Contexte : Notre capacité à développer les stratégies cognitives nécessaire pour faire face au stress de la vie quotidienne est régulée par différents réseaux neuronaux spécifiques à chacune des régions du cerveau. Des évidences expérimentales suggèrent qu'un stress prolongé chez la souris induit des comportements dépressifs via des modifications morphologiques et moléculaires des voies dopaminergiques mésolimbiques et mésocorticales. Cependant, la traduction derrière ces changements est encore mal comprise et on ignore si elle affecte de la même manière les mâles et les femelles. Méthodes : Nous avons utilisé le stress de la défaite sociale chronique (CSDS) pour induire des comportements similaires à la dépression chez des souris mâles et femelles. La densité des projections mésolimbiques et corticales a été évaluée par immunohistochimie combinée à une analyse de type Scholl. L’activité de la signalisation dopaminergique a été évaluée à l’aide du marqueur pERK dans l’aire ventrale tegmentale (VTA), le nucleus accumbens (NAc) et le cortex préfrontal médian (mPFC). De plus, des souris transgéniques DAT-IresCRE-RiboTag ont été utilisées afin d’isoler l’ARNm des neurones dopaminergiques, puis une analyse de l'expression différentielle des gènes a été faite par le biais du séquençage des ARNm. Résultats : Le stress social réduit la densité des projections axonales dopaminergiques dans le mPFC, mais pas dans le NAc chez les deux sexes. Les souris susceptibles au stress présentent une diminution de l'expression de pERK dans la VTA et le mPFC, mais une augmentation de la protéine dans le NAc. Nos analyses d’expression différentielle ont révélé des signatures transcriptionnelles spécifiques aux axones et aux somas dopaminergiques associés à la susceptibilité au stress chez les mâles et les femelles. Finalement, nous avons identifié des gènes régulateurs spécifiques aux somas et aux axones, qui sous-tendent l'expression de la susceptibilité au stress chez les mâles et les femelles. Conclusion : Nos résultats indiquent que le stress de la défaite sociale a un impact différent sur les voies mésolimbiques et mésocorticales en modifiant différemment les programmes transcriptionnels qui régulent la plasticité somatique et axonale chez les deux sexes. / Background: Our ability to develop the cognitive strategies required to deal with daily-life stress is regulated by region-specific neuronal networks. Experimental evidences suggest that prolonged stress in mice induces depressive-like behaviors via morpho-functional and molecular changes of the mesolimbic and mesocortical dopaminergic pathways. Yet, the transcriptional programs underlying these changes are still poorly understood and whether they affect males and females similarly is unknown. Methods: We used chronic social defeat stress (CSDS) to induce depressive-like behaviors in male and female mice. Density of the mesolimbic and cortical projections was assessed via IHC combined with Scholl analysis along with the staining of the activity-dependent marker pERK in the ventral tegmental area (VTA), nucleus accumbens (NAc) and medial prefrontal cortex (mPFC). DAT-IRES-CRE-RiboTag transgenic mice were used to isolate from mRNA dopaminergic axons and somas and analyze gene expression through RNAseq. Transcriptional profiles were analyzed through differential expression combined with gene network analyses. Results: Social stress decreased the density of dopaminergic axonal projections to the mPFC but not the NAc of susceptible mice. This was accompanied by decreased pERK expression in the VTA of susceptible but not resilient mice. Our differential expression and gene network analyses revealed soma- and axon-specific transcriptional signatures associated with stress susceptibility and resilience in males and females. We identified soma and axon specific key regulators of sex-specific gene networks underlying the expression of susceptibility and resilience in males and females. Conclusion: Our results indicate that social defeat stress impacts the mesolimbic and mesocortical pathways differently in males and females by altering the transcriptional programs regulating somatic and axonal plasticity differently. These sex-specific changes are likely to underlie the morpho-functional changes induced by CSDS and contribute to the expression of susceptibility or resilience to social stress in both sexes.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La douleur neuropathique et le trouble dépressif majeur (MDD) sont fréquemment comorbides et impliquent tous deux le cortex cingulaire antérieur (ACC). Cette structure corticale joue en effet un rôle dans le traitement de la douleur et des émotions. Les deux types de cellules de l'ACC, les neurones GABAergiques et les neurones glutamatergiques (GLU), sont les principaux types de cellules responsables de l'inhibition et de l'excitation, respectivement. Le maintien de niveaux physiologiques d'excitation et d'inhibition est essentiel au fonctionnement du système nerveux, car il est à la base de l'activité neuronale. Cependant, une hyperactivité neuronale a été observée dans l'ACC en cas de douleur neuropathique, de MDD et de dépression induite par la douleur neuropathique (NPID). Bien que les mécanismes sous-jacents à l'hyperactivité de l'ACC dans la NPID restent inconnus, il a été démontré que l'inhibition des neurones GLU de l'ACC chez les animaux NPID induit une diminution des comportements de type dépressif. C'est pourquoi l'hypothèse émise est que, dans la NPID, le système GABAergique est affecté, ce qui induit une diminution de l'efficacité de l'inhibition conduisant à l'hyperactivité observée dans cette pathologie. La désinhibition peut provenir des neurones GABAergiques eux-mêmes ou de la réponse postsynaptique des cellules GLU à l'inhibition. Cette thèse présente l'approche technique utilisée pour vérifier cette hypothèse ainsi que les résultats obtenus. Afin de tester l'efficacité du système GABAergique aux niveaux présynaptique et postsynaptique *in vivo*, l'utilisation d'une double approche optogénétique et électrophysiologique, une micro-optrode, était nécessaire. Contrairement à l'électrophysiologie *in vivo* ou à la photométrie, cette technique permet de réaliser simultanément une stimulation optogénétique et un enregistrement extracellulaire de cellule unique *in vivo* chez des animaux anesthésiés. Ceci offre l'avantage d'identifier les cellules GABAergiques exprimant la Channelrhodopsine-2 et de quantifier la réponse de ces neurones à des stimulations optiques répétitives. C'est ainsi qu'il a été possible de caractériser l'activité des cellules GABAergiques ainsi que l'effet de l'inhibition sur les cellules GLU dans un modèle murin de NPID. Les résultats ont montré que, dans des conditions de NPID, les cellules GLU sont moins inhibées. En effet, il y a eu un effondrement de l'inhibition à des fréquences élevées. De plus, des stimulations répétitives à haute fréquence ont induit une défaillance dela capacité d'induction de potentiel d'action des cellules GABAergiques. Cette diminution de l'excitabilité est associée à une altération de la cinétique du potentiel d'action qui pourrait être due à la diminution de l'expression du canal sodique NaV1.1 dans les neurones GABAergiques. Enfin, les résultats ont montré une corrélation significative entre les changements fonctionnels des deux types de cellules et le comportement de type dépressif observé dans la douleur neuropathique. En conclusion, mes résultats suggèrent l'implication des neurones GABAergiques dans la NPID et une nouvelle perspective de cible thérapeutique, pour cette comorbidité, impliquant le canal NaV1.1 est en train d'émerger. / Neuropathic pain and major depressive disorder (MDD) are frequently comorbid and both involve the anterior cingulate cortex (ACC). Indeed, this cortical structure plays a role in processing pain and emotions. The two cell types in the ACC, GABAergic and glutamatergic (GLU) neurons, are the main cell types responsible for inhibition and excitation, respectively. Maintaining physiological levels of excitation and inhibition are essential to the nervous system functions as they are the basis of neuronal activity. However, neuronal hyperactivity has been observed in the ACC in neuropathic pain, MDD and neuropathic pain induced depression (NPID). And while mechanisms underlying the ACC hyperactivity in NPID remain unknown, it was shown that inhibiting ACC GLU neurons in NPID animals induces a decrease of depressive-like behaviors. This is why we hypothesized that the GABAergic system is affected in NPID via a decrease of inhibition efficacy leading to the hyperactivity observed in this pathology. Disinhibition can arise from the GABAergic neurons themselves or from the postsynaptic response of GLU cells to inhibition. This thesis presents the technical approach used to verify this hypothesis as well as the results obtained. In order to test the efficacy of the GABAergic system at both presynaptic and postsynaptic levels *in vivo*, the use of a dual optogenetic and electrophysiologic approach, a micro-optrode, was needed. Contrarily to *in vivo* electrophysiology or fiber photometry, this technique enables simultaneous optogenetic stimulation and single cell extracellular recording *in vivo* in anesthetized animals. This offers the advantage of identifying GABAergic cells expressing Channelrhodopsine-2 and quantifying the response of these neurons to repetitive optic stimulations. This is how the characterization of the activity of GABAergic cells as well as the effect of the inhibition on GLU cells in a mouse model of NPID had been possible. Our results showed that, in NPID conditions, GLU cells are less inhibited. Indeed, there was a collapse of inhibition at high frequencies. In addition, repetitive stimulations at high frequency induced a failure in GABAergic cell firing capacity. This decreased excitability is associated with an alteration of action potential kinetics which might be due to the decreased expression of the voltage-gated sodium channel NaV1.1 in the GABAergic neurons. Finally, we observed a significant correlation between these functional changes from both cell types and depressive-like behavior observed in neuropathic pain. In conclusion, my results suggest the implication of GABAergic neurons in NPID and a new perspective of therapeutic target, for this comorbidity, involving the NaV1.1 channel is emerging.

Le trouble majeur de la dépression est un des troubles de santé mentale les plus fréquents dans la société d’aujourd’hui avec plus de 350 millions de personnes atteintes dans le monde. Malgré la présence de différents types de traitement, comme les antidépresseurs ou les thérapies comportementales, les causes de ce trouble ne sont pas encore complètement élucidées. Les lacunes concernant la compréhension de cette pathologie se trouve plus particulièrement au niveau de ses fondements génétiques. A partir d’un grand échantillon de 267 sujets atteints de la dépression, de 286 sujets témoins ainsi que de trois modèles animaux, la présente étude a pour objectif de mettre en évidence différents gènes et fonctions associés de façon significative à cette maladie et de caractériser les différences transcriptionnelles spécifiques au sexe. Pour ce faire, deux grandes étapes composent ce projet. Une analyse de gènes différentiellement exprimés ainsi qu’une de modules de gènes Eigengenes, toutes deux effectuées sur l’humain et sur les modèles animaux. Les résultats ont mis en exergue plusieurs gènes associés à la dépression et partagés entre l’humain et les modèles animaux. Il semblerait que le modèle animal qui reproduit le plus les observations chez l’humain soit celui de l’isolation sociale. De plus, plusieurs fonctions biologiques pertinentes avec la caractérisation du trouble étudié ont été identifiées. Par surcroît, les modules de gènes associés à la dépression chez les femelles étaient en plus grand nombre que chez les mâles et cette observation est bien reproduite dans le modèle du stress variable chronique de l’animal. Cette étude a donc permis une amélioration des connaissances concernant la génétique de la dépression. Il en ressort que les modèles animaux utilisés dans cette étude permettent de bien de reproduire un état dépressif chez l’animal. / Major depressive disorder is one of the most common mental health disorder in modern society affecting more than 350 million people worldwide. While different types of treatment are available, such as antidepressants or behavioural therapies, causes of this disorder are not yet fully understood. A better comprehension of its genetic basis could fulfil the gaps. From a large sample of 267 subjects with depression, 286 control subjects and three animal models, this study aims to identify different genes and functions significantly associated with this disorder and to characterize sex-specific transcriptional differences. This project splits in two major steps: a differentially expressed genes analysis and a gene modules analysis using Eigengenes, both performed on humans and animal models. Results highlight several genes shared between humans and animal models. The animal model that seems to better reproduce the effects observed in humans is that of social isolation. In addition, several biological functions appear to be relevant to major depressive disorder characterization. Furthermore, gene modules associated with depression are more numerous in females than in males and this observation is reproduced in the animal’s chronic variable stress model. This study therefore enhanced knowledge about depression’s genetics and shows that animal models can be effectively used to reproduce a depressive state in animals.

La stimulation magnétique transcrânienne répétée (rTMS) est une technique de stimulation cérébrale non invasive qui est largement répandue dans la recherche clinique. Par exemple, l’utilisation de la rTMS à haute fréquence (HF rTMS) dans le traitement de la dépression majeure résistante aux traitements habituels (TRD) est approuvée par Santé Canada et la Food and Drug Administration mais ses mécanismes neurobiologiques demeurent en grande partie inconnus. Les laboratoires Jean-Martin Beaulieu et Shirley Fecteau ont observé dans le passé qu’un traitement HF rTMS de 5 jours sur le cortex frontal de souris induisait des modulations épigénétiques dans les niveaux de certaines protéines spécifiques d’une manière similaire à celle des inhibiteurs sélectifs de la recapture de la sérotonine. En ce sens, un protocole utilisant un modèle animal de la TRD a été mis sur pied. Le tryptophane hydroxylase 2 (Tph2) est une enzyme de synthèse de la sérotonine (5-HT) dans le cerveau adulte. Les souris qui expriment une forme mutante de cette enzyme possèdent ~80 % moins de sérotonine, ce qui induit des comportements d’anxiété, de dépression et de compulsivité. Cette mutation a été trouvée dans un groupe de personnes âgées et d’adolescents, les premiers montrant des symptômes liés à la TRD et les derniers montrant des symptômes liés au trouble obsessionnel compulsif (OCD). L’objectif de ce projet était d’évaluer l’impact épigénétique d’un traitement HF rTMS de 5 jours sur l’expression des gènes et du comportement de souris mutées Tph2-/- en comparaison avec un traitement placebo. Au final, aucune différence significative n’a été observée entre le traitement HF rTMS et le placebo en lien avec les comportements d’anxiété et de compulsivité des différents tests suivant un traitement HF rTMS de 5 jours. Malheureusement, la seconde partie de ce projet, l’évaluation de l’expression des gènes suite au traitement HF rTMS, a été reportée en cours de route pour des raisons hors de notre contrôle et puisque l’analyse des résultats ne s’insérait pas dans l’échéancier du projet de maîtrise. Toutefois, l’analyse future de l’expression des gènes pourrait, comme il a été observé dans le passé, montrer des différences significatives au niveau moléculaire même si aucune modification du comportement n’a été observée. / Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is a non-invasive brain stimulation technique that is being extensively used in clinical research. For instance, the use of high-frequency (HF) rTMS to treat treatment-resistant major depression (TRD) is approved by Health Canada and the Food and Drug Administration, but its neurobiological mechanisms remains unclear. The laboratories of Jean-Martin Beaulieu and Shirley Fecteau reported in the past that a 5-day HF rTMS regimen applied over the frontal cortex of mice induced epigenetic modulations of specific protein levels in a manner similar to those of selective serotonin reuptake inhibitors. In that sense, a protocol using a mice model that suits the TRD condition was created. Tryptophan hydroxylase 2 (Tph2) is an enzyme which synthesize serotonin (5-HT) in the adult brain. Mice expressing a mutant form of that enzyme results in ~80 % less 5-HT and leads to anxiety, depressive and compulsive behaviors. This mutation has been found in an elder and teenager group, the former showing TRD and the latter showing obsessive compulsive disorder (OCD) symptoms. The main goal of this project was to assess the epigenetic impact of a 5-day HF rTMS regimen on gene expression and behaviors in Tph2 mutant mice as compared to a sham-rTMS regimen. In the end, no significant differences occurred between the rTMS and sham Tph2 mice in both anxiety and compulsivity behaviors following a 5-day HF rTMS regimen. Unfortunately, the second part of this project, the gene expression assessment, was postponed halfway because of the extensive data analysis not inserting itself within the timescale of this master’s project and other reasons out of our control. Nevertheless, the future analysis of gene expression might, as observed in the past, show significant differences on the molecular level even if no significant behavior modifications were observed.