La dystrophie myotonique de type I (DM1) constitue la plus fréquente des pathologies musculaires héréditaires chez l’adulte. Bien qu’initialement considérée comme une maladie musculaire, la DM1 présente une atteinte neurologique très handicapante. Cette maladie autosomique dominante résulte de l’expansion anormale d’un triplet CTG dans la partie 3’UTR du gène DMPK. Un effet trans du transcrit DMPK muté entraine une dérégulation de l‘épissage alternatif dans de nombreux tissus. Cependant, les mécanismes pathologiques de la DM1 dans le cerveau restent encore peu compris. Afin de disséquer ce mécanisme, notre laboratoire a créé des souris transgéniques exprimant le transcrit DMPK avec de larges expansions CUG dans de nombreux tissus. Ces souris nommées DMSXL, recréent d’importants aspects pathologiques de la DM1, comme des anomalies du comportement et électrophysiologiques du cerveau. Elles représentent donc un excellent outil pour explorer l’effet pathologique de la mutation dans le SNC. En m’appuyant sur ce modèle, j’ai exploré dans un premier temps l’effet trans des ARNs toxiques et l’ampleur de la splicéopathie dans le SNC. De façon intéressante, certains défauts d’épissage sont régions spécifiques, et ne montrent pas d’aggravation avec l’âge des souris DMSXL. Mes résultats démontrent que les ARNs mutés sont capables de déréguler l’épissage alternatif dans l’ensemble du SNC. La région du cervelet a aussi montré des anomalies de l’épissage dans les souris DMSXL, qui, en plus, présentent des perturbations cognitives dépendantes de cette région cérébrale. Le cervelet des souris DMSXL présente aussi des déficits électrophysiologiques suggérant une dysfonction cérébelleuse et plus précisément une dysfonction des cellules de Purkinje. Dans la recherche des populations cellulaires les plus affectées dans le cervelet, j’ai démontré la présence de signes de la toxicité de l’ARN plus marqués dans la glie de Bergman, entourant les cellules de Purkinje. Pour trouver les voies moléculaires perturbées dans le cervelet, et disséquer le mécanisme derrière les anomalies observées, j’ai réalisé une approche protéomique globale et trouvé une sévère baisse de l’expression du transporteur glial de glutamate GLT1/EAAT2, suggérant une dysfonction du cervelet, en conséquence d’un possible métabolisme anormal du glutamate. L’analyse protéomique globale du cerveau des souris DM1 a aussi identifié des différences d’expression et des modifications post-traductionnelles de protéines impliquées dans la signalisation du calcium. L’étude du métabolisme des ARNm dans la DM1 a mis en évidence la dérégulation de l’épissage de gènes impliqués dans le métabolisme du calcium, soutenant l’hypothèse d’une dysfonction calcique dans le SNC. Pour étudier les conséquences de la mutation sur les variations calciques cellulaires, j’ai caractérisé un modèle cellulaire astrocytaire de la DM1. Ce modèle m’a permis de démontrer une localisation anormale du récepteur GRIN1/NMDAR1, ainsi qu’une réponse calcique anormale dans les astrocytes primaires porteurs des amplifications CTG. Malgré les avancés thérapeutiques dans le muscle, on ne sait pas à quel point les stratégies en cours de développement sont efficaces dans le SNC. Pour étudier ce problème, j’ai utilisé le modèle astrocytaire de la DM1 afin de valider in cellulo une stratégie thérapeutique qui vise à rétablir une activité normale du facteur d’épissage MBNL1 endogène. Mes travaux de thèse ont permis d’avancer dans la compréhension de la neuropathologie de la DM1. Ils ont mis en évidence pour la première fois une dysfonction du cervelet, ainsi que la possible dérégulation de la voix calcique dans le SNC. Mes résultats ont donc contribué à mieux comprendre le mécanisme de la DM1 dans le SNC, pour, à long terme, développer des approches thérapeutiques ciblant des évènements moléculaires précis. / Myotonic dystrophy type 1 (DM1) is the most frequent inherited muscular disorder in adults. Although traditionally regarded as a muscle disease, DM1 presents debilitating neurological manifestations. DM1 is an autosomic dominant disease caused by the abnormal expansion of a CTG triplet within the 3’UTR of the DMPK gene. Many molecular aspects of the DM1 are mediated by a trans effect of the expanded DMPK transcripts, whose accumulation leads to splicing deregulation in many tissues. Despite recent progress in the understanding of DM1 pathogenesis in muscle and central nervous system (CNS), the detailed molecular disease mechanism operating in the brain is still poorly understood. In order to investigate the pathophysiology, our laboratory has generated DMSXL transgenic mice expressing DMPK transcripts containing large CUG expansions in many tissues. DMSXL mice mimic important features of the DM1, notably in the CNS, showing behaviour as well as electrophysiological abnormalities. Therefore, this mouse line represents an excellent tool to investigate the toxic effects of the mutation in the CNS. Taking advantages of this transgenic model, I have first explored the trans effect of the toxic RNA and the extent of DM1-associated spliceopathy in the CNS. Interestingly, some splicing defects were region-specific, and their severity did not increase with the age of the DMSXL mice. My data demonstrate that CUG-containing RNAs have a wide deleterious effect and deregulate alternative splicing in many areas of the CNS. In addition to splicing abnormalities in cerebellum, DMSXL mice also displayed deficits in cerebellum-dependant motor coordination. Plus, DMSXL cerebellum showed electrophysiological abnormalities, suggesting cerebellar dysfunction and more precisely Purkinje cell dysfunction. In the search for the cellular populations showing the greatest susceptibility to RNA toxicity in the cerebellum, I have found extensive foci accumulation as well as pronounced splicing defects in the Bergman glia, surrounding Purkinje cells, in DMSXL and DM1 patients cerebellum. In order to identify molecular pathways and mechanisms behind the behaviour and electrophysiological abnormalities detected, I have performed a global proteomics approach and found a severe decrease in the expression of a glial glutamate transporter GLT1/EAAT2, suggesting that DM1 causes cerebellum dysfunction, through abnormal glutamate metabolism. Global proteomic analysis of DMSXL cerebellum also identified expression and post-translational changes of several proteins involved in calcium signalling. Missplicing of different transcripts involved in calcium metabolism reinforces the idea of calcium dysfunction in the neuropathogenesis of the DM1. To study the effects of toxic RNA on calcium homeostasis and flux, I have established and characterised a brain cell model of DM1. DMSXL primary astrocyte cultures allowed me to show the mislocalisation of the glutamate receptor GRIN1/NMDAR1, as well as abnormal calcium responses to stimulation. Despite recent therapeutic advances in muscle, we do not know the CNS efficiency of the therapeutic strategies currently being developed. To address this problem, I have used the DM1 astrocyte cell model to validate in cellulo a therapeutic strategy aiming to restore the activity of the endogenous splicing factor MBNL1. My thesis work provided a significant step in the understanding of the DM1 pathology in the CNS. My results revealed for the first time signs of cerebellum dysfunction in DM1, as well as signs of calcium homeostasis deregulation in the SNC. My work contributed to better understand the pathological mechanisms of DM1, the brain pathways and cell types most susceptible to toxic RNA. In the long term, my data will contribute to the rational development of therapeutic strategies targeting precise and deleterious molecular events.

La cellule de Purkinje (CP) est la seule sortie anatomique du cortex cérébelleux. Des études récentes ont montré que les récepteurs NMDA (NMDA-R) jouaient un rôle essentiel dans le Depression à long terme (DLT) à la synapse entre les fibres parallèles (FP) et les CPs. Les NMDA-Rs pourraient jouer un rôle prépondérant dans l’intégration des informations somato-sensorielles des FPs et ainsi contribuer au rôle du cervelet dans l'apprentissage moteur. Nous montrons que les NMDA-Rs sont fonctionnels et recrutés uniquement lors de patrons de décharges des FPs haute fréquences. Ces résultats étant potentiellement liés aux propriétés biophysiques des NMDA-Rs, nous avons démontré que la PLT dépend des NMDA-Rs comportant les sous unité GluN2A et que l'expression post synaptique de la plasticité s'effectuait à travers une diffusion anterograde du monoxyde d'azote (MA). De plus, nous avons confirmé et disséqué les propriétés de filtre passe haut des NMDA-Rs in vivo et in vitro.Nous avons montré que la PLT nécessitait des trains d'activité des FPs plus long que dans le cadre de la DLT, nous postulons que la quantité de MA produite est plus importante lors de l'induction de PLT. Utilisant nos données, nous avons implémenté un model mathématique de plasticité à la synapses FP-CP pouvant prédire le signe de plasticité synaptique selon les patrons d'activité rencontrés par cette synapse. / Synaptic plasticity is thought to be the cellular mechanism underlying learning and memory and has been the subject of intense experimental and theoretical research. The experimental work has led to detailed knowledge of the receptors and signalling pathways involved in the induction of different types of synaptic plasticity. In parallel, theoretical studies have built ’plasticity rules’, formal descriptions linking spike timings to changes in synaptic efficacy, such as the spike-timing-dependent plasticity (STDP) rule [Gerstner et al., 1996, Song et al., 2000]. However, these plasticity rules are generally quite abstract and their link to the underlying biophysical mechanisms is often unclear. The best known mechanisms in synaptic plasticity are linked to N-methyl-D-aspartate receptor (NMDA-R) function. NMDA-Rs are biophysical coincidence detectors of glutamate and membrane depolarization [Mayer et al., 1984, Nowak et al., 1984]. The activation of postsynaptic NMDA-Rs defines learning rules where the relative timing of pre- and post-synaptic activity is a key parameter [Debanne et al., 1994, Nevian and Sakmann, 2006, Sjostrom et al., 2003]. In the few cases where the participation of presynaptic NMDA-Rs has been proposed, these have invariably been involved in presynaptically-expressed LTD [Rodríguez-Moreno and Paulsen, 2008b, Sjostrom et al., 2003]. Cerebellar parallel fibre-Purkinje cell (PF–PC) synaptic plasticity follows non-Hebbian plasticity rules. We have previously reported that PF-PC LTD induction needs PF bursting activity (at least pairs of spikes) [Bidoret et al., 2009] and is linked to the presence of presynaptic NMDA-Rs [Casado et al., 2002b]. In this thesis, we set out to characterise the activity requirements for bidirectional synaptic plasticity in young and adult animals, and to investigate the signalling pathways involved. Surprisingly, we found that LTP induction shares many properties with LTD induction, including a similar frequency-dependence for presynaptic activity and an absolute requirement for NMDA-R activation and NO production. However, LTP requires a different source of post-synaptic calcium increase [Ly et al., 2013a]. In contrast with other synapses [Bender et al., 2006, Fino, 2010], our data indicate that both LTP and LTD share signalling mechanisms. These involve presynaptically produced NO and postsynaptic Ca rises. Supporting the notion that the frequency dependence of plasticity arises from the involvement of presynaptic NMDA-Rs, we provide the first direct evidence for Ca influx through presynaptic NMDA-Rs in PFs in young and adult animals, settling a long-lasting controversy [Bidoret et al., 2009, Casado et al., 2002a, Shin and Linden, 2005a, Wang et al., 2014a]. Based on our data, we propose a novel mechanistic plasticity rule. This deliberately parsimonious rule can be used to interpret and predict the plasticity arising from arbitrary patterns of PF and climbing fibre (CF) activity. Our results support the notion that bidirectional synaptic plasticity depends on multi-spike activity patterns in an intricate fashion [Bidoret et al., 2009, Froemke and Dan, 2002, Pfister and Gerstner, 2006, Sjöström et al., 2001].

L’ischémie cérébrale est caractérisée par une interruption totale ou partielle de l’apport sanguine au cerveau, conduisant à une privation d’oxygène et de glucose pour les cellules du cerveau. La série de processus cellulaires qui sont déclenchées par une ischémie cérébrale sont nombreux et complexes. La réduction sévère d’oxygène et de glucose la diminution de la production d’ATP et un changement drastique de la concentration de K+, du pH intracellulaire et extracellulaire et de la production de lactate. La perturbation du métabolisme énergétique au sein des tissus ischémiés conduit rapidement à la dépolarisation membranaire et au relarguage de neurotransmetteurs dans le milieu extracellulaire. Dans le cervelet, l’impact d’un stress ischémique à largement été étudié sur les cellules de Purkinje, seule voie de sortie neuronale du cortex cérébelleux. Il a été montré que le glutamate, relargué par une surexcitation des fibres glutamatergique et par l’inversion des transporteurs du glutamate, est la cause principale de la dépolarisation anoxique des cellules de Purkinje. Cependant, la compréhension de la réponse astrocytaire et l’influence des astrocytes vis-à-vis de l’ischémie ne sont pas encore connu.La cellule de Bergmann est un astrocyte radiaire qui compose un réseau couplé électriquement, formant des interactions anatomiques et fonctionnelles complexes avec les neurones du cortex cérébelleux. En utilisant un modèle in vitro d’ischémie cérébrale, la privation d’oxygène et de glucose (OGD), plusieurs caractéristiques de base de la réaction astrocytaire à l'ischémie sont analysés. Des expériences en patch clamp et d’imagerie calcique sont réalisées sur tranche de cervelet adulte révélant la réponse de la glie de Bergmann à l’OGD par une dépolarisation progressive de la membrane, avec en parallèle une augmentation de calcium cytosolique soutenue. L’enregistrement apparié entre cellule de Purkinje et cellule de Bergmann révèle des différences importantes de réponse à l’OGD entre ces deux types cellulaires. De plus, nous avons mesuré les changements de la concentration de K+ extracellulaire durant l’OGD en utilisant des microélectrodes sensibles aux ions. Nos résultats montrent une corrélation importante entre la dynamique du K+ extracellulaire et la dépolarisation membranaire de la cellule de Bergmann au cours de l’OGD. / Cerebral ischemia is characterized by partial or total interruption of the blood supply to the brain resulting in glucose and oxygen deprivation to brain cells. The series of cellular processes that are unleashed by cerebral ischemia are complex. The severe reduction in oxygen and glucose induces decreases in ATP production and dramatic changes in extracellular K concentration, pH of intracellular and extracellular space and lactate production. The disruption of energy metabolism in the ischemic tissue rapidly lead to membrane depolarisation and neurotransmitters are released into the extracellular space. In the cerebellum, the impact of an ischemic stress has been extensively studied in Purkinje cells, the only neuronal output of the cerebellar cortex. It has been shown that glutamate released from overexcited fibers and from reversal of glutamate transporters, is the principal cause of the dramatic, anoxic depolarization in Purkinje cells. However a detailed understanding of the astrocytic response to cerebellar ischemia and the potential influence of astrocyte to ischemia outcome is still lacking.Bergmann glia (BG) are radial gial cells that form networks of electrically coupled cells underling complex anatomical and functional interactions with the neurons of the cerebellar cortex. Using an in vitro model of cerebral ischemia, the oxygen and glucose deprivation (OGD), several basic features of astrocytic reaction to ischemia are analyzed. Patch clamp and calcium imaging experiments performed in cerebellar slices from adult mice revealed that BG respond to OGD with a progressive membrane depolarisation that is paralleled with a sustained cytosolic calcium increase. Double patch-clamp recordings between Purkinje neurons and BG reveal different responses to OGD in these cell types. Furthermore, we measured extracellular potassium concentration changes during OGD by using ion-sensitive microelectrodes. Our results indicate an important correlation between the BG membrane depolarisation and the extracellular K dynamics during OGD.

Le cervelet est indispensable à la coordination motrice ainsi qu’au maintien de la posture. Le traitement de l’information dans le cortex cérébelleux repose sur une organisation modulaire : chaque module est impliqué dans le contrôle de muscles spécifiques. Des lésions focales du cervelet entrainent des troubles moteurs dans une région précise du corps, conduisant à des pathologies telles que l’ataxie. Ce travail vise à comprendre comment les modules cérébelleux traitent l’information sensorimotrice, communiquent entre eux et leur implication dans la coordination motrice chez la souris. Des approches optiques et électrophysiologiques ont permis d’établir les cartes de connexions synaptiques entre différents modules. L’étude du développement de ces cartes a démontré que la mise en place des synapses entre des modules distants coïncide avec l’émergence de la locomotion. L’emploi de modèles de perturbation de la locomotion a démontré que les cartes synaptiques sont réorganisées suite à l’adaptation de la coordination motrice. Ce projet apporte de nouvelles hypothèses quant au contrôle de la coordination motrice en conditions normales et pathologiques. / The cerebellum is essential for motor coordination and to learn new motor skills. In the cerebellar cortex, information processing is based on a modular organization: each module is involved in the control of specific motor units. Localized lesions of the cerebellum impair coordinated movements in only one part of the body and lead to movement disorders like ataxia. This project aims to understand how cerebellar modules communicate, process incoming information and how they relate to coordinated movements in mice. We combine optical and electrophysiological approaches in vitro in order to determine the functional synaptic maps between different modules. The development of these maps revealed that the establishment of connections between distant modules coincide with the appearance of motor coordination in mice. Using models of motor alteration, we showed that synaptic maps are reorganized following motor adaptation. The results bring new hypotheses about the control of motor coordination in normal and pathological conditions. Future directions will be to assess how a specific activation of identified modules may compensate for motor impairments.

Les médulloblastomes (MB) sont les tumeurs cérébrales les plus fréquentes en pédiatrie. Ils apparaissent le plus souvent au niveau du cervelet. Ils peuvent être stratifiés en quatre groupes : les groupes WNT et SHH, où ces voies de signalisation sont altérées, et les groupes 3 et 4, présentant des anomalies chromosomiques et amplifications multiples, dont c-Myc (groupe 3) et N-Myc (groupe 4). L’une des altérations génétiques les plus retrouvées dans les MB est la surexpression du facteur de transcription OTX2. Ce facteur est exprimé dans les précurseurs des cellules granulaires (GCP) du cervelet, cellules d’origine de la majorité des MB. Pendant la période périnatale, les GCP subissent une phase de prolifération très intense en réponse au mitogène Sonic Hedgehog (SHH), ce qui les rendrait particulièrement sensibles à la tumorigenèse. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressé à la fonction d’Otx2 dans ces GCP. Nous avons montré que l’ablation conditionnelle d’Otx2 conduit à un défaut de prolifération des ces cellules. L’analyse approfondie de ce phénotype a permis de révéler qu’Otx2 stimule la prolifération des GCP parallèlement à la voie de signalisation Shh. Par ailleurs, l’ablation d’Otx2 dans un modèle murin mimant la formation de MB Shh-dépendants a montré qu’Otx2 s’avère indispensable pour leur maintien à long terme. En parallèle, nous avons tenté de créer un nouveau modèle murin mimant la formation de MB de groupe 3 en induisant l’expression, pendant la période postnatale, d’un dominant actif de c-Myc dans les cellules exprimant Otx2. Cette approche a donné des résultats inattendus : des carcinomes de plexus choroïdes, et non des MB, ont été obtenus. / Medulloblastomas (MB) are the most common brain tumors in paediatrics. They appear during development in the posterior part of the brain, mainly in cerebellum. MB can be stratified in four groups: the WNT and SHH groups, where these signalling pathways are aberrantly activated, and the groups 3 and 4, which display chromosomal abnormalities and multiple amplifications, including c-Myc (group 3) and N-Myc (group 4). One of the most frequent genetic alterations in MB is the overexpression of the Otx2 transcription factor (in 75% of cases). This factor, which is essential for central nervous system development, is expressed in granule cell precursors (GCP) of the cerebellum, which represent the cell of origin of the majority of MB. During the perinatal period, GCPs undergo intense proliferation in response to Sonic Hedgegog (SHH), making them particularly susceptible to tumorigenesis. During this thesis, we were interested in examining the function of Otx2 in GCPs. We have shown that conditional ablation of Otx2 leads to a GCP proliferation defect and that Otx2 stimulates the proliferation of these cells independently of the Shh signaling pathway. Moreover, ablation of Otx2 in a mice model of Shh-dependent medulloblastomas yielded very interesting results: while Otx2 does not seem to be required for the initiation of these tumors, it is essential for their long-term maintenance. In parallel, we tried to create a new murine model for the MB group 3 by inducing the expression, during the postnatal period, of an active dominant of c-Myc in cells expressing Otx2. This approach yielded unexpected results: choroid plexus carcinomas, instead of MB, were obtained.

Les récepteurs métabotropiques du glutamate (mGlus) sont connus pour moduler la transmission excitatrice dans le système nerveux central. Parmi ces récepteurs, ceux localisés au niveau de la pré-synapse, exercent un rôle d’autorécepteur, entrainant une diminution de la libération de glutamate à la suite de leur activation. L’étude du rôle fonctionnel de tel ou tel sous-type de mGlus est complexe compte-tenu du manque d’outils pharmacologiques sélectifs permettant de cibler spécifiquement un sous-type mGlus donné. Dans un premier temps, nous avons, par des techniques d’électrophysiologie et de fluorométrie calcique, validé de nouveaux outils pharmacologiques spécifiques de mGlu2 (un « nanobody » modulateur allostérique positif, PAM) et mGlu4 (OptoGluNAM4.1, un modulateur allostérique négatif, NAM), respectivement sur tranches d’hippocampe et de cervelet de rongeur. Nous avons ensuite, au sein du cortex cérébelleux, utilisé l’OptoGluNAM4.1 pour démontrer pour la première fois, l’implication de mGlu4 dans un contexte physio-pathologique: l’ischémie cérébelleuse. A l’aide d’outils pharmacologiques plus classiques nous avons également pu mettre en évidence, au sein des synapses qu’établissent les fibres parallèles avec les cellules de Purkinje l’existence d’un “dialogue” entre les récepteurs mGlu4 et les récepteurs A1 (récepteurs à l’adénosine de type 1), conséquence d’intéractions fonctionnelles entres les voies de signalisation de ces récepteurs présynaptiques dimériques et/ou conséquence de l’association physique de ces récepteurs au sein d’hétérodimères, fonctionnels. / Metabotropic glutamate receptors (mGlus) are known to modulate excitatory transmission in the Central Nervous System. Among them, those situated at the pre-synaptic level behave like autoreceptors, their activation leading to a decrease in glutamate release. Functional studies of the different mGlus have been hampered by the lack of selective pharmacological tools specifically targeting a given subgroup of these receptors. As a first step, using electrophysiological and calcium fluorometry techniques, we validated new specific pharmacological tools acting on mGlu2 (a nanobody, positive allosteric modulator, PAM) and mGlu4 (OptoGluNAM4.1, a negative allosteric modulator, NAM) on rodent hippocampal and cerebellar slices, respectively. We then used the OptoGluNAM4.1 in the cerebellar cortex to demonstrate, for the first time, the involvement of mGlu4 in a physiopathological condition: cerebellar ischemia. Using more conventional pharmacological tools, we were also able to show the existence of a dialog between mGlu4 and A1 (Adenosine type 1) receptors at the level of the synapse between parallel fibers and Purkinje cells. Whether this dialog results from functional interactions between the signaling pathways of these pre-synaptic dimeric receptors and/or is a consequence of their physical association in heterodimers is presently under study.

« - Comment apprécions-nous la complexité du monde qui nous entoure ?- En bougeant nos yeux !- Pourquoi ?- Parce qu’une perception visuelle efficace (avec une acuité maximale !) nécessite de placer l’image des éléments pertinents du champ visuel au niveau d’une petite partie de notre rétine : la fovéa. » Les saccades oculaires sont les mouvements les plus rapides que peut produire notre organisme et sont malgré tout très précises. Le contrôle de ces mouvements représente un défi pour notre cerveau. En effet, ces saccades sont tellement rapides qu’aucune information visuelle ne peut modifier leur trajectoire en cours d’exécution. Mais alors, de quels moyens dispose notre cerveau pour maintenir ces performances tout au long de notre vie? En cas d’imprécision répétée, des mécanismes vont progressivement modifier l’amplitude de nos saccades oculaires afin d’en rétablir la précision. Cette adaptation saccadique repose sur des modifications centrales plastiques. Ce travail de thèse a comme vocation d’élucider les caractéristiques de l’adaptation saccadique chez l’homme. Des approches complémentaires ont permis d’étudier d’une part, l’adaptation des deux grandes catégories de saccades, réactives et volontaires, et d’autre part, l’adaptation en diminution et en augmentation d’amplitude. Nos données permettent de disséquer les mécanismes d’adaptation saccadique dans leur complexité et de mettre en évidence des structures neuronales indispensables à leur mise en place. Notre travail constitue également le support pour le développement de nouvelles procédures de rééducation, basées sur la plasticité oculomotrice. / “- How can we appreciate the complexity of the surrounding word? - By moving our eyes! - Why? - Because an efficient visual perception (with a maximal acuity!) necessitates placing the image of pertinent element from the visual scene at the level of a small part of our retina: the fovea.” Ocular saccades are the fastest movements our organism can produce and they are also highly precise. The control of these movements is a challenge for our brain. Indeed, these saccades are so fast that no visual information can be used during their execution to modify their trajectory. But then, what means does our brain have to maintain these performances all life long? In case of repeated inaccuracies, some mechanisms will progressively modify the amplitude of our ocular saccades in order to restore accuracy. This saccadic adaptation relies on central plastic modifications. The work of this doctorate has the vocation to elucidate the characteristics of saccadic adaptation in Human. Complimentary approaches allowed to study on one side, the adaptation of the two main saccade categories, reactive saccades and voluntary saccades, and on another side, the adaptation decreasing and increasing saccade amplitude. Our data dissects the complexity of mechanisms underlying saccadic adaptation and highlights the neural substrates necessary for these adaptive changes to take place. Our work constitutes also the basis for the development of new rehabilitation procedures, usingoculomotor plasticity.

Durant les dernières décennies, le système moteur a été largement étudié. Pourtant, bien des zones d'incertitudes persistent concernant d'une part la nature des circuits neuronaux de haut niveau impliqués dans l'émergence des sentiments d'intention ou de conscience motrice et d'autre part l'organisation des structures cérébrales de bas-niveau impliquées dans l'expression de ces sentiments. Il a été suggéré que le cortex pariétal et l'aire motrice supplémentaire pourraient jouer un rôle dans la génération des intentions motrices, alors que le cortex prémoteur pourrait plutôt sous-tendre la conscience du geste. Cela étant, les processus exacts implémentés dans chacune de ces régions, la façon dont elles interagissent fonctionnellement et la nature des signaux qu'elles échangent avec les structures sensorimotrices considérées de bas-niveau demeurent méconnus. Il est établi que ces structures bas-niveau, dont le cortex moteur primaire et le cervelet, contiennent des cartes sensorimotrices organisées de manière topographique. Cependant, l'organisation fine de cette topographie et la nature des interactions entre les différentes cartes restent à définir. Dans ce travail de thèse, j'ai utilisé la stimulation électrique directe chez des patients opérés de tumeurs et malformations cérébrales pour explorer la manière dont les multiples représentations motrices sont organisées et pour identifier les régions responsables de l'émergence des sentiments d'intention et de conscience motrice. J'ai alors pu montrer, en particulier, l'existence de cartes motrices multiples au sein des cortex moteur primaire et cérébelleux. Par ailleurs, j'ai pu identifier le rôle critique du cortex pariétal pour l'émergence du sentiment d'intention motrice et -sur la base de processus prédictifs- de la conscience d'agir. Par rapport à ce point, j'ai aussi pu mettre en évidence que le cortex prémoteur était impliqué, à travers un contrôle continu des prédictions pariétales, dans l'émergence d'une conscience d'agir non plus inférée mais véritable / During the last five decades, the motor system has been widely studied. Yet, little is known about the neural substrate of high-level aspects of movement such as intention and awareness and how these functions are related to low-level movement execution processes. It has been suggested that the parietal cortex and supplementary motor area are involved in generating motor intentions, while premotor cortex may play a role in the emergence of motor awareness. However, the precise mechanisms implemented within each of these areas, the way they interact functionally and the nature of the signals conveyed to primary sensory and motor regions is far from being understood. Furthermore, intention and awareness of movement are also influenced by peripheral information coming from the skin, muscles and joints, and this information must be integrated to produce smooth, accurate and coordinated motor actions. Cortical and subcortical structures such as the primary motor cortex and the cerebellum are known to contain motor maps thought to contribute to motor control, learning and plasticity, but the intrinsic organization of these maps and the nature of their reciprocal relations are still unknown. In this thesis I used Direct Electrical Stimulation in patients undergoing brain surgeries to investigate how multiple motor representations are organized and identify the regions responsible for the emergence of conscious motor intention and awareness. I showed, in particular, the existence of multiple efferent maps within the cerebellum and the precentral gyrus. Furthermore, I identified the critical role of the parietal cortex for the emergence of conscious intention and -based on predictive processes- motor awareness. I also provided evidence that the premotor cortex is involved in "checking" parietal estimations, thus leading to a sense of "veridical awareness"

Les carences précoces en donneurs de méthyles (vitamines B9 et B12 notamment) sont à l’origine de malformations congénitales. Elles exercent un effet délétère sur le développement du cerveau et sont associées à une augmentation de l’incidence de pathologies neurologiques et neurodégénératives à l’âge adulte. Un modèle murin de carence en donneurs de méthyles, le modèle MDD, a été développé au laboratoire et a permis d’étudier la réponse à cette carence, et de mettre en évidence des altérations de la structure cérébrale et des défauts de locomotion chez les ratons issus de mères carencées. Ce comportement est contrôlé par le cervelet, dont on sait que le développement est altéré chez les MDD. En revanche, les mécanismes moléculaires mis en jeu dans la réponse à la carence dans le cervelet restent peu compris. Afin d’étudier les gènes et voies de signalisation dérégulés chez les MDD, nous avons réalisé l’étude du transcriptome du cervelet des ratons carencés. Puis, nous nous sommes intéressés aux modifications épigénomiques engendrées par la carence en analysant leur miRnome et les modifications des protéines histones dans leur cervelet. Nous avons mis en évidence des altérations des voies wnt, dans le cervelet des femelles carencées, qui n’ont pas été retrouvées chez les mâles. De même, de nombreux gènes impliqués dans le développement et les fonctions synaptiques sont dérégulés chez les femelles. Nous avons aussi montré des variations de plusieurs marques d’acétylation et de méthylation des histones chez les MDD. Enfin, de manière plus ciblée, nous avons mis en évidence un miARN dont l’expression diminue dans le cervelet des ratons carencés : miR-344-5p. Nos premiers résultats semblent indiquer qu’il est impliqué dans le contrôle de la mort cellulaire. Ces résultats montrent l’implication de dérégulations globales dépendantes du sexe mais aussi des altérations ciblées dans la réponse à la carence. Une amélioration de la compréhension de ces mécanismes moléculaires nous permettra de mieux appréhender le lien qui existe entre carence précoce en donneurs de méthyles, développement cérébral et incidence de pathologies à l’âge adulte / Early methyl-donor deficiencies (e.g. B9 and B12 vitamins) can lead to congenital disabilities. They are behind developmental abnormalities of the brain, and are associated with the development of neurological and neurodegenerative diseases at adulthood as well. In the lab, we developed a methyl donor deficiency rat model called MDD. It has allowed us to show structure alterations of several brain areas and also locomotor coordination impairments in pups born from dams fed a MDD diet. Cerebellum is the brain structure involved in the control of this behavior and we know its development is delayed in MDD. However, the molecular mechanisms underlying methyl donor deficiency still remain misunderstood in this brain structure. In order to study genes and signaling pathways dysregulated in MDD, we performed transcriptomic analysis of deficient pups’ cerebellum. We also led miRnome analyses and histone modifications investigations with the purpose of understanding epigenomic modifications caused by MDD. We showed alterations of wnt signaling pathways in female’s cerebellum which we did not find in males. We also found that several genes involved in cerebellum’s development and synaptic function were dysregulated in females. Regarding epigenomic regulation, acetylation and methylation of histone marks were also modified in females. Finally, we chose miR-344-5p as an interesting candidate to study more specific epigenetic modifications. Its expression is decreased in MDD and it seems to be involved in cellular death control, according to our first results. These results shed light on global dysregulations, in a sex-dependent manner, as a consequence of methyl donor deficiency but also more specific alterations. A better understanding of the molecular mechanisms taking place in response to MDD could help us to link methyl donor deficiency, brain development and neurodegenerative pathologies occurrence at adulthood

Les Troubles Obsessionnels et Compulsifs (TOC) sont un trouble mental sévère et fréquemment résistant. La physiopathologie du trouble se caractérise par des anomalies au sein des boucle cortico-striato-thalamo-cortical entrainant une hyper-activité du cortex orbito-frontal, du cortex cingulaire antérieur, du putamen. Au cours des dernières années, des anomalies structurales et fonctionnelles du cervelet ont de plus été mise en évidence dans les TOC venant compléter le modèle existant.Nous avons mise au point un protocole de traitement par tDCS ciblant le cortex orbito-frontal gauche et le cervelet droit pour les TOC résistants. Dans une première étude, nous avons étudié la faisabilité de ce protocole de traitement dans une étude ouverte. Cette étude a mis en évidence une réduction significative des symptômes dans une population de patient à haut niveau de résistance. Dans une deuxième étude, nous avons évaluer l’effet de ce traitement dans un protocole randomisé, contrôlé et parallèle contre placebo. Cette étude n’a pas confirmé l’efficacité de ce protocole de traitement. Dans cette même population, nous avons au cours du protocole mesuré les paramètres d’excitabilité corticale au niveau du cortex moteur par stimulation magnétique transrânienne. Nous avons ainsi mis en évidence que la tDCS provoquait une augmentation significative des processus d’inhibition (Short Interval Cortical Inhibition : SICI ) et une diminution non significative des processus de facilitation (Intra Cortical Facilitation : ICF). L’étude des effets cliniques et électro-physiologiques de cette approche thérapeutique novatrice dans les TOC résistants n’a pas permis de confirmer son intérêt clinique malgré un impact de ce protocole sur les modifications de l’excitabilité corticale inhérentes aux troubles. Ces données ont été mise en relation avec la littérature afin de proposer des perspectives d’évolution dans l’utilisation de la tDCS dans les TOC résistants / Obsessive-compulsive disorder (OCD) is a severe mental illness. OCD symptoms are often resistant to available treatments. Neurobiological models of OCD are based on an imbalance between the direct (excitatory) and indirect (inhibitory) pathway within this cortico-striato-thalamo-cortical loops, which causes hyperactivation in the orbito-frontal cortex, the cingular anterior cortex, the putamen. More recently, the role of cerebellum in the OCD physiopathology has been brought to light by studies showing structural and functional abnormalities. We proposed to use tDCS as a therapeutic tool for resistant OCD by targeting the hyperactive left orbito-frontal cortex with cathodal tDCS (assumed to decrease cortical excitability) coupled with anodal cerebellar tDCS. In a first study, we studied the feasibility of this treatment protocol in an open-trial. This study found a significant reduction in symptoms in a population with a high level of resistance. In a second study, we evaluated the effect of this treatment in a randomized-controlled trial. This study did not confirm the effectiveness of this intervention. We have assessed motor cortex cortical excitability parameters by transcranial magnetic stimulation. We thus demonstrated that the tDCS caused a significant increase of inhibition processes (Short Interval Cortical Inhibition: SICI) and a nonsignificant decrease in the facilitation processes (Intra Cortical Facilitation (ICF)). In addition, clinical improvement assessed by Clinical Global Impression at the end of the follow-up period (3 months) was positively correlated with SICI at baseline.tDCS with the cathode placed over the left OFC combined with the anode placed over the right cerebellum decreased hyper-excitability in the motor cortex but was not significantly effective in SSRI- resistant OCD patients. These works were discussed in light of the available literature to create future prospect in the field of tDCS treatment for OCD resistant patients