La maladie de Huntington (MH) est une maladie neurodégénérative progressive héréditaire. Aucun traitement curatif n’a encore été trouvé. La MH est provoquée par une mutation dans le gène HTT induisant l’augmentation anormale du domaine PolyQ (>36) contenue dans la Huntingtine (Htt), la protéine codée par le gène HTT. Les conséquences et les mécanismes de cette mutation sont maintenant bien décrits et ont permis d’identifier une interaction importante entre la Htt et la voie de signalisation du BDNF. Le BDNF est un facteur neurotrophique qui joue des rôles importants, à travers l’activation de son récepteur TrkB, dans le développement et le maintien des neurones et également dans la plasticité des réseaux synaptiques. La Htt mutante (mHtt) diminue l’expression et le transport du BDNF et de TrkB dans les neurones.P42, une partie de 23 acides aminés de la Htt, est capable de sauver de nombreux phénotypes pathologiques induits dans la MH.L’objectif de ma thèse était de mieux comprendre les mécanismes d’action de P42, dans le but d’optimiser son potentiel thérapeutique. Pour cela, j’ai développé plusieurs expériences sur plusieurs modèles. Dans un article, publié dans HMG, je montre les effets d’un traitement avec P42 sur la voie de signalisation BDNF/TrkB dans un modèle de MH : les souris R6/2. Pour cela, j’ai analysé plusieurs phénotypes pathologiques, comportements et mécanismes cellulaires développés par les souris R6/2 et connus pour être dépendants de la voie BDNF/TrkB. J’ai également mesuré les taux d’ARNm et de protéine, du BDNF et de TrkB, dans le cortex et le striatum. Ce que j’ai trouvé est que P42 agit sur la voie BNDF/TrkB principalement en augmentant l’expression de TrkB dans le striatum.Afin d’observer l’effet de P42 sur le transport vésiculaire, j’ai également utilisé la drosophile comme modèle. Grâce à ce modèle, j’ai pu observer in vivo le transport vésiculaire dans différentes conditions avec ou sans mHtt ou P42.Egalement, dans le but de mieux suivre l’évolution des différents phénotypes pathologiques induits par la MH et l’effet du traitement par P42, j’ai expérimenté le Hamlet test®, un test innovant multi-comportemental.Enfin, j’ai observé sur les souris R6/2, l’effet d’une bithérapie P42 avec P3, un peptide ciblant les effets toxiques induits par les ARN codants pour un PolyQ.Tous ces résultats permettent ou vont permettre de mieux comprendre les mécanismes d’action de P42. / Huntington’s disease (HD) is a rare genetic neurodegenerative disorder. Curative treatments are still actively sought. HD is induced by a mutation in the HTT gene inducing an abnormal expansion of the polyQ domain contained in the Huntingtin protein (Htt). Mechanisms and consequences of this mutation are now well described and allowed to identify an interaction of the Htt with the brain derived neurotrophic factor (BDNF) signaling pathway. BDNF is a neurotrophic factor, which plays important roles, through TrkB, one of its receptor, in neuronal development and plasticity. Mutant Htt (mHtt) down-regulates BDNF and TrkB transcription and transport along the axons.P42, a part of the Htt protein, is a 23aa peptide able to rescue HD pathological phenotypes, such as aggregation, axonal transport and neuronal viability.The aim of my PhD was to better understand the mechanisms of action of P42, in a purpose to optimize its therapeutic potential. To this end I developed different studies using different models.In a paper now accepted for publication in HMG, I first used a P42-based treatment on R6/2 HD mice, to analyze the effect of P42 on the BDNF/TrkB signaling pathway. To this end I analyzed pathologic phenotypes: behaviors or cell mechanisms developing in R6/2 mice and are related to the BDNF/TrkB pathway. I also measured BDNF and TrkB, mRNA or protein levels in both striatum and cortex. What I found is that P42 is acting on BDNF/TrkB pathway mainly by increasing the protein level of TrkB in the striatum.To observe the effect of P42 on vesicular transport, I rather used a Drosophila model, to perform live imaging based studies, in different transgenic conditions: with or without mHTT or P42.Also, in a way to better follow the progression of different pathological phenotypes and the effect of treatments on R6/2 mice, I benefited from a very recent and innovative tool, the HAMLET, which allows a multi-behavioral test.Finally, a bitherapy was used on R6/2 mice combining P42 and P3, a peptide raised against PolyQ mRNA that are also toxic.All those results contribute or will contribute to a better understanding of P42 mechanisms of action.

De nombreux individus consomment une, ou plusieurs, substances psychoactives au cours de leur vie. Alors que la majorité des consommateurs maintient une utilisation épisodique et contrôlée, certains perdent le contrôle sur l’usage de la substance ; symptôme majeur d’une addiction. Comprendre les mécanismes psychobiologiques, qui sous-tendent cette vulnérabilité à passer d’un usage contrôlé à un usage compulsif, constituerait une étape décisive dans la compréhension de la pathologie et l’identification de cibles thérapeutiques pertinentes. En effet, malgré un intense effort de recherche au cours des 40 dernières années, les thérapies disponibles se révèlent d’une efficacité limitée. Il faut probablement en chercher la cause dans la complexité de la pathologie, mais aussi dans l’inadéquation des préparations expérimentales à la définition clinique de l'addiction. Dans ce contexte, une étape décisive a été franchie il y a 5 ans lorsque des chercheurs de notre équipe ont développé le premier modèle pluri-symptomatique d’addiction à la cocaïne chez le rat. Grâce à ce modèle, il est possible d’identifier des animaux qui développent un comportement similaire à l’addiction, alors que d’autres maintiennent un usage contrôlé, et ce, malgré une consommation préalable de drogue équivalente. S'appuyant sur ce modèle d'addiction chez le rat, le but de nos travaux de thèse était d’identifier des différences neurobiologiques entre usagers addicts et non-addicts et d’aborder les mécanismes neurobiologiques qui sous-tendent la transition vers l’addiction. Pour ce second point, nous avons considéré les différences majeures identifiées et étudié leur évolution de l’usage précoce de cocaïne (avant l'addiction) à l'usage tardif (après développement de l’addiction) en fonction des sujets (addicts versus non-addicts). Nous avons utilisé une approche multidisciplinaire associant les principales méthodes des neurosciences comportementales, moléculaires et des systèmes. Nous avons comparé addicts et non-addicts au moyen d’une stratégie ciblée et d’une stratégie non ciblée. La stratégie non ciblée a consisté à évaluer l'expression des gènes à grande échelle, dans des structures cérébrales clés, au moyen d’une technique de gene profiling (environ 28 000 gènes testés simultanément). L'approche ciblée a consisté à analyser des facteurs connus pour être modifiés par l'usage ou l’administration chronique de cocaïne. Nous nous sommes concentrés sur une structure majeure, le noyau accumbens, et avons étudié : i. l'expression de gènes cibles au moyen de la qPCR, ii. plusieurs formes de plasticité synaptique à l'aide de l’électrophysiologie in vitro, iii. l'activité des neurones dopaminergiques de l’aire tegmentale ventrale (VTA) (projetant vers le noyau accumbens) au moyen de l’électrophysiologie in vivo, iv. la libération de dopamine dans le noyau accumbens au moyen de la microdialyse in vivo. Nous avons montré que les rats addicts et non-addicts s'adaptent très différemment à la cocaïne. Les usagers non-addicts paraissent en mesure de contrecarrer les changements neurobiologiques précoces provoqués par la cocaïne, tandis que les addicts ne le sont pas. Ils présentent des réponses neurobiologiques similaires à celles d'animaux naïfs vis-à-vis de la cocaïne ou d'animaux ayant été exposés à la drogue sur une très courte période. En résumé, les données obtenues au cours de ce travail de thèse modifient drastiquement la perception commune de la psychopathologie de l’addiction. L'addiction résulterait moins de modifications produites par la drogue (comme on le pense depuis 40 ans) que de l'incapacité à lutter contre ces modifications. / Numerous individuals consume one, or several, psychoactive substances during their lifetime. Although most consumers make only occasional and controlled use of a substance, some lose control of their use, which constitutes a major symptom of addiction. Understanding the psychobiological mechanisms which underlie this vulnerability to the transition from controlled drug use to addiction would constitute a decisive step forward in our understanding of the pathology and in our identification of the relevant therapeutic targets. Indeed despite intense research efforts during the last 40 years, the therapies available are of limited efficacy. This is probably related to the complexity of the pathology, as well as to the unsuitability of experimental preparations to the clinical definition of addiction. In such a context, there was a significant breakthrough 5 years ago when our research team developed the first pluri-symptomatic model of cocaine addiction in the rat. Thanks to this model it is possible to single out animals that develop an addiction-like behavior from others that, despite equivalent prior drug consumption, keep their use under control. The aim of our doctoral research, based on this rat addiction model, was to identify the neurobiological differences between addicted and non-addicted users, and then to start investigating neurobiological mechanisms that could underly transition to addiction. For this latter point we considered the major differences identified between addicts and non-addicts, and we studied their evolution from early (before addiction) to late cocaine use (after addiction development). We used a multidisciplinary approach associating behavioral, molecular and systems neuroscience. We compared addicts and non-addicts by means of a targeted strategy and a non-targeted strategy. The non-targeted strategy consisted in evaluating large-scale gene expression by means of a gene–profiling technique (approximately 28,000 genes tested simultaneously). The targeted approach consisted in analysing factors known to be modified by the use or chronic administration of cocaine. Concentrating on one main structure, the nucleus accumbens, we studied: (i) the expression of targeted genes by means of qPCR; (ii) several forms of synaptic plasticity using in vitro electrophysiology; (iii) the activity of the dopaminergic neurons of the ventral tegmental area (VTA) (projecting towards the nucleus accumbens) using in vivo electrophysiology; (iv) the liberation of dopamine in the nucleus accumbens by means of in vivo microdialysis. We showed that addict and non-addict rats adapt to cocaine in very different ways. Non-addict users seem able to counteract the early neurobiological changes triggered by cocaine, while addict users are not. Addict users present neurobiological responses to cocaine that are similar to those of naive animals or of animals having been exposed to the drug for a very short period. In conclusion, the data obtained during this PhD work radically modify the general perception of the psychopathology of addiction. Addiction would be less due to modifications produced by the drug (as thought for the last 40 years) than to the inability to fight against those modifications.

La gustation est un sens essentiel à tous les animaux, leur permettant de détecter aussi bien des substances à valeur alimentaire (sucres, sels, lipides, acides aminés) que des substances potentiellement toxiques dissoutes en solution aqueuse ou adsorbées sur des surfaces (feuille, cuticule). Contrairement à l'olfaction qui détecte des substances volatiles diffusées dans l'air ambiant, la gustation est étroitement liée à une localisation spatiale des stimuli, impliquant un positionnement très précis de l'organe sensitif. Ces contraintes fonctionnelles impliquent une structuration complètement différente des centres nerveux traitant les informations issues de ces récepteurs chimiques. Dans le cas de l'olfaction, les projections des récepteurs olfactifs sont clairement chimiotopiques, les afférences olfactives se regroupant sur des zones de convergence en fonction des récepteurs membranaires exprimés dans les neurones olfactifs. Dans le cas de la gustation, les projections des récepteurs gustatifs seraient étroitement associées aux projections des mécanorécepteurs, selon une organisation somatotopique. Par rapport au système olfactif, les connaissances sur le fonctionnement du système nerveux gustatif chez les insectes sont restées en retrait, essentiellement à cause des difficultés inhérentes à la caractérisation des projections et à la difficulté de déterminer si à la somatotopie se superpose une chimiotopie. Nous avons étudie le système gustatif associé aux antennes de lépidoptères, en prenant pour modèle la noctuelle du coton Spodoptera littoralis. Les récepteurs gustatifs des antennes sont impliqués dans différents comportements, comme l'ont montré notamment des protocoles d'apprentissage associatif. Cet organe est remarquable chez les lépidoptères car il est dépourvu de muscles (à l'exception de la base) et caractérisé par la duplication de segments homologues (les segments antennaires) portant une distribution d'organes olfactifs et gustatifs identique de segment à segment, avec néanmoins des différences progressives en allant de la base vers l'extrémité. Nous avons abordé d'abord l'aspect fonctionnel des neurones en caractérisant par des techniques électrophysiologiques le spectre de réponse de ces neurones gustatifs à l'aide de stimuli simples (sucres, sels, acides aminés, composés amers). Dans une deuxième phase du travail, la structuration du système antennaire a été abordée par des marquages cellulaires à la neurobiotine de sensilles gustatives individuelles. Ce travail a été précédé par une cartographie précise de la localisation des sensilles gustatives à la surface de l'antenne, par microscopie électronique à balayage. La caractérisation des projections a nécessité l'utilisation d'outils de reconstruction 3D de manière à pouvoir estimer la constance des projections issues de récepteurs homologues entre différents insectes et à estimer la distribution spatiale des projections issues de neurones différents chez le même insecte. L'antenne de l'espèce S. littoralis est constituée de 3 parties : le scape, le pédicelle et le flagelle. Seul le flagelle, qui est constitué d'environ 70 segments, porte des sensilles gustatives. Chaque segment a une partie ventrale et une partie dorsale. Au niveau de la partie ventrale on trouve 4 sensilles gustatives: 2 latérales et 2 médiales. Les premiers segments situés à la base de l'antenne sont dépourvus de sensilles médiales. On commence à les observer à partir des 6ème-7ème segments à la base de l'antenne. Au niveau du dernier segment situé à l'extrémité, on observe une couronne de sensilles gustatives (6 ou 7). La partie dorsale de l'antenne est couverte d'écailles, mais on peut observer 2 sensilles gustatives médiales au niveau de chaque segment sauf pour les segments situés à la base de l'antenne. Chaque sensille contient 4 neurones gustatifs et un mécanorécepteur. Les males et les femelles présentent des neurones gustatifs qui sont stimulés par les sucres et le sel. Il n'y a pas de différences de sensibilité au long de l'antenne. Chez les femelles, les sensilles gustatives présentes sur la partie dorsale de l'antenne répondent de façon plus faible aux stimuli que celles présentes sur la partie ventrale. Les réponses sont généralement plus faibles chez les mâles que chez les femelles. Les marquages neuronaux nous ont permis d'identifier 4 zones de projection. Deux zones sont dans le deutocérébron: le centre moteur et mécanosensoriel de l'antenne (CMMA) et une zone située postérieurement par rapport aux lobes antennaires. Les deux autres zones sont dans le complexe tritocérébron/ganglion sous-oesophagien. La zone de projection deutocérébrale postérieure aux lobes antennaires n'a jamais été décrite auparavant. Etant donné qu'une sensille gustative contient plusieurs neurones, dont un mécanorécepteur, et que chacun de ces neurones répond à des substances différentes, on présume que les zones de projection décrites présentent des différences fonctionnelles. Les méthodes d'analyse utilisées ne nous ont pas permis de déceler de projections somatotopiques des neurones provenant des sensilles gustatives situées a des endroits différents sur l'antenne. Cependant, on ne peut pas exclure qu'une analyse plus fine de ces projections pourrait révéler une forme de somatotopie. L'antennation est un comportement fréquent avant l'accouplement ou la ponte ; le rôle des récepteurs gustatifs dans ce type de comportement reste cependant mal connu. Pour une meilleure interprétation de nos résultats sur le codage neuronal et les projections au niveau du système nerveux central des sensilles gustatives situées au niveau des antennes, il faudra étudier plus précisément le rôle des antennes dans l'accouplement, la détection de la plante hôte et la ponte.

Les techniques de traitement du signal numérique prennent une place grandissante en rythmologie clinique. Ces outils offrent de nouvelles perspectives d'amélioration de la détection d'anomalies rythmiques subtiles et d'interprétation des arythmies complexes. Notre travail se focalise sur l'apport des techniques de traitement du signal pour les arythmies ventri­culaires. Il s'intéresse à trois champs complémentaires: les signaux unidimensionnels (ECG et EGM), la cartographie non-invasive, et la cartographie invasive. Concernant les signaux unidimensionnels, nous proposons tout d'abord une méthodologie d'amélio­ration du rapport signal sur bruit des enregistrements ECG par des méthodes de moyennage et de gating respiratoire. Cette méthodologie offre des perspectives intéressantes pour [a détection de si­gnaux anormaux de faible amplitude et pour la mesure non-invasive de l'intervalle HV. Nous détaillons ensuite les liens entre signaux endocardiques et ECG en fibrillation ventriculaire (FV), en montrant notamment que les fréquences dominantes sont fortement corrélées et qu'une fragmentation endocardique se traduit sur l'ECG de surface par une chute de l'amplitude. Enfin, nous démontrons par une analyse fréquentielle de 63épisodes de FV le lien entre les caractéristiques de ces épisodes et les caractéristiques cliniques des patients qui en sont victimes. Notamment, la fréquence dominante est très corrélée à la cardiopathie sous jacente. Le mode et le site d'induc tion ont également un impact important sur l'arythmie, aussi bien sur les fréquences que le degré de fragmentation et la phase de l'ECG de surface. Concernant la cartographie non-invasive, nous présentons une comparaison de différentes méthodes de résolution en potentiel du problème inverse. Cette comparaison démontre que la méthodologie ECGi fait partie des meilleures approches évaluées. Nous proposons ensuite une étude de validation des cartes d'activation ventriculaires par ECGi dans un contexte clinique sur 55 patients. Cette étude retrouve une corrélation médiocre entre les cartes non-invasives et les cartes de référence. Les résultats sont hétérogènes, avec une bonne corrélation sur les rythmes avec QRS larges. Nous proposons ensuite quelques pistes d'amélioration de ces cartes d'activation, par une analyse nouvelle de la solution fondamentale ECGi qui s'intéresse au gradient et au laplacien du potentiel et par un post-traitement des potentiels reconstruits, en combinant une évaluation des délais entre points voisin avec une mesure locale de temps d'activation. Ces deux techniques permettent une amélioration significative de la qualité des cartes reconstruites. Concernant la cartographie invasive, nous nous intéressons aux domaines et aux techniques d'inter­ polation de mesures ponctuelles. Nous montrons l'importance de ces techniques sur le rendu final d'une carte d'activation. Nous utilisons ensuite une de ces méthodologies pour produire des cartes améliorées chez les pa­tients porteurs d'un syndrome de Brugada. Nous montrons qu'il existe chez ces patients des arguments cliniques en faveur d'un bloc partiel de conduction endo-épicardique prédominant au niveau de l'infundibulum et de la partie latérobasale du ventricule droit. Enfin, nous montrons à l'aide d'un modèle in silico les conséquences arythmogènes d'une telle dis­ sociation, qui se traduit par une inductibilité accrue lorsque le nombre de connexions fonctionnelles résiduelles diminue. Au TOTAL, notre travail utilise les techniques de traitement du signal pour différentes applications autour des arythmies ventriculaires. Nous proposons plusieurs innovations méthodologiques per­mettant d'extraire et de traiter de manière nouvelle le signal électrique cardiaque. Les techniques de cartographie non-invasives doivent encore être améliorées pour tenir toutes leurs promesses. L'élec­trocardiographie et la cartographie de contact pourront voir leur champ d'utilisation étendu par ces innovations. / Signal processing tools are increasingly present in the electrophysiologist' s daily practice. These tools have the potential to enhance the detection of small electrical anomalies, and to enable the analysis of complex arrhythmia. Our work focuses on ventricular arrhythmia, and more specifically on how signal processing tech­ niques can help usbetter understand these diseases. lt is made up of three parts,focusing on different topics: uni-dimensional signal analysis (ECG and endocardial electrograms), non-invasive mapping, and invasive contact mapping. Concerning uni-dimensional signal analysis, we first propose a method to enhance the signal to noise ratio of ECG recordings. We use a combination of signal averaging and respiration gating to achieve this goal, and offer interesting perspectives for the detection of abnormal low amplitude potentials and non-invasive measurement of the HV interval. We then analyze the relationship between endocardial and ECG signais during ventricular fibrilla­ tion (VF) episodes. We demonstrate that endocardial and ECG dominant frequencies are similar,and that higher endocardial fragmentation results in a drop of the waveform amplitude on the surface ECG. Finally, we demonstrate through frequency domain analysis of 63 VF episodes a clear correlation between VF characteristics and clinical factors. Dominant frequency is particularly useful to dis­ criminate between different underlying causal substrates. We also demonstrate that VF characteris­ tics depend on the induction mode and induction site, in terms of dominant frequency, amount of fragmentation and ECG phase. Concerning non-invasive mapping, we compare different potential-based inverse problem resolution techniques. ECGi appears as one of the most reliable techniques. A clinical validation study of non-invasive ventricular activation mapping using ECGi isthen carried­ out. Fifty-five patients were included for whom non-invasive maps are compared to contact maps. We show a very poor overall correlation between non-invasive and invasive maps. Results are het­ erogeneous, with good correlation in patients with wide QRS activation patterns. Wethen propose different techniques to improve non-invasive activation mapping. A first study uses the surface laplacian and the gradient of the inverse-computed potential as inputs to activation map­ ping. A second study combines estimated delays between neighboring points and local activation time estimates to create a more globally coherent solution. Both studies demonstrate a significant improvement of activation maps. Concerning contact mapping, we first give an overview of interpolation domains and techniques that can be used to provide dense activation maps from sparse measures. We illustrate the influence of these techniques on the clinician's ability to make a correct diagnosis. We then use one of these interpolation techniques to create epicardial activation maps in Brugada patients. We show that these patients harbor epicardial electrical activity compatible with partial endo-epicardial conduction block. This phenomenon predominates in the right ventricular lateral wall and outflow tract. Finally,using an in silico model, we demonstrate the arrhythmogenic potential of such a dissociation. lnducibility peaks as the number of residual functional connections between endo and epicardium falls. ÜVERALL, our work uses signal processing techniques for different applications conceming ven­ tricular arrhythmia. We propose different methodological innovations that allow us to record and process cardiac electrical activity with increasing precision. Further progress is still required before non-invasive mapping can live up to its promises. The proposed methodological innovations can extend the use of electrocardiography and invasive mapping.

L’addiction se caractérise par une recherche et une consommation pathologiques de la drogue, maintenues malgré leurs conséquences néfastes. C’est une pathologie chronique car, le plus souvent, les tentatives de sevrage se soldent par une rechute. L’addiction à la cocaïne se développe chez 15 à 20 % des usagers, après un usage plus ou moins prolongé. Les solutions thérapeutiques font gravement défaut et c’est un enjeu que de comprendre les mécanismes neurobiologiques qui sous-tendent cette addiction. Les études cliniques et précliniques proposent que l’addiction résulte d’un déséquilibre entre les circuits cortico-subcorticaux qui gèrent la valeur motivationnelle de la drogue et ceux qui sont impliqués dans le contrôle cognitif inhibiteur. Des changements séquentiels dans des circuits interconnectés qui incluent notamment le noyau basolatéral de l’amygdale, le noyau accumbens et le cortex préfrontal seraient au cœur de processus motivationnels pathologiques et d’une difficulté à inhiber le craving et la consommation. L’étude de l’addiction, à l’échelle des circuits neuronaux, fait face à plusieurs défis. Techniquement limitée chez l’homme, elle peut bénéficier des modèles animaux, mais seulement s’ils capturent des dimensions de la pathologie. Au cours des dix dernières années, de tels modèles ont été mis en œuvre, mais exclusivement chez le rat. Or, les outils pour l’exploration fonctionnelle fine des circuits neuronaux ont été majoritairement développés chez la souris. Un autre défi consiste à pouvoir questionner la fonctionnalité des circuits, en temps réel, sur l’individu se comportant. Mes travaux de thèse ont eu pour objectif : 1. L’étude de marqueurs de connectivité fonctionnelle chez des rats Addict et des rats Non-addict à la cocaïne. Notre modèle d’addiction à la cocaïne permet d’identifier 15 à 20 % de rats qui, après une période prolongée d’autoadministration intraveineuse de cocaïne, et bien qu’ils aient consommé la même quantité de cocaïne que les autres, montrent une très forte motivation pour la substance, une difficulté à limiter la recherche de drogue, et maintiennent la prise de cocaïne malgré ses conséquences néfastes. L’électrophysiologie in vivo, multi-site, au moyen d’enregistrements unitaires ou de potentiels de champs locaux est un outil de choix pour l’exploration de la connectivité fonctionnelle chez le rongeur. Un défi technique a été de l’adapter pour la coupler à notre modèle d’addiction à la cocaïne chez le rat. Nous avons montré des différences significatives de connectivité fonctionnelle entre rats Addict et Non-addict, suggérant un défaut de fonctionnalité du cortex préfrontal médian (PFM) chez les Addict. 2. L’étude du rôle du cortex prélimbique (PL) dans le contrôle du comportement d’autoadministration de cocaïne chez le rat. Des données récentes de la littérature remettent en cause le dogme selon lequel le PL exerce exclusivement un rôle facilitateur sur les propriétés motivationnelles de la cocaïne. Nous avons cherché à clarifier le rôle du PL dans le comportement d’autoadministration de cocaïne avant que ne se développe une addiction : comprendre son rôle dans l’usage précoce de cocaïne pour, à terme, étudier l’évolution de son implication selon que l’individu développe ou non une addiction. Nous avons montré que l’inactivation du PL peut s’accompagner, chez le même individu, d’une diminution ou d’une exacerbation du comportement de recherche de cocaïne selon les contingences expérimentales. Les neurones du PL émettent des projections vers plusieurs structures. Pour étudier leur rôle dans les effets comportementaux observés, nous avons travaillé à la mise au point d’outils optogénétiques pour la manipulation de l’activité de voies neuronales spécifiques, chez le rat, pour lequel ils sont encore très peu développés. Mes travaux de thèse contribuent tant sur le plan théorique que technique à la compréhension des mécanismes psychobiologiques de l’addiction à la cocaïne. / Drug addiction is characterized by pathological drug seeking and taking, maintained despite their negative consequences. This is a chronic pathology, withdrawal attempts being unsuccessful in most cases. Cocaine addiction develops in about 15 to 20 % of habitual users. For cocaine, therapeutic options are lacking, which could be explained by the relatively poor understanding of the neurobiological mechanisms underlying cocaine addiction to date. Clinical and preclinical studies propose that addiction results from an imbalance between the cortical-subcortical circuits that process motivational value of drug-related stimuli versus those involved in cognitive inhibitory control. Hierarchical sequential changes in distinct, but interconnected circuits, including the basolateral amygdala, the nucleus accumbens and the prefrontal cortex could be at the core of pathological incentive processes and difficulty to control craving and drug taking. Studying addiction at the neuronal circuit level faces many challenges. Technically limited in humans, it can benefit from animal models, but only if they properly capture dimensions of the pathology. Over the last ten years, such models have been developed, but exclusively in rats. However, tools for a refined functional exploration of neuronal circuits have been established mostly in mice, and until recently they have begun to be explored in rats. In addition, another main challenge is the ability to investigate functional connectivity in real time in behaving animals. My thesis work had two objectives: 1. Studying markers of functional connectivity in rats showing a cocaine addiction-like behavior (Addict) or not (Non-addict). Our model of cocaine addiction allows identifying 15-20% of rats that show a high motivation for cocaine, a difficulty to limit drug seeking and that maintain drug taking despite negative consequences. These extreme behaviors occur after prolonged cocaine self-administration and despite that these rats have used a comparable amount of cocaine as compared to the others. In vivo, multi-site electrophysiology recordings, applied to single units or local field potentials, is a tool of choice for studying functional connectivity in rodents. A technical challenge has been to adapt and couple it to our model of cocaine addiction in the rat. We have evidenced significant differences in connectivity between Addict and Non-addict rats, which suggest a default of functionality of the medial prefrontal cortex in the Addict rats. 2. Studying the role of the prelimbic cortex (PL) in cocaine self-administration behavior in the rat. The canonical role of the PL in exclusively promoting drug seeking was recently questioned, with studies involving it also in inhibition of drug seeking. Our first goal was to clarify this role of the PL in early cocaine self-administration, i.e. before addiction-like behavior develops: understanding its early role to eventually compare it to its late role and whether an addiction-like behavior develops or not. We have shown that optogenetic PL inactivation can decrease or increase cocaine seeking in the same individual, according to experimental contingencies. PL neurons project to several remote structures. To study the role of these different neuronal pathways, we have worked in establishing optogenetic tools for the manipulation of specific neuronal pathways, in the rat, for which they are still poorly developed. My thesis work contribute, both theoretically and technically, to the understanding of the psychobiology of cocaine addiction.

Doctorat en Sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La deuxième semaine qui suit la naissance est critique pour le développement du système locomoteur de la souris. C’est pendant cette semaine que les souriceaux acquièrent leur posture et commencent à marcher. Cette transformation implique une réorganisation en profondeur des éléments composant les unités motrices. Cependant, nous ne savons encore que peu de choses sur la différenciation des propriétés intrinsèques des motoneurones innervant les fibres musculaires. Contrairement à l’adulte, où la décharge démarre au début de la stimulation, les motoneurones de souriceaux déchargent de façon hétérogène. En effet, une stimulation au seuil induit chez certains motoneurones une décharge commençant au début du créneau alors que la décharge est retardée dans d’autres motoneurones. Par des enregistrements de motoneurones sur des tranches de moelle épinière à P6-P10, j’ai dans un premier temps caractérisé les courants sous‐tendant la décharge retardée et j’ai constaté que deux conductances potassiques (l’une ressemblant au courant de type A et l’autre très lente) étaient activées autour du seuil de décharge. Lorsqu’elles s’activent, ces conductances sont capables d’hyperpolariser le potentiel de membrane et d’empêcher le motoneurone de décharger. Puis, en s’inactivant, la membrane se dépolarise et le neurone commence à décharger avec un retard pouvant aller jusqu’à plusieurs secondes après le début du créneau. En outre, les deux populations de motoneurones présentent des propriétés électro-physiologiques et morphologiques différentes. Les motoneurones à décharge retardée possèdent un arbre dendritique plus ramifié que ceux à décharge immédiate. En conséquence, les motoneurones à décharge retardée possèdent une conductance d’entrée et un seuil de recrutement plus faible. De plus le temps de relaxation de l’hyperpolarisation suivant chaque potentiel d’action (AHP) est plus long dans les motoneurones à décharge immédiate. Enfin, une partie des motoneurones à décharge retardée exprime la protéine chondrolectine récemment décrite comme un marqueur moléculaire des motoneurones de type rapide. L’ensemble de nos résultats nous permet de faire l’hypothèse que les motoneurones à décharge retardée sont des motoneurones innervant les unités motrices de type rapide alors que ceux à décharge immédiate innervent les unités motrices de type lent. Dans un second temps, j’ai étudié l’effet de la mutation SOD1 G93A, un modèle murin de la sclérose latérale amyotrophique, sur les motoneurones spinaux à P6‐P10. Sachant que cette maladie affecte les motoneurones de façon différente à l’âge adulte, j’ai cherché à savoir si, chez les souriceaux SOD1 G93A, les motoneurones à décharge retardée et immédiate étaient affectés de la même façon. Mes résultats montrent que seuls les motoneurones à décharge immédiate sont hyperexcitables. Pour ces motoneurones, le seuil de décharge est plus hyperpolarisé et leurs dendrites sont plus courtes de 35%. Ces résultats amènent à reconsidérer le lien supposé entre hyperexcitabilité et dégénérescence des motoneurones. / In the second postnatal week, the locomotor behavior of mice changes from crawling to walking. This is made possible by profound changes in motor units. Yet, how the discharge properties of spinal motoneurons evolve during post-­‐natal maturation and whether they have an effect on the motor unit maturation remains an open question. In neonates, the spinal motoneurons display two modes of discharge. For threshold pulses, 33% of the motoneurons have a discharge that start at the current onset and adapts during the pulse (“immediate firing motoneurons”). The remaining 66% motoneurons fire with a large delay and the discharge then accelerates throughout the pulse (“delayed firing motoneurons”). Though the delayed firing pattern is quite common in spinal motoneurons of neonates, the ionic mechanisms that elicit this mode of discharge have received little attention. Using the patch-clamp technique to record P6‐P10 mouse motoneurons in a spinal cord slice preparation, I characterized the ionic currents that underlie the delayed firing pattern. This is caused by a combination of an A-like potassium current that acts on a short time scale and a slow‐inactivating potassium current that delays the discharge on a much longer time scale. I then investigated how these two potassium currents contribute to the recruitment threshold and how they shape the F-I function of delayed motoneurons in neonatal mice. The slow inactivating potassium current induces memory effects that have a strong impact on motoneuron excitability and on its discharge. Building on these results, I tried to correlate the discharge pattern to known physiological sub‐types. The delayed firing motoneurons have a larger input conductance, a higher rheobase, a narrower action potential, a shorter AHP and a more complex dendritic arbor than the immediate firing motoneurons. Additionally, only a sub-­‐population of the delayed firing motoneurons expressed the chondrolectin protein, a fast motoneuron marker. Based on this body of corroborating evidence, the immediate firing motoneurons would be slow type motoneurons whereas the delayed firing motoneurons would be fast type motoneurons. Finally, numerous electrical and geometrical abnormalities have been observed in spinal motoneurons of SOD1 G934 mice (model of the amyotrophic lateral sclerosis) during the second post-natal week but the results were somehow contradictory. In relation to the known differential sensitivity to the disease exhibited by slow and fast motoneurons, I investigated whether the immediate and delayed firing motoneurons are equally affected by the SOD1 mutation. This is not the case. I found that the SOD1 mutation induced a decrease in the rheobase and a hyperpolarization of the voltage threshold only in the immediate firing motoneurons, thereby making them more excitable than in WT mice. Furthermore, the dendrites of the immediate firing motoneurons are substantially shorter (about 35%) in the mutant than in the WT. In sharp contrast, the excitability of the delayed firing motoneurons is unchanged and the dendritic tree is nearly unaffected (the dendrites only undergo a 10% elongation). These results allow for reconsidering the link between hyperexcitability and degenerescence of the motoneurons

Le bien-être animal est considéré un phénomène multidimensionnel basé sur les conditions et les expériences de vie de chaque individu, et lié aux fonctions organiques et à la sensibilité de l’individu même. L’étude des émotions animales est complexe mais les hypothèses sur leurs états émotifs peuvent être formulées sur la base de mesures neurophysiologiques, comportementales et cognitives. Des études récentes ont montré que la latéralité cérébrale et comportementale, la fréquence cardiaque et l'activité cérébrale (mesurée par électroencéphalographie sont des paramètres qui permettent d’évaluer la perception de la valence et du niveau stimulant des émotions chez l’animal et l'Homme. Le but principal de ce projet de thèse était d’étudier la perception que les chiens et les chevaux ont du contenu émotionnel des signaux humains et l’impact potentiel que peuvent avoir ces signaux sur l’état émotionnel de ces animaux et par conséquent sur leur bien-être. Dans ce but, nous avons présenté à ces animaux des stimuli exprimant diverses émotions. Nous avons utilisé une approche intégrée combinant l’analyse de la latéralité comportementale, de la fréquence cardiaque, de l’activité cérébrale et du comportement des sujets afin de répondre à 2 questions: 1) les chiens et les chevaux perçoivent-ils le contenu émotionnel des signaux humains? 2) Les chiens et les chevaux attribuent-ils une valence et une intensité différentes selon les émotions humaines perçues. Les résultats de ce travail de thèse montrent que les chiens et les chevaux traitent différemment les signaux émotionnels en fonction de leur valence et de leur intensité. La perception de la voix de l'homme par le cheval est modulée par la valence des interactions homme-cheval antérieures et par les conditions de vie des chevaux. En ce qui concerne les chiens, nos résultats montrent qu’ils discriminent et perçoivent les émotions contenues dans les signaux visuels, auditifs et olfactifs humains différemment, et nous fournissent de nouvelles connaissances sur le fonctionnement émotionnel du cerveau du chien. Les résultats de ce travail de thèse apportent un cadre théorique pour définir des paramètres utiles à l'évaluation du bien-être animal. / Animal welfare is considered to be a multidimensional phenomenon based upon life experiences and conditions, characterized by how an individual feels and functions. The study of emotions in animals is difficult but assumptions of emotional states are usually derived from neurophysiological, behavioral and cognitive measurements. Recent literature shows that cerebral and behavioral laterality, cardiac activity and brain activity (measured by electroencephalography) are suitable parameters to examine animals’ and human emotional processing along the valence and arousal dimensions. The main aim of the present research project was to investigate dogs and horses perception of the emotional content of human signals that potentially affects animals’ affective state and welfare. An integrated approach combining the analysis of behavioral lateralization, cardiac and brain activity, and subjects’ behavior was applied in order to answer to the following questions: 1) Do dogs and horses perceive the different emotional content of human signals? 2) Do dogs and horses attribute a different valence and intensity to the human emotions perceived? Overall, the results of this thesis project demonstrate that dogs and horses process differently emotional signals according to their valence and intensity. In particular, horses perception of a human voice is modulated by the valence of the prior horse-human interactions and by subjects’ living conditions. As for dogs, results demonstrate that they discriminate and perceive differently the emotional content of human visual, auditory and olfactory signals, providing new insights into the emotional functioning of the canine brain. The current research offers a theoretical framework for defining useful parameters to evaluate animal welfare.

Les mammifères, comme par exemple les rongeurs, soumis à des expériences aversives présentent des réponses comportementales de peur caractéristiques notamment une réponse d'immobilisation (freezing) ou d'évitement. Alors que le rôle du cortex préfrontal dorso-médian (CPFdm) dans l’acquisition ainsi que l’expression du freezing a déjà été expérimentalement établi, son implication dans l’encodage des réponses d’évitement de peur ainsi que l’interaction entre les circuits neuronaux préfrontaux impliqués dans le freezing et/ou l’évitement restent mal compris. Afin de répondre à ces questions, nous avons développé au laboratoire un paradigme expérimental permettant à une souris d’acquérir et d’exprimer le freezing ou l’évitement lors de la présentation d'un même stimulus aversif et ceci en fonction du contexte environnant. Ainsi, nous avons pu déterminer si les mêmes circuits neuronaux dans le cortex préfrontal dorso-médian encodent les deux réponses de peur, le freezing et l’évitement. Nous avons mis en oeuvre au cours de ce travail des approches comportementales, de traçage neuroanatomique, d'immunohistochimie, d'enregistrements extracellulaires in vivo et intracellulaires in vitro ainsi que des approches optogénétiques. Nos résultats indiquent que (i) le CPFdm et les régions dorsales de la substance grise périaqueducale sont activés pendant le comportement d'évitement, (ii) une sous population de neurones du CPFdm encode le comportement d'évitement mais pas le freezing, (iii) cette population neuronale projette sur le dl/lPAG, (iv) l'activation et l'inhibition optogénétique de cette projection induit et bloque l'apprentissage de l'évitement, respectivement et (v) l'apprentissage de l'évitement est associé à la mise en place d'une plasticité des afférences préfrontales sur le dl/lPAG. Dans leur ensemble ces résultats démontrent pour la première fois que la plasticité dépendante de l'activité des neurones du CPFdm projettant sur le dl/lPAG contrôle l'apprentissage de l'évitement de peur. / Mammals, including rodents show a broad range of defensive behaviors as a mean of coping with threatful stimuli including freezing and avoidance behaviors. Several studies emphasized the role of the dorsal medial prefrontal cortex (dmPFC) in encoding the acquisition as well as the expression of freezing behavior. However the role of this structure in processing avoidance behavior and the contribution of distinct prefrontal circuits to both freezing and avoidance responses are largely unknown. To further investigate the role of dmPFC circuits in encoding passive and active fear-coping strategies, we developed in the laboratory a novel behavioral paradigm in which a mouse has the possibility to either passively freeze to an aversive stimulus or to actively avoid it as a function of contextual contingencies. Using this behavioral paradigm we investigated whether the same circuits mediate freezing and avoidance behaviors or if distinct neuronal circuits are involved. To address this question, we used a combination of behavioral, neuronal tracing, immunochemistry, single unit and patch clamp recordings and optogenetic approaches. Our results indicate that (i) dmPFC and dorsolateral and lateral periaqueductal grey (dl/lPAG) sub-regions are activated during avoidance behavior, (ii) a subpopulation of dmPFC neurons encode avoidance but not freezing behavior, (iii) this neuronal population project to the dl/lPAG, (iv) the optogenetic activation or inhibition of this pathway promoted and blocked the acquisition of conditioned avoidance and (v) avoidance learning was associated with the development of plasticity at dmPFC to dl/lPAG synapses. Together, these data demonstrate for the first time that activity-dependent plasticity in a subpopulation of dmPFC cells projecting to the dl/lPAG pathway controls avoidance learning.

Les fonctions cognitives dépendent de la génération et du traitement de l’information dans des réseaux neuronaux spécialisés. Le présubiculum, une aire corticale située entre l’hippocampe et le cortex entorhinal, est impliqué dans le sens de l’orientation aussi bien chez l’animal que chez l’Homme. La plupart des neurones du présubiculum sont des cellules de direction de la tête, elles déchargent en fonction de la direction prise par la tête de l’animal. Peu de données existent sur l’organisation fonctionnelle du présubiculum, mais les 6 couches suggèrent que les informations n’y sont pas relayées passivement, mais qu’elles y sont plutôt activement intégrées et raffinées. J’ai étudié les éléments du microcircuit presubiculaire sur tranche aigüe de rongeur, liant structure et physiologie en utilisant la technique de patch clamp. Je me suis d’abord intéressé aux neurones principaux, chez le rat, et j’ai identifié 3 groupes : une population homogène de neurones pyramidaux à décharge régulière dans les couches superficielles ; des neurones pyramidaux à décharge en bouffée dans la couche 4 ; une population hétérogène de neurones à décharge régulière située en couches profondes. Ces populations neuronales constituent la base cellulaire du codage de l’information, et leur diversité suggère une puissance computationnelle avancée dans le traitement du signal nerveux au niveau du présubiculum. Je me suis ensuite intéressé au contrôle inhibiteur dans le présubiculum en étudiant les propriétés des interneurones à partir de souris transgéniques exprimant une protéine fluorescente dans les interneurones. Nous avons montré qu’il existait un continuum au niveau de la diversité des interneurones, depuis des cellules en panier à décharge rapide et exprimant la parvalbumine, jusqu’au cellules de Martinotti à bas seuil d’activation et exprimant la somatostatine. Concernant l’inhibition, le présubiculum semble posséder la complexité de toute aire corticale. Finalement, j’ai étudié les interactions synaptiques entre les cellules pyramidales et les cellules de Martinotti dans couches superficielles, en réalisant des doubles enregistrements en patch clamp. Les cellules de Martinotti procurent une inhibition fiable au niveau des dendrites des cellules pyramidales. L’efficacité de la synapse excitatrice s’améliorait lors de stimulations répétées à haute fréquence. L’inhibition dendritique délivrée par les cellules de Martinotti du présubiculum pourrait constituer un processus homéostatique répondant à une stimulation soutenue. Mon travail de thèse a apporté des connaissances essentielles sur le microcircuit du présubiculum. Il a fait la lumière sur les différentes populations de neurones principaux et d’interneurones et a révélé une boucle de rétrocontrôle inhibiteur qui est recruté préférentiellement lors d’activités maintenues. / Cognitive functions rely on the generation and regulation of information in special- ized neuronal networks. The presubiculum, a cortical area located between the hippocampus and the entorhinal cortex, is involved in signaling the sense of orientation in animals as well as in humans. Most presubicular neurons are Head Direction Cells, that is, they fire as a function of directional heading. The presubiculum constitutes a crucial crossroad for spatial information. Very few data exist on the functional organization of the presubiculum, but its 6-layered cytoarchitecture suggests that signals are not passively relayed but rather actively integrated and refined. During my PhD, I studied the microcircuit elements of rodent presubiculum in the slice preparation, linking structure and physiology using patch clamp records. First, I focused on rat principal neurons and distinguished 3 groups: a homoge- neous population of regular spiking neurons in superficial layers, mostly pyramidal; intrinsically burst firing neurons of layer 4; and a very heterogeneous population of regular spiking neurons in deep layers. These populations constitute the primary elements for information processing in the presubiculum, and their diversity suggests a high computational power. Then, I addressed the question of the inhibitory control in the presubiculum. Recordings were performed from slices of transgenic mouse strains that express fluorescent proteins in interneurons. We showed a continuum of diversity for parvalbumin- (PV) and somatostatin- (SST) containing interneurons, from the archetypical PV- positive fast spiking basket cells to the SST-positive low-threshold spiking Martinotti cells. Regarding the inhibition, the presubiculum seems to possess the complexity of all cortical areas. Finally, I investigated the synaptic interactions of pyramidal cells and Martinotti cells in superficial layers, using dual patch clamp recordings. Martinotti cells provide low amplitude but reliable inhibition onto pyramidal cell dendrites. I found that the strength at the excitatory synapse was enhanced following repetitive stimulation at high frequency. Consequently, dendritic inhibition by presubicular Martinotti cells may act as a homeostatic response to sustained excitation. My PhD work brought essential knowledge about the presubicular microcircuit. It has shed light on the different populations of principal neurons and GABAergic interneurons and has uncovered a feedback inhibitory loop that is recruited during sustained but not transient activity.