Le striatum dorsal et le noyau accumbens (NAc) jouent un rôle crucial dans la sélection et l’exécution de mouvements résultant de l’intégration de signaux dopaminergiques et d’informations glutamatergiques sensorielles. A ce jour, les mécanismes moléculaires à travers lesquels la dopamine (DA) régule la plasticité des neurones épineux moyens du striatum (MSNs) sont peu connus. La synthèse des protéines est un événement essentiel requis pour la plasticité synaptique et la mémoire à long terme. Dans de nombreuses régions cérébrales, l’initiation, étant l'étape limitante de la synthèse protéique, est contrôlée par la phosphorylation de facteurs d’initiation de la traduction (eIFs). Notre hypothèse est que la DA pourrait réguler la traduction d’ARNm dans le striatum à travers des mécanismes moléculaires similaires. La première partie de cette thèse visait à étudier le rôle de la DA dans la régulation de la machinerie de traduction dans les MSNs. Pour ce faire, nous avons analysé au niveau du striatum, la phosphorylation de différents eIFs en réponse à l’administration aigue ou répétée de d-amphetamine (d-amph), entraînant une augmentation transitoire ou de longue durée de la transmission dopaminergique, respectivement. Bien que l’administration de la d-amph est associée à une légère augmentation de pS209-eIF4E, l’état de phosphorylation de S1108-eIF4G reste inchangé. En revanche, une forte augmentation de p51-eIF2α a été observée après administration répétée d-amph. Nous démontrons que la phosphorylation de 51-eIF2α est corrélée à une diminution transitoire de la synthèse protéique globale dans le striatum. En outre, la d-amph induit également une importante augmentation de la phosphorylation de la protéine ribosomale S6 (rpS6). Cet effet se produit spécifiquement dans MSNs exprimant le récepteur D1 à la DA et implique la cascade de signalisation AMPc/PKA/DARPP-32, tout en étant indépendant des voies mTORC1/S6K et ERK. La phosphorylation de rpS6 est couramment utilisée pour marquer de l'activité neuronale bien que son rôle biologique dans le cerveau reste énigmatique. Compte tenu sa régulation significative par la DA, la deuxième partie de cette thèse a eu pour but d’acquérir de nouvelles connaissances sur la fonction de la phosphorylation de rpS6 en utilisant un modèle de souris rpS6 déficient de ses sites de phosphorylations, rpS6P-/-. Dans ces souris transgéniques la synthèse protéique globale est normale dans diverses régions du cerveau. Néanmoins, les souris rpS6P -/- présentent une altération de la traduction d'un sous-ensemble de ARNm, ceci sélectivement dans le NAc, suggérant le rôle potentiel de la phosphorylation de rpS6 dans la régulation de la traduction de transcrits bien spécifiques au sein de cette sous-région du striatum. Dans l'ensemble, les résultats présentés dans cette thèse permettent une meilleure compréhension des mécanismes engagés par DA pour contrôler la traduction d’ ARNm dans les MSNs du striatum. / The dorsal striatum and the nucleus accumbens (NAc) process dopamine (DA) signals in order to generate appropriate behavior in response to given glutamatergic sensory cues. The molecular mechanisms through which DA promotes long-lasting changes in striatal GABAergic medium-sized spiny neurons (MSNs) are still not fully understood. It is widely accepted that protein synthesis is an essential event required for several forms of synaptic plasticity and long-term memory. In various brain areas, initiation is the rate-limiting step of translation and is regulated through phosphorylation of translation initiation factors (eIFs). Whether DA could regulate mRNA translation in the striatum through similar mechanisms is yet poorly investigated. A first part of this thesis aimed to shed light on the role of DA in the regulation of the translational machinery in MSNs. Here, we measured the phosphorylation state of eIFs following single and repeated in vivo d-amphetamine (d-amph) administration, resulting in a transient or long-lasting increase of the dopaminergic transmission, respectively. Although d-amph exposure slightly enhances the striatal pS209-eIF4E, pS1108-eIF4G remains unchanged. In contrast, a strong increase in p51-eIF2α is observed after repeated d-amph administration. We demonstrate that d-amph-induced p51-eIF2α is associated to a transient decrease in generall striatal protein synthesis. In addition, d-amph markedly increases the striatal phosphorylation of the 40S ribosomal protein S6 (rpS6). This effect occurs selectively in D1 DA receptor (D1R)-expressing MSNs and requires the cAMP/PKA/DARPP-32 cascade but is independent of mTORC1/S6K and ERK signaling. rpS6 phosphorylation is commonly used as a marker for neuronal activity even though its biological role in the brain remains puzzling. Given the significant regulation of striatal rpS6 phosphorylation by DA, the second part of this thesis sought to gain new insights into the function of this post-translational event by using a phosphodeficient rpS6P-/- mouse model. We showed that rpS6P-/- mice display unaltered global protein synthesis in different brain regions. Nonetheless, rpS6P-/- mice exhibit impaired translation of a subset of mRNA selectively in the NAc, pointing to the potential role of rpS6 phosphorylation in the regulation of transcript-specific translation within this striatal sub-region. Overall, the results presented in this thesis provide a better understanding of the mechanisms engaged by DA to control mRNA translation in striatal MSNs.

La queue de l'aire tegmentale ventrale (tVTA) est une région cérébrale GABAergique localisée en arrière de la VTA. Elle projette de façon massive aux neurones dopaminergiques des groupes A9 et A10 du mésencéphale à l'origine des systèmes nigrostrié et mésolimbique. Ces systèmes sont impliqués dans de nombreuses fonctions comme la motricité et les comportements associés aux drogues. L'objectif de ma thèse est d'étudier le rôle de la tVTA via ses projections sur ces systèmes. Pour cela, nous avons utilisé des approches variées comprenant l'immunohistochimie, la pharmacologie in vivo,l'électrophysiologie in vivo et l'étude du comportement moteur. Parmi un ensemble de drogues appartenant à différentes classes, l'activation moléculaire de la tVTA sous forme de l'induction de FosB/ΔFosB est spécifique des psychostimulants et dépend de la dopamine. D'un point de vue physiologique, la tVTA exerce un tonus inhibiteur sur les neurones dopaminergiques de la VTA et joue un rôle crucial dans leur désinhibition par la morphine. Enfin, des lésions de la tVTA influencent des comportements dépendant du système nigrostrié comme le comportement de rotation provoqué par l'amphétamine, les performances motrices et l'apprentissage moteur. / The tail of the ventral tegmenta area (tVTA) is a GABAergic brain region located behind the VTA. It projects massively to dopaminergic neurons in mesencephalic A9 and A10 groups leading to nigrostriatal and mesolimbic systems that play a role in fonctions like motricity and drug-related behaviours. The objective of my thesis is to study the tVTA role through its projections to these systems. For that, we used various approaches including immunohistochemistry, in vivo pharmacology, in vivo electrophysiology, and motor behaviour. Between various drugs belonging to different classes, molecular activation of the tVTA by FosB/ΔFosB induction is only observed following psychostimulant treatment and is mediated by dopamine. From a physiological point of view, the tVTA exerts an inhibitory tone onto VTA dopamine neurons and plays a crucial role in morphine-induced desinhibition. Finally, tVTA lesions modulate nigrostriatal system mediated behaviour like amphetamine-induced rotational behaviour, motor coordination and motor skill learning.

Dans certaines aires cérébrales, l’action synergique du glutamate et de la dopamine est nécessaire pour induire et maintenir la plasticité synaptique. Un dialogue fonctionnel entre le récepteur métabotropique du glutamate mGlu5 et le récepteur de la dopamine D1 a été mise en évidence. Par ailleurs, de nombreuses études ont démontré que les récepteurs couplés aux protéines G ont la capacité de former des hétéromères créant ainsi de nouvelles entités fonctionnelles. En s’appuyant sur l’hypothèse d’une hétéromérisation des récepteurs, l’objectif de ce projet de thèse était d’étudier les mécanismes moléculaires qui sous-tendent une synergie fonctionnelle entre les récepteurs mGlu5 et D1. Dans la première partie de ce travail, j’ai caractérisé les bénéfices de la Nanoluciférase, une luciférase très lumineuse, pour améliorer la technique de BRET en imagerie (Bioluminescence Resonance Energy Transfer imaging) qui permet d’étudier la dynamique des interactions entre protéines dans les cellules vivantes. Les bénéfices mis en évidence en termes de résolution spatio-temporelle, de stabilité et de sensibilité du signal ont été exploités pour la suite de ce projet. Dans la seconde partie de ce travail, les améliorations techniques mentionnées ci-dessus ont permis de mettre en évidence pour la première fois des hétéromères mGlu5/D1 dans des neurones en culture. En outre, nous avons montré que la co-expression des récepteurs mGlu5 et D1 en système hétérologue favorise la signalisation calcique, d’une part en augmentant l'activité constitutive de mGlu5 et, d’autre part, en créant une voie de libération du calcium intracellulaire atypique induite par l'agoniste D1.Ces résultats apportent de nouveaux éléments de compréhension des bases moléculaires du dialogue fonctionnel glutamate/dopamine dans le contrôle de la communication neuronale en conditions physiologiques et ouvrent la voie à de nouvelles stratégies thérapeutiques capables de moduler sélectivement la fonction des hétéromères. / In some specific brain areas, synergism between glutamate and dopamine transmission is required to induce synaptic plasticity. Metabotropic glutamate receptor mGlu5 and dopamine receptor D1 are both known to control synaptic plasticity. Moreover, multiple lines of evidence converge toward the ability of G-protein coupled receptors to form dynamic heteromers thereby creating new entities with unique properties. Focusing on the hypothesis of receptor heteromerization, my PhD project aimed at investigating the molecular mechanisms underlying a functional interplay between mGlu5 and D1 receptors.To address this issue, a first part of this work consisted in improving single-cell Bioluminescent Resonance Energy Transfer (BRET) imaging, a technology enabling to study real time protein-protein interaction dynamics in living cells. Using the Nanoluciferase, an extremely bright luciferase, we characterized a faster and higher resolution single-cell BRET imaging technique with unprecedented performance in terms of temporal and spatial resolution, duration of signal stability and signal sensitivity. In the second part of this project, we showed that mGlu5 and D1 can form heteromers in heterologous expression system. The above-mentioned improvements of single-cell BRET imaging technique allowed to evidence the occurrence and the dynamics of mGlu5/D1 heteromers in cultured primary neurons. Furthermore, our results showed that the co-expression of mGlu5 and D1 receptors modifies single receptor properties to favor calcium signaling by increasing mGlu5 constitutive activity and creating a D1 agonist-induced activation of Ca2+ release from intracellular stores.These findings advance our knowledge about the molecular basis of the glutamate/dopamine functional dialogue to control neuronal communication in physiological conditions. Further investigation will help the dissection of the mGlu5/D1 heteromer specific signaling pathway with the hope of defining new therapeutics that may selectively modulate heteromer function and thus bypass undesirable side effects.

The involvement of dopamine in anticipatory and consummatory aspects of feeding behaviors was investigated in the present thesis. All measurements of dopaminergic activity were taken by in vivo electrochemical techniques. In Experiment 1, dopamine efflux in the nucleus accumbens and caudate of male rats was monitored during sessions in which a small, unsignalled liquid meal was consumed. Increases in the electrochemical measure of dopamine activity, which were of similar temporal pattern and magnitude, were observed in both the nucleus accumbens and striatum following meal consumption. These data suggest a possible postingestional role of dopamine in these two brain structures. In Experiment 2, a conditioned feeding paradigm was utilized to study the role of dopamine during a discrete anticipatory phase of feeding. Rats were conditioned to discriminate between a positive conditioned stimulus (CS+) predictive of meal delivery, and a negative conditioned stimulus (CS-) that was not associated with food. Increases in dopamine activity, as determined by changes in electrochemical oxidation currents, were found to be greater during the CS+ than during the CS- in both the nucleus accumbens and caudate. In addition, the magnitude of increase was greater in the nucleus accumbens than the caudate, suggesting that the accumbens may be preferentially involved in the processing of external incentive stimuli. The results support a role for dopamine in both the nucleus accumbens and caudate during appetitive or anticipatory responding for food in the male rat. / Medicine, Faculty of / Graduate

Les maladies neurodégénératives sont des pathologies progressives qui affectent le système nerveux, entraînant la mort des cellules nerveuses. Les plus connues et les plus fréquentes sont la maladie d’Alzheimer et la maladie de Parkinson, mais il en existe d’autres. Toutes ces maladies se caractérisent par la perte progressive de neurones dans des régions plus ou moins localisées du système nerveux, entraînant des complications cognitives, motrices ou perceptives. La maladie de Parkinson (MP) est causée par la dégénérescence de neurones dopaminergiques de la substance noire et de leurs terminaisons nerveuses qui normalement libèrent la dopamine dans le striatum. Les deux principaux facteurs de risque communs aux maladies neurodégénératives sont l’âge et le stress oxydant. Le stress oxydant joue un rôle central dans la physiopathologie de la MP, mais les mécanismes impliqués dans le contrôle de ce stress dans les cellules dopaminergiques ne sont pas totalement élucidés. De nombreuses études montrent que les sélénoprotéines jouent un rôle central dans le contrôle de l'homéostasie redox et la protection cellulaire, mais la contribution précise des membres de cette famille de protéines au cours des maladies neurodégénératives est encore peu connue. Des études antérieures de l’Unité ont permis de découvrir le rôle essentiel d’une nouvelle sélénoprotéine, la sélénoprotéine T (SelT) dans les processus de différenciation neuronale, mais le rôle de cette sélénoprotéine dans les processus neurodégénératifs n’était pas connu. Nous avons montré d'abord que la SelT dont l’invalidation génétique est létale pendant l'embryogenèse, exerce une puissante activité oxydoréductase de type thiorédoxine. Dans un modèle cellulaire de neurones dopaminergiques, représenté par les cellules de neuroblastome SH-SY5Y, la modification de l’expression de la SelT affecte le niveau du stress oxydant et la survie cellulaire. Le traitement de souris sauvages par des neurotoxines ciblant les neurones dopaminergiques telles que le 1-méthyl-4-phényl-1,2,3,6-tétrahydropyridine (MPTP) ou la roténone induit une expression massive de la SelT dans la voie nigro-striée, suggérant que la SelT pourrait protéger ces neurones dans les conditions de dégénérescence. En revanche, ce même traitement administré chez les souris invalidées pour la SelT dans le cerveau provoque un syndrome parkinsonien, avec apparition de symptômes moteurs confirmant donc que la présence de la SelT doit participer à la protection des neurones dopaminergiques dans des conditions mimant la MP. Les symptômes moteurs observés sont associés à un stress oxydant et une dégénérescence marquée des neurones dopaminergiques. De même, nous avons observé une diminution de la forme active de la tyrosine hydroxylase, ce qui se traduit par des taux de dopamine réduits dans le striatum des souris invalidées et traitées par les neurotoxines. Ces données montrent que la SelT est essentielle à la survie et à la fonctionnalité des neurones dopaminergiques in vitro et in vivo dans les conditions de neurodégénérescence mimant la MP. Enfin, chez les patients souffrant de la MP, nous avons observé une augmentation considérable de la SelT au niveau du caudate-putamen mais pas d’autres structures cérébrales. L’ensemble de ces résultats révèle l'activité d'une nouvelle enzyme de type thiorédoxine qui protège les neurones dopaminergiques contre le stress oxydant et empêche l’apparition précoce de symptômes moteurs sévères chez les modèles animaux de la MP. Nos données indiquent que des sélénoprotéines telles que la SelT dont les taux sont élevés chez des parkinsoniens, jouent un rôle crucial dans la protection des neurones dopaminergiques contre le stress oxydant et la mort cellulaire ouvrant ainsi la voie au développement de nouvelles stratégies de neuroprotection ciblant ces protéines dans la MP. / Neurodegenerative diseases are progressive pathologies that affect the nervous system, causing the death of nerve cells. The best known and most frequent are Alzheimer's and Parkinson's disease, but there are others. All these diseases are characterized by the progressive loss of neurons of the nervous system, leading to cognitive, motor or perceptual complications. Parkinson's disease (PD) is caused by the degeneration of dopaminergic neurons of the substantia nigra and their nerve endings that normally release dopamine into the striatum. The two main risk factors common to neurodegenerative diseases are age and oxidative stress. Oxidative stress plays a central role in the pathophysiology of PD, but the mechanisms involved in controlling this stress in dopaminergic cells are not fully elucidated. Many studies show that selenoproteins play a central role in the control of redox homeostasis and cell protection, but the precise contribution of members of this family of proteins during neurodegenerative diseases is still unknown. Previous studies performed in our laboratory have uncovered the essential role of a new selenoprotein, selenoprotein T (SelT) in the processes of neuronal differentiation, but the role of this selenoprotein in neuroprotection was not known. We first showed that SelT, whose gene knock-out is lethal during embryogenesis, exerts a potent thioredoxin-like oxidoreductase activity. In a cellular model of dopaminergic neurons, represented by SH-SY5Y neuroblastoma cells, modification of SelT expression affects the level of oxidative stress and cell survival. Treatment of wild-type mice by neurotoxins targeting dopaminergic neurons such as 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP) or rotenone induced massive expression of SelT in the nigro-striatal system, suggesting that SelT could protect these neurons under conditions of degeneration. On the other hand, this same treatment given in mice invalidated for SelT in the brain caused a parkinsonian syndrome with the appearance of motor symptoms, thus confirming that the presence of SelT must participate in the protection of dopaminergic neurons under conditions mimiking PD. The observed motor symptoms are associated with oxidative stress and marked degeneration of dopaminergic neurons. Similarly, we observed a decrease in the active form of tyrosine hydroxylase, resulting in reduced dopamine levels in the striatum of invalidated and neurotoxin-treated mice. These data show that SelT is essential for the survival and functionality of dopaminergic neurons in vitro and in vivo under the conditions of neurodegeneration mimicking PD. Finally, in patients with PD, we observed a considerable increase in SelT levels in the caudate-putamen but not in other cerebral structures. Together, these results uncovered the activity of a novel thioredoxin-like enzyme that protects dopaminergic neurons against oxidative stress and prevents the early onset of severe motor symptoms in animal models of PD. Our data indicate that selenoproteins such as SelT, whose levels are increased in PD play a crucial role in protecting dopaminergic neurons against oxidative stress and cell death, thus paving the way for the development of new neuroprotection strategies targeting these proteins in PD.

Les comportements motivés tels que les comportements alimentaires ou sexuels sont émis de façon irrégulière sous l’impulsion du système nerveux central. Ils sont régulés par des informations sensorielles et des apprentissages. Dans un apprentissage associatif, le conditionnement opérant appétitif, l’animal apprend les conséquences de son action parl’association d’une action à l’obtention d’une récompense (un stimulus à forte valeur appétitive). Il est établi que cet apprentissage induit la transition d’une motricité initialement peu fréquente et irrégulière en une motricité rythmique, fréquente et régulière. Cependant, les mécanismes cellulaires du système nerveux central qui sont responsables de cettetransition, restent largement méconnus. Notre étude chez le mollusque aplysie nous a permis d’identifier ces mécanismes dans un réseau neuronal identifié et générateur des patterns moteurs du comportement alimentaire. Sur des préparations du système nerveux isolé, nous avons sélectivement contrôlé l’expression fréquente d’une part et régulièred’autre part de la motricité apprise grâce à la manipulation expérimentale de la plasticité fonctionnelle de neurones pacemakers identifiés. Ainsi, nous avons nouvellement établi un lien de causalité entre (1) des modifications membranaires et l’accélération motrice et (2) le renforcement de synapses électriques et la régularité motrice. Nous avons mis en évidence le rôle du transmetteur dopamine dans l’induction de ces plasticités fonctionnelles et l’expression de la motricité fréquente et régulière. Enfin, nous avons analysé les propriétés intrinsèques du neurone responsable de l’impulsion spontanée et irrégulière de la motricité des animaux naïfs. Pour conclure, l’ensemble de ces travaux de thèse offre une vue étendue des mécanismes cellulaires qui déterminent la variabilité d’un comportement motivé et sarégulation par apprentissage. / Motivated behaviors such as feeding or sexual behavior are irregularly expressed by impulsive drives from the central nervous system. However, such goal-directed acts are regulated by sensory inputs and learning. In a form of associative learning, appetitive operant conditioning, an animal learns the consequences of its own actions by making the contingentassociation between an emitted act and delivery of a rewarding (highly appetitive) stimulus. It is now established that this learning procedure induces the transition from an initially infrequent and irregular motor activity to a frequent and regular behavior. However the cellular and central network mechanisms that mediate this behavioral plasticity remain poorlyunderstood. Our study on the marine sea slug Aplysia has allowed us to analyze these mechanisms in an identified neuronal network that is responsible for generating the motor patterns of the animal's feeding behavior. Using in vitro neuronal preparations, we selectively controlled the frequency and regularity of the motor activity induced by operant learning with experimental manipulations of the functional plasticity in identified pacemaker neurons. We found for the first time a causal relationship between the learning-induced plasticity and (1) changes in pacemaker neuron membrane properties and the increased frequency of feeding motor activity, and (2), in the strength of their interconnecting electrical synapses and the regularized phenotype of this motor activity. We then addressed the role of the transmitterdopamine in the induction of this functional plasticity and specifically the expression of a frequent and stereotyped rhythmic feeding motor pattern. Finally, we analyzed the intrinsic membrane properties of the essential pacemaker neuron for generating the irregular motor drive in naïve animals. In conclusion, the data from this thesis work have provided novelinsights into the cellular and synaptic mechanisms underlying the intrinsic variability of a motivated behavior and its regulation by learning.

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.

Neonatal 6-hydroxydopamine (6-OHDA) treatment of rats is associated with concurrent supersensitization of dopamine (DA) D1 and serotonin 5-HT1C receptors, for agonist-induced oral activity. The present study was conducted to determine if graded reduction of striatal DA content and/or graded elevation of striatal 5-HT content by 6-OHDA would alter sensitivity of either receptor type, and thereby influence oral activity responses to DA and 5-HT agonists. At 3 days after birth, groups of rats were pretreated with desipramine (20 mg/kg i.p.), 1 h before administration of a range of doses of 6-OHDA HBr (15, 30, 60, 100, 150 and 200 μg, i.c.v., salt form; half in each lateral ventricle) or the vehicle, saline (0.85%)-ascorbic acid (0.1%). Between 2 and 4 months, a series of challenge doses of SKF 38393 HCl (0.30 to 3.0 mg/kg i.p.) and m-chlorophenylpiperazine 2HCl (0.30 to 6.0 mg/kg i.p.; m-CPP 2HCl) were administered to each group of rats and oral activity was observed. Oral activity was determined for 1 min every 10 min during a 60-min period, starting 10 min after injection of agonist or vehicle. SKF 38393 dose-response curves demonstrated enhanced oral activity responses in rats lesioned neonatally with 150 or 200 μg of 6-OHDA. m-CPP dose-response curves demonstrated enhanced oral activity responses in these 2 groups of rats, as well as those lesioned neonatally with 100 μg of 6-OHDA. Striatal DA content was reduced by > 97% in these 3 groups of rats. Striatal 5-HT content was elevated by > 80% in rats treated neonatally with 150- or 200-μg doses of 6-OHDA, and by 50% in rats treated neonatally with the 100-μg dose of 6-OHDA. Lower doses of 6-OHDA produced less of an effect on striatal DA and 5-HT content. Regression analysis determined that both SKF 38393- and m-CPP-induced oral activities were most closely correlated with the magnitude of change in striatal content of DA. These findings demonstrate that 5-HT agonist responses can be enhanced when DA agonist responses are not enhanced. Also, in neonatal 6-OHDA-lesioned rats the extent of DA depletion vs. the extent of 5-HT elevation seems to be a critical factor in the enhanced behavioral effects of DA and 5-HT agonists.

Dysfunction of the central noradrenergic and dopaminergic systems is the primary neurobiological characteristic of Parkinson’s disease (PD). Importantly, neuronal loss in the locus coeruleus (LC) that occurs in early stages of PD may accelerate progressive loss of dopaminergic neurons. Therefore, restoring the activity and function of the deficient noradrenergic system may be an important therapeutic strategy for early PD. In the present study, the lentiviral constructions of transcription factors Phox2a/2b, Hand2 and Gata3, either alone or in combination, were microinjected into the LC region of the PD model VMAT2 Lo mice at 12 and 18 month age. Biochemical analysis showed that microinjection of lentiviral expression cassettes into the LC significantly increased mRNA levels of Phox2a, and Phox2b, which were accompanied by parallel increases of mRNA and proteins of dopamine β-hydroxylase (DBH) and tyrosine hydroxylase (TH) in the LC. Furthermore, there was considerable enhancement of DBH protein levels in the frontal cortex and hippocampus, as well as enhanced TH protein levels in the striatum and substantia nigra. Moreover, these manipulations profoundly increased norepinephrine and dopamine concentrations in the striatum, which was followed by a remarkable improvement of the spatial memory and locomotor behavior. These results reveal that over-expression of these transcription factors in the LC improves noradrenergic and dopaminergic activities and functions in this rodent model of PD. It provides the necessary groundwork for the development of gene therapies of PD, and expands our understanding of the link between the LC-norepinephrine and dopamine systems during the progression of PD.

Dopamine transporters (DAT) facilitate high-affinity presynaptic dopamine (DA) reuptake in the central nervous system, and are required to constrain extracellular DA levels and maintain presynaptic DAergic tone. DAT is the primary target for addictive and therapeutic psychostimulants, which require DAT binding to elicit reward. DAT availability at presynaptic terminals ensures its proper function, and is dynamically regulated by endocytic trafficking. My thesis research focused on two fundamental questions: 1) what are the molecular mechanisms that control DAT endocytosis? and 2) what are the mechanism(s) that govern DAT’s post-endocytic fate? Using pharmacological and genetic approaches, I discovered that a non-receptor tyrosine kinase, activated by cdc42 kinase 1 (Ack1), stabilizes DAT plasma membrane expression by negatively regulating DAT endocytosis. I found that stimulated DAT endocytosis absolutely requires Ack1 inactivation. Moreover, I was able to restore normal DAT endocytosis to a trafficking dysregulated DAT coding variant identified in an Attention Deficit Hyperactivity Disorder (ADHD) patient via constitutively activating Ack1. To address what mechanisms govern DAT’s post-endocytic fate, I took advantage of a small molecule labeling approach to directly couple fluorophore to the DAT surface population, and subsequently tracked DAT’s temporal-spatial post-endocytic itinerary in immortalized mesencephalic cells. Using this approach, I discovered that the retromer complex mediates DAT recycling and is required to maintain DAT surface levels via a DAT C-terminal PDZ-binding motif. Taken together, these findings shed considerable new light on DAT trafficking mechanisms, and pave the way for future studies examining the role of regulated DAT trafficking in neuropsychiatric disorders.