée primaire provoquant une activité fibrillatoire. Cette activité est caractérisée par la création de plusieurs ondelettes à partir d’un rotor primaire sous l’effet de l’hétérogénéité du gradient de repolarisation causé par l’activité autonomique. / Atrial fibrillation (AF) is the most frequent arrhythmia and accounts for about one-third of hospitalizations for cardiac rhythm disturbances. The mechanisms of initiation and maintenance of atrial fibrillation are complex and multifaceted. Among them, a contribution of the autonomic nervous system has been identified but its exact role remains poorly understood. This work targets the study of the effect of autonomic modulation induced by acetylcholine (ACh) on the initiation and maintenance of AF, using a two-dimensional tissue model. Electrical impulse propagation in the tissue was described by as a non-linear reaction-diffusion equation solved on a rectangular mesh with finite difference methods, and ACh kinetics followed a predefined time evolution corresponding to parasympathetic activation. More than 4400 simulations were performed based on 4 fibrillatory initial conditions, 5 sizes of ACh patch, 10 ACh concentrations and 22 time constants representing ACh release and degradation speed. Our results suggest that vagal stimulation can sustain or terminate AF depending on the 4 parameters studied. Results demonstrate that rapid vagal discharge, represented by low time constants combined with sufficient quantities of ACh, has a high probability of breaking the primary reentry and causing fibrillatory activity. This activity is characterized by the generation of several wavelets from a primary rotor under the heterogeneity of repolarization gradient due to autonomic modulation.