L’addiction aux drogues d’abus est un désordre psychiatrique caractérisé par une consommation compulsive de toxiques, au détriment d’activités alternatives plus bénéfiques à long terme, et malgré les conséquences négatives associées. Cette psychopathologie est ainsi de plus en plus conceptualisée comme le résultat d’une prise de décision pathologique, et l’un des plus grands enjeux de la recherche en addiction est de comprendre les bases neurobiologiques et physiopathologiques de ce dysfonctionnement. Devant les contraintes éthiques, techniques et pratiques inhérentes aux études neurobiologiques chez l’homme, il est important d’utiliser en parallèle des modèles animaux d’addiction. Malheureusement, la validité de la plupart de ces modèles est incertaine. En effet, la prise de drogue est bien trop souvent étudiée dans une situation où la drogue est la seule récompense disponible. Ainsi, dans ces conditions, il est difficile de déterminer si l’animal s’auto-administre une drogue par compulsion, ou simplement parce qu’il n’a pas d’autre activité alternative valable. Une série d’expériences menées dans notre laboratoire depuis plusieurs années a montré que lorsqu’un choix est donné entre une injection intraveineuse de cocaïne ou d’héroïne et un accès à une boisson sucrée, la vaste majorité des rats préfèrent l’eau sucrée. Une minorité de rats persévère cependant dans le choix de la drogue au détriment de l’accès à la boisson sucrée, et constituerait ainsi une population d’individus vulnérables à l’addiction. Au cours de ma thèse, mon principal objectif a été d’étudier les déterminants du choix entre prise de drogue (cocaïne et héroïne) et récompense alternative. Mes travaux de recherche ont permis de déterminer les mécanismes de choix utilisés par le rat, en testant la validité prédictive relative de plusieurs modèles de prise de décision. J’ai également contribué à la mise en évidence d’une interaction forte entre le contexte de choix, les effets directs de la drogue et les capacités cognitives spécifiques au rat. Cette interaction exerce une influence considérable sur le choix de la drogue chez le rat. Cette découverte pourrait conduire à une réinterprétation des expériences de choix menées chez le rat et soulève aussi des interrogations importantes sur la validité relative des procédures de choix pour modéliser l’addiction aux drogues. / Drug addiction is defined as a psychiatric disorder involving compulsive drug use, despite negative consequences, and is increasingly conceptualized as resulting from poor decision making with a preference bias towards the drug at the expense of other socially-valued behaviors. The most important challenge in current addiction research is to understand the physiopathology of this disorder. Animal models are important tools in addiction research, since they are less ethically and technically limited than human studies. However, preclinical research on drug addiction is typically performed in laboratory rats that are given ready access to drugs for intravenous self-administration but without other options. The lack of choice during drug access limits its validity for understanding the physiopathology of addiction. A series of studies from our laboratory has previously shown that when offered a mutually exclusive choice between pressing a lever to get sweet water or an alternative lever to receive an intravenous dose of cocaine or heroin, most rats prefer sweet water. Only a minority of rats persists in drug taking despite the availability of an alternative reward, and thus, appears to be more vulnerable to drug addiction. During my thesis, my main objective was to determine the psychological and behavioral determinants of choice between drugs of abuse (cocaine and heroin) and sweet water. This research allowed us to determine the decision-making processes underlying this choice, by testing the predictive validity of different decision-making models. Additionally, we evidenced a strong interaction between the choice setting, the drug’ direct effects and rats’ specific cognitive abilities that reliably influences drug choices in rats. This finding should lead to a novel interpretation of drug choice studies in rats and also raises important issues regarding the relative validity of choice procedures for modelling drug addiction.

L’addiction aux drogues est une maladie comportementale récidivante caractérisée par une recherche et une prise compulsive de drogues, une perte de contrôle sur la prise malgré les conséquences négatives et l’émergence d'un état émotionnel négatif lors de l’absence de la drogue. L’addiction implique des neuroadaptations cérébrales persistantes. Des études récentes montrent que le cholestérol joue un rôle crucial dans le fonctionnement cérébral en participant à divers processus cellulaires et, en particulier, au contrôle de la neurotransmission. L’objectif de ce travail de thèse consistait à étudier l’implication potentielle du métabolisme du cholestérol dans l’addiction et en particulier si ce métabolisme était affecté par les drogues d’abus. Dans ce travail, nous avons étudié l’expression de gènes codant des protéines impliquées dans le métabolisme du cholestérol cérébral après une consommation volontaire chronique d’alcool par des rats et après des injections aigues ou chroniques de cocaïne. Nous avons analysé l’expression de ces gènes dans des structures cérébrales impliquées dans l’addiction, notamment le cortex préfrontal, le noyau accumbens, l’amygdale et l’hippocampe. Nous avons trouvé que l’exposition à l’alcool et à la cocaïne modifient l’expression des protéines impliquées dans la synthèse, le transport et la dégradation du cholestérol de façon spécifique de la drogue, du traitement (aigu/chronique) et de la région cérébrale étudiée. Dans une deuxième partie de la thèse, nous avons utilisé une approche virale permettant de surexprimer la CYP46A1, l’enzyme de dégradation du cholestérol cérébral dans le cortex préfrontal afin d’évaluer l’impact de cette surexpression sur la recherche de cocaïne dans un modèle de rechute. La surexpression de la CYP46A1dans cette structure n’a eu aucun impact sur la recherche de cocaïne. Des études futures seront nécessaires pour déterminer si l’altération de l’expression de cette enzyme dans d’autres structures, comme par exemple le noyau accumbens, pourrait avoir des effets bénéfiques sur la rechute. L’ensemble de ces travaux montrent que l’exposition aux drogues d’abus modulerait le métabolisme cérébral du cholestérol dans certaines structures cérébrales. Ce projet de thèse ouvre de nouvelles perspectives quant au rôle du métabolisme du cholestérol cérébral dans l’addiction, et il pourrait en résulter de nouvelles thérapeutiques dans le traitement de cette maladie psychiatrique coûteuse. / Drug addiction is a chronic brain disease characterized by drug-seeking and compulsive drug taking, a loss of control over drug taking despite the negative consequences and the emergence of a negative emotional state in the absence of the drug. Addiction involves persistent neuroadaptations at the cerebral level. Recent evidences show that cholesterol plays a crucial role in brain function by participating in various cellular processes in particular in the control of neurotransmission. The aim of this thesis was to investigate the potential role of cholesterol in addiction and in particular a potential dysregulation of cholesterol metabolism in response to drugs of abuse. In this work, we investigated the expression of genes encoding proteins involved in the metabolism of cerebral cholesterol after a chronic voluntary consumption of alcohol from the rats and after acute or chronic exposure to cocaine. We analyzed gene expression in brain structures involved in addiction such as the prefrontal cortex, the nucleus accumbens, the amygdala and the hippocampus. We found that exposure to alcohol and cocaine modifies the expression of proteins involved in the synthesis, the transport and the degradation of cholesterol in drug-specific, treatment- specific (acute / chronic) and region-specific manners. In the second part of the thesis, we used a viral approach to overexpress CYP46A1, the cerebral cholesterol degradation enzyme in the prefrontal cortex, in order to evaluate the impact of this overexpression on cocaine-seeking in a model of relapse. The overexpression of CYP in this structure has no effect on drug-seeking for cocaine. Future studies are needed to determine whether altering cholesterol metabolism in other structures, for example the nucleus accumbens, may have beneficial effects on relapse. Altogether these studies show that exposure to drugs of abuse might modulate cerebral metabolism of cholesterol. This thesis project opens new perspectives on the role of cholesterol cerebral metabolism in addiction which may ultimately result in new therapeutic avenues for the treatment of this costly psychiatric disorder.

Nous avons étudié l'influence de la voie du cGMP sur le comportement d'auto-administration de cocaïne chez le rat. Les injections, dans le cortex préfrontal médian, de trois activateurs différents de cette voie diminuent le nombre d'injections que les rats déclenchent, indiquant une réduction de l'effet renforçant de la cocaïne et de leur motivation pour la drogue. Des études immunohistochimiques nous ont permis de mettre en évidence que cette effet comportemental s'accompagnait d'une diminution de l'expression de marqueurs épigénétiques (MeCP2, HDAC2) et d'une augmentation des niveaux d'acétylation des histones. Des résultats complémentaires confirment que la voie du cGMP est bien en mesure de réguler des protéines impliquées dans les mécanismes épigénétiques. La découverte d'une action via ces régulations nous permet de suggérer des pistes originales quant aux phénomènes mis en jeu dans la diminution observée des propriétés renforçantes de la cocaïne.

Les ganglions de la base (GB) sont un ensemble de structures sous-corticales interconnectées impliquées dans l'apprentissage et le contrôle moteur mais aussi dans des processus motivationnels. Le fonctionnement des GB est fortement dépendant de l'équilibre d'activité entre les voies directe (striatonigrale) et indirecte (striatopallidale) par lesquelles le striatum, la principale structure d'entrée du réseau, contrôle les structures de sortie. L'objectif de ce travail était de développer et caractériser un modèle d'ablation sélective des neurones de la voie directe pour appréhender leur rôle dans les comportements impliquant les GB. Ce modèle repose sur l'expression, par transgénèse additive, du récepteur humain à la toxine diphtérique (DT) couplé à la GFP sous le contrôle du promoteur du gène slc35d3 exprimé dans les neurones striatonigraux et pas dans les striatopallidaux. La caractérisation cellulaire a été réalisée 15 jours après injection unilatérale de DT dans le striatum dorsal. La spécificité de l'atteinte est vérifiée par la diminution sélective (70%) de l'expression génique du précurseur de la substance P, marqueur de la voie directe, sans changement de celle du précurseur des enképhalines, marqueur de la voie indirecte. Les populations d'interneurones sont préservées à l'exception des interneurones cholinergiques dont le nombre est réduit de 50%. Un faisceau d'arguments démontre que cette baisse ne serait pas due à un effet direct de la DT sur les interneurones cholinergiques mais serait secondaire à la perte des neurones striatonigraux, mettant en évidence un lien étroit entre ces deux populations. / The basal ganglia (BG) are a set of subcortical structures implicated in motor learning and motor function as well as in motivational processes. BG functioning is thought to be highly dependent on the balanced activity between the direct (striatonigral) and indirect (striatopallidal) pathways by which the striatum, the main input station of the network, controls the output structures. This study aimed at developing and characterizing a model of selective ablation of the direct pathway to decipher its specific role in BG-related functions and disorders. The promoter of the slc35d3 gene, which is enriched in the striatonigral neurons, has been used to drive expression of the human diphtheria toxin (DT) receptor coupled to GFP selectively in these neurons by additive transgenesis. The cellular characterization has been performed 15 days after unilateral DT injection in the dorsal striatum. The ablation specificity is demonstrated by the selective decrease (70%) in substance P precursor mRNA levels, a marker of the direct pathway, with no change in enkephalin precursor gene expression, a marker of the indirect pathway. Striatal interneuron populations are spared, except the cholinergic population, which is reduced by about 50%. Evidence is provided that this loss may not be a direct effect of DT but a consequence of striatonigral neuron loss, revealing their crucial role for cholinergic interneuron viability. Then, we analyzed the functional consequences of the bilateral lesion of the striatonigral pathway (50-60% neuronal loss) either in the dorsal striatum or in the nucleus accumbens (NAc).

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La dépendance à la cocaïne est un problème de santé publique d'importance croissante. Il n'existe pas actuellement de traitement pharmacologique validé dans la dépendance à la cocaïne. Les essais thérapeutiques nécessitent une méthodologie qui permette d'évaluer l'efficacité des médicaments employés. Il n'existait pas à ce jour de mesure d'efficacité des traitements pharmacologiques dans la dépendance à la cocaïne validée en français. Nous avons mis au point et validé des questionnaires pouvant servir de mesures intermédiaires d'efficacité pour les essais pharmacologiques dans la dépendance à la cocaïne. Nous avons choisi de nous intéresser à deux types de variables intermédiaires : le craving et les symptômes psychotiques. Le craving est le besoin impérieux de reconsommer une drogue. Ce concept psychologique est un marqueur de dépendance. Nous avons conçu un questionnaire de craving en langue française : l'OCCS (Obsessive Compulsive Cocaïne Scale), en nous basant sur les travaux de plusieurs équipes travaillant dans le domaine de la dépendance à l'alcool. Nous avons validé ce questionnaire sur une population de 119 sujets cocaïnomanes suivis en centre de soins (Vorspan et al 2012). Nous avons notamment montré que les scores à ce questionnaire étaient corrélés à une mesure de craving par échelle visuelle analogique, étaient supérieurs chez les sujets dépendants par rapport aux sujets abuseurs de cocaïne, et étaient sensible au changement. Nous avons déjà utilisé le questionnaire de craving OCCS dans un essai thérapeutique en ouvert d'aripiprazole chez 10 patients dépendants du crack non schizophrènes (Vorspan et al 2008). Nous proposons également de l'utiliser pour évaluer l'efficacité d'interventions non pharmacologiques dans la dépendance à la cocaïne, comme la stimulation cérébrale profonde (Vorspan et al 2011), ou des interventions psychothérapeutiques. Les symptômes psychotiques se composent de différentes manifestations (hallucinations, idées délirantes et modifications comportementales). Nous avons choisi d'adapter en français un questionnaire évaluant les symptômes psychotiques transitoires survenant dans les quelques minutes à quelques heures suivant une consommation de cocaïne : le SAPS-CIP (Scale for Assessment of Positive Symptoms for Cocaine-Induced Psychosis). Nous avons montré que ces symptômes sont fréquents mais d'intensité variable dans une population de patients cocaïnomanes suivis en centre de soins (Vorspan et al, soumis), et qu'ils étaient sensibles au changement (Vorspan et al 2011). Il existe des hypothèses de vulnérabilité génétique à la survenue des symptômes psychotiques lors de l'usage de cocaïne. La vulnérabilité à cette complication pourrait être un facteur de protection vis-à-vis de l'acquisition d'une dépendance à la cocaïne (Brousse et al 2010). La mesure des symptômes psychotiques survenant lors de l'usage de drogue permet de modéliser une vulnérabilité pharmacogénétique vis-à-vis des addictions. Nous proposons d'utiliser ces deux mesures (OCCS pour le craving et SAPS-CIP pour les symptômes psychotiques) dans les essais thérapeutiques dans la dépendance à la cocaïne. En effet, il paraît pertinent, au regard des particularités cliniques de la dépendance à la cocaïne, de viser une réduction ou une disparition de ces deux ordres de symptômes. Une diminution du craving pourrait constituer une variable intermédiaire de l'objectif final d'obtenir une abstinence de la drogue. Une diminution des symptômes psychotiques pourrait constituer un moyen de réduction de la morbi-mortalité liée à l'usage de cocaïne.

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La consommation répétée de drogues induit une plasticité cérébrale, qui pourrait sous-tendre le développement de la dépendance. La protéine phosphatase de type 1 (PP1) étant un acteur majeur de ces processus, nous nous sommes intéressés à sa régulation par la cocaïne. Nous avons montré qu’un traitement chronique par la cocaïne induit la répression du gène codant la sous-unitécatalytique β de PP1 (PP1Cβ), via l’hyperméthylation de sa région promotrice et le recrutement de la protéine de liaison à l’ADN méthylé, Mecp2. Cette répression, observée dans les principales structures du système de récompense du Rat, pourrait favoriser l’état phosphorylé des récepteurs NMDA et AMPA du glutamate et du facteur de transcription CREB, potentialisant ainsi les effets de la cocaïne. PP1 étant souvent considérée comme un régulateur négatif de la mémoire, sa répression pourrait également favoriser la ‘mémorisation’ du contexte et des habitudes liés à la drogue. L’expression de PP1Cβ a ensuite été analysée en réponse à des injections passives ou volontaires de cocaïne dans un test de conditionnement opérant, l’auto-administration intraveineuse. Étonnamment, une répression similaire de PP1Cβ est observée quel que soit le mode d’administration de la cocaïne. Son expression est par contre différente lorsque la cocaïne est remplacée par de la nourriture : elle est induite par le conditionnement opérant, sans être affectée par une distribution passive de nourriture. Le gène PP1Cβ participe donc sans doute aux neuroadaptations différentielles induites par les drogues et les récompenses naturelles, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives dans la compréhension des effets à long terme des drogues. / Repeated intake of drugs of abuse is known to induce brain plasticity, which may underlie the development of drug addiction. Protein phosphatase type-1 (PP1) is one of the key proteins involved in brain plasticity mechanisms. We therefore studied its regulation in response to repeated cocaine intake by rats. The gene encoding the β catalytic subunit of PP1 (PP1Cβ) was found to be repressed by chronic cocaine treatment, through a mechanism involving DNA methylation of the PP1Cβ 5’-end followed by the recruitment of the methyl binding protein Mecp2. This repression was observed in the major brain structures of the reward system and probably favors the phosphorylation state of NMDA and AMPA glutamatergic receptors and of CREB transcriptionfactor, thus further increasing cocaine effects. PP1 is also known as a negative regulator of memory formation. Its repression by cocaine may therefore potentiate the ‘memorization’ of cocaine-related habits and context. PP1Cβ expression was next compared in response to passive vs voluntary cocaine injections in an operant intravenous cocaine self-administration paradigm. Surprisingly, a similar repression of PP1Cβ was found, independently on the cocaine administration mode. A completely different pattern of expression was observed when cocaine administration was replaced by food intake, as PP1Cβ expression was increased during food operant self-administration, but not in response to passive food delivery. Taken together, our data suggest that PP1Cβ participates to the differential neuroadaptations induced by drugs of abuse and natural rewards. They shed somenew light on the long-term mechanisms induced by drugs of abuse.

Une influence des conditions de vie sur le phénomène de dépendance a été observée chez l'Homme et modélisée chez l'animal. Ainsi chez les rongeurs, l'exposition à un environnement enrichi (EE) réduit le risque d'addiction, alors qu'un stress l'augmente. Les mécanismes responsables de ces influences environnementales sur la dépendance ont été l'objet de mes recherches. D'une part, nous avons montré que des injections chroniques de cocaïne augmentent l'expression du facteur de transcription ΔFosB dans les cellules striatales exprimant le récepteur dopaminergique D1R (D1R+), alors que l'EE seul l'augmente spécifiquement dans les cellules D1R(-). De façon intéressante, ces effets sont abolis lorsque la cocaïne est administrée à des souris exposées à l'EE. Ces résultats suggèrent que la prévention de la sensibilisation comportementale par l'EE corrèle avec une accumulation modifiée de ΔFosB. D'autre part, le laboratoire avait montré que le passage d'un EE à un environnement standard augmentait la vulnérabilité à la cocaïne. Toujours dans le but de découvrir les mécanismes impliqués, nous nous sommes intéressés au système endocannabinoïde (ECS), un régulateur du stress et aux processus épigénétiques. Nous avons observé que ce switch environnemental modulait l'expression de différents acteurs de l'ECS, en particulier le récepteur CB1 dans l'amygdale, et aussi celle de la protéine régulatrice de la transcription MeCP2 (Methyl CpG-binding-Protein-2) dans le noyau accumbens. Dans son ensemble, ce travail a permis d'identifier des mécanismes moléculaires, régulés par différentes manipulations environnementales, et pouvant participer à la vulnérabilité aux drogues d'abus. / Influences of life conditions on the phenomenon of addiction has been observed in Human and modeled in animals. Indeed, in rodents, exposure to enriched environment (EE) reduces the risk of addiction, whereas stress increases it. The mechanisms responsible for these environmental influences on addiction have been the object of my thesis. On one hand, we have shown that chronic injections of cocaine increase the expression of the transcription factor ΔFosB in striatal cells expressing the dopaminergic receptor D1 (D1R(+) cells) whereas EE by itself increases it specifically in D1R(-) cells. Interestingly, these effects were abolished when cocaine is administrated to mice exposed to EE. These results suggest that the prevention of the behavioral sensitization induced by EE correlates with a modified accumulation of ΔFosB. On the other hand, our laboratory has shown that switching mice from EE to a standard environment increases the vulnerability to cocaine. In order to uncover the mechanisms underlying this potentiation, we studied the endocannabinoid system, involved in stress regulation and in epigenetic processes. We have observed that the environmental switch modulates the expression of different actors of the endocannabinoid system, especially the CB1 receptor in the amygdala, and of MeCP2 (Methyl CpG-binding-Protein-2), a protein involved in the control of transcription in the nucleus accumbens. Altogether, this work allowed us to highlight molecular mechanisms that are regulated by environmental manipulations and that could participate to the individual vulnerability to drugs of abuse.