Chez les animaux et en particulier les insectes, l’alimentation comprend une phase d’examen sensoriel qui précède l’ingestion, afin notamment d’éviter d’ingérer des substances toxiques. Cette détection fait intervenir des cellules spécialisées dans la détection de telles molécules, cellules qui sont généralement qualifiées de sensibles aux goûts « amers ». A l’aide d’observations électrophysiologiques et comportementales, nous avons abordé comment un insecte modèle, la drosophile, était capable de détecter des substances potentiellement toxiques mélangées à des sucres à l’aide de ses neurones gustatifs. Dans une première partie, nous avons étudié la détection de la L-canavanine, qui est un acide aminé non protéique. Cette molécule est toxique pour l’homme comme pour les animaux car elle est confondue par le métabolisme avec un acide aminé, la L-arginine, et intégrée à sa place dans les protéines. En utilisant des constructions génétiques et en particulier le système UAS-Gal4, nous avons montré que la Lcanavanine est détectée par des cellules gustatives qui expriment une protéine réceptrice GR66a, qui est impliquée dans la détection de nombreuses substances amères. Nous avons également montré que, contrairement à la caféine, la détection de L-canavanine nécessite des protéines Gαo fonctionnelles. Nous avons ensuite étudié les interactions sucré-amer. Dans un premier travail, nous avons montré que l’addition de Lcanavanine une solution sucrée n’altérait pas la détection des sucres, contrairement à la strychnine qui peut complètement supprimer la détection du sucre dans les cellules gustatives. Grâce à des ablations spécifiques des cellules détectant l’amer, nous avons pu montrer que cette inhibition était une propriété intrinsèque des cellules sensibles aux. sucres. Les cellules sensibles aux sucres auraient donc des sites récepteurs non identifiés, sensibles à certains ligands amers. Nous avons également abordé des interactions inverses, à savoir l’inhibition de la détection de substances amères par des sucres, en confrontant 4 substances amères (denatonium, berberine, caféine, umbelliferone) à 12 sucres. Les observations que nous avons réalisées montrent que certains sucres exercent un effet inhibiteur sur la détection des molécules amères testées. En utilisant des outils génétiques permettant l’ablation des cellules sensibles aux sucres, nous avons montré que cette inhibition est une propriété intrinsèque des cellules sensibles à l’amer. Cependant, cet effet inhibiteur est loin d’être aussi efficace que l’inhibition des substances amères sur la détection des sucres. Dans une dernière partie, nous avons évalué la modulation de la détection gustative à l’aide d’analogues d’une neuro-hormone, la leucokinine, connue pour ses effets sur la diurèse. Lorsqu’elle est mélangée à une solution sucrée, ces analogues inhibent la détection des sucres par les sensilles gustatives, à la fois chez le moustique Aedes aegypti et chez la drosophile. La détection de substances « amères » par les cellules gustatives de drosophiles implique donc deux voies de codage : l’une, spécifique, concerne des cellules dédiées à la détection des substances amères ; l’autre, moins spécifique, affecte les cellules dédiées à la détection des sucres. De manière réciproque, ces cellules dédiées à la détection des molécules sont affectées par la présence de ligands sucrés. Le codage des informations gustatives à la périphérie est donc un phénomène plus complexe qui nécessite d’étudier plus précisément la détection de composés en mélanges. / In most animals including insects, ingestion is preceded by a close examination of the food, for example in order to detect the presence of potentially noxious chemicals. This detection involves specialized gustatory cells, which are generally described as sensitive to “bitter” tastes. Using electrophysiology and behavioral observations, we studied how a model insect, Drosophila melanogaster, can detect potentially toxic substances (described here as “bitter”) when mixed with sugar molecules, with their gustatory neurons. In a first part, we studied how L-canavanine is detected. Lcanavanine is a pseudo amino acid, which is confounded with L-arginine by the metabolism. Proteins which include Lcanavanine are non-functional and this compound is toxic for animals including insects. Using genetic constructions based on the UAS-Gal4 expression system, we showed that Lcanavanine is detected by gustatory cells expressing a receptor protein, GR66a, which is specific to most cells capable of detecting bitter substances. We also showed that, contrary to caffeine, the detection of L-canavanine requires functional Gαo proteins. Then, we studied some aspects of the detection of mixtures of sweet and bitter molecules. In a first approach, we contributed to establish that L-canavanine does not impact sugar detection, while other chemicals like strychnine completely inhibit sugar detection. By using the UAS-Gal4 system to ablate bitter-sensitive cells, we could demonstrate that such inhibition is a specific property of sugar- sensitive cells. These cells should have thus receptors for bitter substances which have not been identified yet. We also examined the reverse interaction, which is a possible role of sweet molecules to inhibit the detection of bitter substances. We examined the detection of denatonium, berberine, caffeine and umbelliferone in the presence of 12 different sugars, using behavioral and electrophysiology observations. By using genetic construction to ablate sugar-sensitive cells, we found that the sugar inhibitory action is not due to the presence of sugar-sensitive cells. It should be noted, however that in our experimental conditions, this inhibitory action is less efficient than the inhibition of bitter upon sugar detection. In a last part, we examined the modulation of gustatory perception by analogs of leucokinine, which is a neuropeptide involved in the diuresis of insects. We show that these analogs, when mixed with sugars in solution, can inhibit sugar detection by gustatory sensilla, both in Aedes aegypti mosquitoes and in Drosophila. The detection of bitter molecules by gustatory neurons in Drosophila thus involves two main coding channels: one is specific, and involves gustatory cells dedicated to the detection of bitter molecules; the second one, less specific, is affecting cells which are dedicated to the detection of sugar molecules. Gustatory coding is thus a more complex phenomenon than previously thought on the basis of examining responses to single molecules, thus urging to study the responses of gustatory receptors to more complex and natural mixtures.

La compréhension des mécanismes physiologiques et physiopathologiques du contrôle la locomotion et de ses troubles, constitue un enjeu majeur de la recherche biomédicale, pour améliorer la qualité et l'espérance de vie des patients atteints de la maladie de Parkinson. A partir de données expérimentales, la stimulation cérébrale profonde de la formation réticulée mésencéphalique (FRM), incluant les noyaux pédonculopontins et cunéiformes, a été proposée en 2005 comme nouvelle stratégie thérapeutique pour traiter le freezing de la marche. Cependant, au regard de résultats cliniques très hétérogènes, de nombreuses interrogations se posent concernant les connaissances anatomiques et fonctionnelles de la FRM, marquées notamment par un nombre limité de données expérimentales chez le primate non-humain. Cette étude s'inscrit dans une approche translationnelle associant des données cliniques et pré-cliniques. Dans un premier temps, un modèle de locomotion bipède chez le primate non-humain a été développé puis validé à partir de données cinématiques. Une approche IRM multi-séquences a été développée pour permettre un suivi longitudinal du protocole et la construction d'un atlas du tronc cérébral de Macaca fascicularis. Un mapping électrophysiologique de la FRM a ensuite été réalisé chez deux primates éveillés, qui a permis de mettre en évidence pour la première fois, des activités neuronales qui répondaient à la locomotion, confirmant ainsi l'existence d'une région locomotrice mésencéphalique chez le primate. Après intoxication au MPTP, seule une modification du pattern de décharge des neurones de la FRM a été observée, ainsi que des arguments en faveur d'un dysfonctionnement de l'activité de certains neurones de la FRM durant le blocage du pas. Enfin, des enregistrements électrophysiologiques durant des phases de locomotion puis d'endormissement naturel, suggèrent une double implication de populations neuronales dans le contrôle de la locomotion et du niveau de vigilance. La réalisation d'un nouveau système de coordonnées adapté au tronc cérébral humain a permis de réaliser une étude de corrélations anatomo-cliniques des effets de la stimulation cérébrale profonde du noyau pédonculopontin et de proposer une cible probabiliste pour l'implantation d'électrodes dans la FRM pour traiter le freezing de la marche dans le contexte parkinsonien.

Le canal calcique de type L, Cav1.2, joue un rôle clé dans le couplage excitation-contraction des myocytes ventriculaires. Il a été montré que la sous-unité Cavα1 était sujette à l’épissage alternatif et que ce phénomène pouvait mener à une protéine tronquée en C-terminal au niveau de l’exon 45 (Liao, Yong et al. 2005). D’autres groupes ont étudié différentes délétions au niveau de l’extrémité C-terminale (De Jongh, Warner et al. 1991; Gao, Cuadra et al. 2001). Les courants mesurés dans la configuration cellule entière, était significativement plus grands que le canal « pleine longueur ». Nous avons décidé de tester certaines de ces délétions (ΔC2030, ΔC1935, ΔC1856, ΔC1733, ΔC1700) en présence ou en absence de la sous-unité auxiliaire Cavβ3, susceptible d’interagir avec l’extrémité C-terminale de la sous-unité Cavα1 par l’intermédiaire de son domaine SH3 (Lao, Kobrinsky et al. 2008). Les résultats obtenus dans les ovocytes de Xénope ont mis en évidence que les sous-unités Cavα1.2 tronquées montraient des courants globaux plus élevés que le canal « pleine longueur » en présence de la sous-unité auxiliaire Cavβ3 et que les sous-unités Cavα1.2 tronquées donnaient des courants en absence de la sous-unité Cavβ3 contrairement à la sous-unité Cavα1.2 « pleine longueur ». Afin de vérifier si l’augmentation des courants macroscopiques était le résultat d’une augmentation du nombre de sous-unités Cavα1.2 à la membrane, nous avons choisi de quantifier la fluorescence spécifiquement due à cette sous-unité en utilisant la méthode de cytométrie de flux (FACS : « Fluorescence Activated Cell Sorting »). L’épitope HA a été inséré dans une région extracellulaire de la sous-unité Cavα1 du canal calcique Cav1.2 et un anticorps anti-HA couplé au FITC (« Fluorescein IsoThioCyanate ») a été utilisé pour observer la fluorescence. Nos résultats confirment que la sous-unité Cavα1-HA du canal calcique Cav1.2, s’exprime à la membrane plasmique en présence de la sous-unité auxiliaire Cavβ3, et qu’en absence de celle-ci, ne s’exprime que peu ou pas à la membrane. Les mêmes résultats ont été obtenus pour les trois délétions testées dans les mêmes conditions soit Cavα1.2-HA ΔC1935, Cavα1.2-HA ΔC1856 et Cavα1.2-HA ΔC1733. Ensemble, ces résultats suggèrent que l’augmentation des courants macroscopiques observés après une délétion partielle du C-terminal n’est pas causée par une augmentation du nombre de protéines Cavα1.2 à la membrane. / The L-type calcium channel, Cav1.2, plays an important role in the excitation-contraction coupling of the ventricular myocytes. It has been shown that the alternative splicing of Cavα1.2 subunit could lead to a truncated protein in the C-terminus at exon 45 (Liao, Yong et al. 2005). Many groups have studied deletions in the C-terminus (De Jongh, Warner et al. 1991; Gao, Cuadra et al. 2001). The currents, measured in the whole cell configuration, were significantly higher with the full-length channel. We chose to test some of these deletions (ΔC2030, ΔC1935, ΔC1856, ΔC1733, ΔC1700) in the presence or absence of the Cavβ3 auxiliary subunit which is likely to interact with the C-terminus of the Cavα1.2 subunit through its SH3 domain (Lao, Kobrinsky et al. 2008). The truncated Cavα1.2 subunit, expressed in Xenopus Oocytes, showed macroscopic currents that were greater than those of the full length channel in presence of the Cavβ3 subunit. In addition, the truncated Cavα1.2 subunits displayed currents in the absence of the Cavβ3 subunit in contrast with the Cavα1.2 full length subunit. To investigate whether the larger macroscopic currents resulted in an increase in the number of Cavα1.2 subunits at the plasma membrane, we chose the FACS (« Fluorescence Activated Cell Sorting ») method. An HA-tag was inserted in an extracellular region of the Cavα1.2 subunit and a FITC (« Fluorescein IsoThioCyanate ») coupled anti-HA antibody was used to measure fluorescence. Our results showed that the Cavα1.2-HA subunit of L- type channel is expressed at the plasma membrane in the presence of the Cavβ3 subunit whereas the Cavα1.2-HA subunit is slightly or not expressed at the plasma membrane in its absence. The same results were obtained for the three C-terminal deletions tested under the same conditions (CaVα1.2-HA ΔC1935, CaVα1.2-HA ΔC1856 and CaVα1.2-HA ΔC1733). Taken together, these results suggest that the increased macroscopic currents observed after a partial deletion of the C-terminus is not caused by an increased number of Cavα1.2 proteins expressed at the plasma membrane. Keywords:

Les canaux calciques dépendants du voltage CaV font partie de la famille structurale des canaux ioniques à 6 segments transmembranaires. Tout comme les canaux potassiques Kv, les canaux CaV possèdent une série de résidus chargés dans l’hélice S4 de chaque domaine ou sous-unité qui conférerait à la protéine une sensibilité aux changements de voltage. De plus les hélices S6 tapissent la paroi du pore et forment la porte d’activation de la protéine. Comment le mouvement des hélices S4 se traduit par l’ouverture de la porte d’activation des hélices S6 demeure une question encore non résolue. Suite à la publication de la structure cristalline du canal Kv1.2 en 2005, le groupe de MacKinnon a proposé que le mouvement des hélices S4 est mécaniquement couplé à la porte d’activation S6 à travers le glissement de l’hélice amphiphile S4-S5 selon un mécanisme nommé couplage électromécanique (Long et al. 2005b). Dans le but de déterminer si la région S4-S5 joue un rôle dans l’activation du canal calcique CaV2.3, nous avons étudié, par la méthode d’analyse cyclique de mutations doubles (« Double Mutant Cycle Analysis », (Horovitz 1996)), le couplage entre la boucle S4-S5 et l’hélice S6 du domaine II de ce canal. Les mesures d’énergies d’activation, ΔGact, obtenues en présence des sous-unités auxiliaires CaVα2δ et CaVβ3 ont affiché un couplage significatif pour l’activation entre les paires de résidus V593G/L699G, V593G/A700G, V593G/A702G, S595G/V703G L596G/L699G, L596G/A700G, L596G/I701G, L596G/A702G, L596G/V703G, L596G/D704G, M597G/I701G, et S602G/I701G. Aucune de ces paires de résidus n’a affiché de couplage lors de l’inactivation, suggérant que les effets observés sont spécifiques au mécanisme d’activation. Mis ensemble, ces résultats suggèrent que la boucle IIS4-S5 et l’hélice IIS6 interagissent et jouent un rôle déterminant dans l’activation de CaV2.3. / Voltage dependent calcium channels share a strong structural homology with voltage gated potassium channels. Both families present a conserved series of charged residues present in the S4 helix of each domain that most certainly accounts for the voltage sensitivity of these proteins. Moreover, in both cases, the S6 helices seem to be lining up the pore. How does the movement of the S4 sensors translate into channel opening remains elusive in Ca2+ channels. Following the publication of the crystal structure of the Kv1.2 channel in 2005, the group of Roderick MacKinnon proposed that the voltage sensor is mechanically coupled to the S6 pore through the amphipathic S4-S5 helix that crosses over the S6 inner helix from the same subunit. To determine if the S4-S5 linker, that runs parallel to the membrane plane inside the cell in the Kv1.2 three-D structure, plays a role in the activation of the CaV2.3 calcium channel, we have studied by double mutant cycle analysis the coupling between the S4-S5 linker and the S6 helix of domain II of this channel. The activation energies, Gact, obtained from classical two electrode voltage clamp experiments in the presence of auxiliary subunits CaV2 and CaV3 displayed significant activation coupling coefficients for the pairs of residues V593G/L699G, V593G/A700G, V593G/A702G, S595G/V703G L596G/L699G, L596G/A700G, L596G/I701G, L596G/A702G, L596G/V703G, L596G/D704G, M597G/I701G, and S602G/I701G. None of these pairs displayed significant coupling in the inactivation mechanism, suggesting that the effects observed were specific to activation. Altogether, our results strongly suggest that the S4-S5 linker and the S6 helix of domain II are actively involved in the activation of CaV2.3.

Differentes études ont montré que la sensibilité au Ca2+ du canal KCa3.1, un canal potassique indépendant du voltage, était conférée par la protéine calmoduline (CaM) liée de façon constitutive au canal. Cette liaison impliquerait la région C-lobe de la CaM et un domaine de $\ikca$ directement relié au segment transmembranaire S6 du canal. La CaM pourrait égalment se lier au canal de façon Ca2+ dépendante via une interaction entre un domaine de KCa3.1 du C-terminal (CaMBD2) et la région N-lobe de la CaM. Une étude fut entreprise afin de déterminer la nature des résidus responsables de la liaison entre le domaine CaMBD2 de KCa3.1 et la région N-lobe de la CaM et leur rôle dans le processus d'ouverture du canal par le Ca2+. Une structure 3D du complexe KCa3.1/CaM a d'abord été générée par modélisation par homologie avec le logiciel MODELLER en utilisant comme référence la structure cristalline du complexe SK2.2/CaM (PDB: 1G4Y). Le modèle ainsi obtenu de KCa3.1 plus CaM prévoit que le segment L361-S372 dans KCa3.1 devrait être responsable de la liaison dépendante du Ca2+ du canal avec la région N-lobe de la CaM via les résidus L361 et Q364 de KCa3.1 et E45, E47 et D50 de la CaM. Pour tester ce modèle, les résidus dans le segment L361-S372 ont été mutés en Cys et l'action du MTSET+ (chargé positivement) et MTSACE (neutre) a été mesurée sur l'activité du canal. Des enregistrements en patch clamp en configuration ``inside-out`` ont montré que la liaison du réactif chargé MTSET+ au le mutant Q364C entraîne une forte augmentation du courant, un effet non observé avec le MTSACE. De plus les mutations E45A et E47A dans la CaM, ont empêché l'augmentation du courant initié par MTSET+ sur le mutant Q364C. Une analyse en canal unitaire a confirmé que la liaison MTSET+ à Q364C cause une augmentation de la probabilité d'ouverture de KCa3.1 par une déstabilisation de l'état fermé du canal. Nous concluons que nos résultats sont compatibles avec la formation de liaisons ioniques entre les complexes chargés positivement Cys-MTSET+ à la position 364 de KCa3.1 et les résidus chargés négativement E45 et E47 dans la CaM. Ces données confirment qu'une stabilisation électrostatique des interactions CaM/KCa3.1 peut conduire à une augmentation de la probabilité d'ouverture du canal en conditions de concentrations saturantes de Ca2+. / The Ca2+ sensitivity of the voltage-insensitive calcium activated potassium channel of intermediate conductance KCa3.1 is conferred by calmodulin (CaM) constitutively bound to the membrane-proximal region of the channel intracellular C-terminus. A study was performed to investigate the nature of the residues involved in the CaM/KCa3.1 interactions and determine how these interactions could modulate the channel gating properties. A 3D-structure of the KCa3.1/CaM complex was first generated by homology modeling with MODELLER using as template the crystal structure of SK2.2/CaM complex (PDB: 1G4Y). The resulting structural model of KCa3.1 plus CaM predicts that the segment L361-S372 in KCa3.1 should be responsible for the Ca2+-dependent binding of the channel to the CaM-N lobe, with residues L361 and Q364 facing residues E45, E47 and D50 of CaM. To test this model residues in L361-S372 segment were substituted by Cys and the action of MTSET+ (positive charged) and MTSACE (neutral charged) measured on channel activity. Inside-out patch clamp recordings showed that the binding of the charged MTSET+ reagent to the Q364C mutant resulted in a strong current increase, an effect not seen with the neutral MTSACE. The mutations E45A and E47A in CaM prevented the current increase initiated by MTSET+ on the Q364C mutant. A single channel analysis confirmed that the binding of MTSET+ to Q364C caused an increase in the channel open probability by a destabilization of the channel closed state. Altogether, our results are compatible with the formation of ionic bonds between the positively charged Cys-MTSET+ complex at position 364 in KCa3.1 and the negatively charged E45 and E47 residues in CaM, and confirm that an electrostatic stabilization of the CaM/KCa3.1 interactions can lead to an increase in the channel open probability at saturating Ca2+.

La dépression est une pathologie grave qui, malgré de multiples stratégies thérapeutiques, demeure résistante chez un tiers des patients. Les techniques de stimulation cérébrale sont devenues une alternative intéressante pour les patients résistants à diverses pharmacothérapies. La stimulation du nerf vague (SNV) a ainsi fait preuve de son efficacité en clinique et a récemment été approuvée comme traitement additif pour la dépression résistante. Cependant, les mécanismes d’action de la SNV en rapport avec la dépression n’ont été que peu étudiés. Cette thèse a donc eu comme premier objectif de caractériser l’impact de la SNV sur les différents systèmes monoaminergiques impliqués dans la pathophysiologie de la dépression, à savoir la sérotonine (5-HT), la noradrénaline (NA) et la dopamine (DA), grâce à l’utilisation de techniques électrophysiologiques et de la microdialyse in vivo chez le rat. Des études précliniques avaient déjà révélé qu’une heure de SNV augmente le taux de décharge des neurones NA du locus coeruleus, et que 14 jours de stimulation sont nécessaires pour observer un effet comparable sur les neurones 5-HT. Notre travail a démontré que la SNV modifie aussi le mode de décharge des neurones NA qui présente davantage de bouffées, influençant ainsi la libération terminale de NA, qui est significativement augmentée dans le cortex préfrontal et l’hippocampe après 14 jours. L’augmentation de la neurotransmission NA s’est également manifestée par une élévation de l’activation tonique des récepteurs postsynaptiques α2-adrénergiques de l’hippocampe. Après lésion des neurones NA, nous avons montré que l’effet de la SNV sur les neurones 5-HT était indirect, et médié par le système NA, via l’activation des récepteurs α1-adrénergiques présents sur les neurones du raphé. Aussi, tel que les antidépresseurs classiques, la SNV augmente l’activation tonique des hétérorécepteurs pyramidaux 5-HT1A, dont on connait le rôle clé dans la réponse thérapeutique aux antidépresseurs. Par ailleurs, nous avons constaté que malgré une diminution de l’activité électrique des neurones DA de l’aire tegmentale ventrale, la SNV induit une augmentation de la DA extracellulaire dans le cortex préfrontal et particulièrement dans le noyau accumbens, lequel joue un rôle important dans les comportements de récompense et l’hédonie. Un deuxième objectif a été de caractériser les paramètres optimaux de SNV agissant sur la dépression, en utilisant comme indicateur le taux de décharge des neurones 5-HT. Des modalités de stimulation moins intenses se sont avérées aussi efficaces que les stimulations standards pour augmenter l’activité électrique des neurones 5-HT. Ces nouveaux paramètres de stimulation pourraient s’avérer bénéfiques en clinique, chez des patients ayant déjà répondu à la SNV. Ils pourraient minimiser les effets secondaires reliés aux périodes de stimulation et améliorer ainsi la qualité de vie des patients. Ainsi, ces travaux de thèse ont caractérisé l’influence de la SNV sur les trois systèmes monoaminergiques, laquelle s’avère en partie distincte de celle des antidépresseurs classiques tout en contribuant à son efficacité en clinique. D’autre part, les modalités de stimulation que nous avons définies seraient intéressantes à tester chez des patients recevant la SNV, car elles devraient contribuer à l’amélioration des bénéfices cliniques de cette thérapie. / Depression is a severe psychiatric disorder, in which a third of patients do not achieve remission, despite the wide variety of therapeutic strategies that are currently available. Brain stimulation has emerged as a promising alternative therapy in cases of treatment resistance. Vagus nerve stimulation (VNS) has shown promise in treating resistant-depressed patients, and it has been approved as an adjunctive treatment for resistant depression. However, the mechanism of action by which VNS exerts its antidepressant effects has remained elusive. The first goal of this thesis was therefore to characterize the impact of VNS on monoaminergic systems known to be implicated in the pathophysiology of depression such as serotonin (5-HT), norepinephrine (NE) and dopamine (DA), by means of electrophysiologic techniques and microdialysis in the rat brain. Previous research has indicated that one hour of VNS increased the basal firing activity of locus coeruleus NE neurons and, secondarily, that of 5-HT neurons, but only after 14 days of stimulation. Our work demonstrated that VNS also modified the firing pattern of NE neurons towards a bursting mode of discharge. This mode of firing was shown to lead to enhanced NE release in the prefrontal cortex and hippocampus after 14 days. Increased NE neurotransmission was also evidenced by enhanced tonic activation of postsynaptic α2-adrenoceptors in the hippocampus. Selective lesioning of NE neurons was then used to demonstrate that the effects of VNS on the 5-HT system were indirect, and mediated by the activation of α1-adrenoceptors located on the dorsal raphe 5-HT neurons. Similar to classical antidepressants, VNS also enhanced the tonic activation of pyramidal 5-HT1A heteroreceptors, which are known to play a key role in the antidepressant response. We also found that in spite of a diminished firing activity of ventral tegmental area DA neurons after VNS, extracellular DA levels were significantly elevated in the prefrontal cortex, and particularly in the nucleus accumbens which plays an important role in reward behavior and hedonia. A second objective was to characterize the optimal VNS parameters to treat depression using the firing activity of 5-HT neurons as an indicator. It was found that less stimulation was as effective as the standard levels to increase 5-HT neurons firing rate. These novel parameters could be helpful for clinical application in VNS responsive patients, to potentially minimize and/or even prevent stimulation-related side effects, thus improving their quality of life. In brief, these studies reveal an influence of VNS on all three central monoamine systems, which differs in part from that of classical antidepressants while contributing to the clinical efficacy of this approach. It will also be interesting to determine whether the proposed lower stimulation parameters are as effective in providing antidepressant response in patients receiving VNS, which should contribute to improve the clinical benefits of that therapy.

La Sclérose Tubéreuse de Bourneville est une pathologie génétique rare qui se caractérise par la survenue de crises épileptiques précoces à l’origine du développement de nombreux troubles neurologiques tels que des symptômes autistiques ou des retards mentaux. Les épilepsies retrouvées dans la Sclérose Tubéreuse de Bourneville sont souvent résistantes aux traitements pharmacologiques disponibles soulevant la nécessité de trouver de nouvelles approches médicamenteuses plus efficaces pour traiter les patients. Dans cette étude nous avons mis en évidence que l’AppCH2ppA est une molécule efficace pour bloquer la survenue des crises épileptiques dans un modèle de souris pour la Sclérose Tubéreuse de Bourneville ainsi que sur des résections chirurgicales de tissu provenant de patients humains atteints par la Sclérose Tubéreuse de Bourneville. Nous avons montré que les propriétés antiépileptiques de l’AppCH2ppA s’appuient sur une libération autocrine d’adénosine par les neurones de la couche IV du cortex somatosensoriel et d’une activation consécutive des récepteurs à l’adénosine de type A1. Cette activation a lieu spécifiquement au niveau du compartiment postsynaptique et est responsable d’une activation de conductances potassiques et d’une diminution de l’excitabilité des neurones. L’administration d’AppCH2ppA n’est associé à aucun effet secondaire notables sur la santé des souris. Ainsi l’AppCH2ppA semble être un outil thérapeutique prometteur et peu risqué qui stimule des mécanismes antiépileptiques endogènes naturellement sollicités par le cerveau et efficaces pour stopper et limiter la survenue des crises épileptiques. / Tuberous Sclerosis Complex (TSC) is a rare genetic disease characterized by the presence of epilepsies that appear early and in the life of patients and are responsible for the development of several neurological disorders such as autistic symptoms or mental retardations.In TSC, epileptic seizures often resist to pharmacological approaches raising the importance to find new molecules to treat more efficiently the patients.In this study we showed that AppCH2ppA is an effective molecule to block the onset of epileptic seizures in a mouse model for Tuberous Sclerosis as well as on human patients tissues.We have shown that AppCH2ppA nduce an autocrine release of adenosine by the spiny stellate cells present in the layer IV of the somatosensory cortex. This release is responsible for a subsequent activation of adenosine A1 receptors that occur specifically in the postsynaptic compartment of neurons and is responsible for an activation of potassium channels and a decrease of the excitability of neurons. The administration of AppCH2ppA is not associated with any significant side effects on mouse health. Thus, AppCH2ppA appears to be a promising and low-risk therapeutic tool that stimulates an endogenous antiepileptic pathway that is naturally used in the brain and that is efficient to stop and limit the appearance of epileptic seizures.

Le néocortex possède un état activé dans lequel l'activité corticalemanifeste un comportement complexe. Au niveau cellulaire, l'activitéest caractérisée par de fortes fluctuations sous-liminaires dupotential membranaire et une décharge irrégulière à bassefréquence. Au niveau du réseau, l'activité est marquée par un faibleniveau de synchronie et une dynamique chaotique. Néanmoins, c'est dansce régime que l'information est traitée de manière fiable par lesréseaux neuronaux. Ce régime est donc crucial pour le traitement del'information par le cortex. Dans cette thèse, nous contribuons à sacompréhension en examinant comment les propriétés biophysiques auniveau cellulaire combinées avec les propriétés d'architecture desréseaux façonnent cette dynamique asynchrone.Cette thèse repose sur les modèles de dynamique de réseaux appelésmodèles de champ moyen, un formalisme théorique qui décrit ladynamique de population grâce à une approche auto-consistante. Aucoeur de ce formalisme se trouve la fonction de transfertneuronale : la fonction entrée-sortie d'un neurone. La première partiede cette thèse s'attache à dériver des fonctions de transfertbiologiquement réalistes en incorporant des caractérisationsexpérimentales.Dans un premier temps, nous avons examiné in vitro comment lesneurones néocorticaux pyramidaux de la couche V du cortex visuelrépondent à des fluctuations du potentiel membranaire. Nous avonsobservé que les neurones individuels ne diffèrent pas seulement entermes d'excitabilité, mais qu'ils diffèrent aussi par leurssensibilités aux paramètres des fluctuations. Dans un deuxième temps,nous avons étudié de manière théorique comment l'intégrationdendritique dans des structures arborescentes façonne les fluctuationsau soma. Nous avons observé que, en fonction des propriétés del'activité présynaptique, différentes comodulations des paramètres desfluctuations pouvaient être obtenues. En combinant cette observationavec nos mesures expérimentales, nous avons observé que cela induisaitdes couplages différents entre activité synaptique et déchargeneuronale pour chaque neurone. Nous proposons donc que, puisque cemécanisme offre un moyen d'activer spécifiquement certains neurones enfonction des propriétés de l'entrée, l'hétérogénéité biophysiquepourrait contribuer à l'encodage de propriétés des stimuli dans lestraitements de l'information sensorielle.La deuxième partie de cette thèse examine comment les propriétésd'architecture des réseaux neuronaux se combinent avec les propriétésbiophysiques et affectent les réponses sensorielles via des effets dedynamiques de populations.Nous avons tout d'abord examiné de manière théorique comment un hautniveau d'activité spontanée impactait les réponses post-synaptiquesdans le cortex. Nous avons observé que la compétition entre lerecrutement dans le réseau cortical activé et les effets deconductances associés prédisaient une relation non-triviale entrel'intensité des stimuli et l'amplitude des réponses. Cette prédictionfut observée dans des enregistrements de réponses post-synaptiquesdans le cortex auditif du rat in vivo en réponse à des stimulicorticaux, thalamiques et auditifs.Pour finir, en tirant avantage des approches de champ moyen, nousavons construit un modèle grande échelle du réseau des couches II-IIIincluant le réseau des fibres horizontales. Nous avons examiné lespropriétés intégratives spatio-temporelles du modèle et nous les avonscomparées avec des mesures par imagerie optique de l'activitécérébrale chez le singe éveillé. En particulier, nous avonsreconstruit une expérience typique du traitement sensoriel: lemouvement apparent. Le modèle prédit un fort signal suppressif dont leprofil spatio-temporel correspond quantitativement à celui observé invivo... / The neocortex of awake animals displays an activated state in whichcortical activity manifests highly complex, seemingly noisybehavior. At the level of single neurons the activity is characterizedby strong subthreshold fluctuations and irregular firing at lowrate. At the network level, the activity is weakly synchronized andexhibits a chaotic dynamics. Yet, it is within this regime thatinformation is processed reliably through neural networks. This regimeis thus crucial to neural computation. In this thesis, we contributeto its understanding by investigating how the biophysical propertiesat the cellular level combined with the properties of the networkarchitecture shapes this asynchronous dynamics.This thesis builds up on the so-called mean-field models of networkdynamics, a theoretical formalism that describes population dynamicsvia a self-consistency approach. At the core of this formalism lie theneuronal transfer function: the input-output description of individualneurons. The first part of this thesis focuses on derivingbiologically-realistic neuronal transfer functions. We firstformulate a two step procedure to incorporate biological details (suchas an extended dendritic structure and the effect of various ionicchannels) into this transfer function based on experimentalcharacterizations.First, we investigated in vitro how layer V pyramidal neocorticalneurons respond to membrane potential fluctuations on a cell-by-cellbasis. We found that, not only individual neurons strongly differ interms of their excitability, but also, and unexpectedly, in theirsensitivities to fluctuations. In addition, using theoreticalmodeling, we attempted to reproduce these results. The model predictsthat heterogeneous levels of biophysical properties such as sodiuminactivation, sharpness of sodium activation and spike frequencyadaptation account for the observed diversity of firing rateresponses.Then, we studied theoretically how dendritic integration in branchedstructures shape the membrane potential fluctuations at the soma. Wefound that, depending on the type of presynaptic activity, variouscomodulations of the membrane potential fluctuations could beachieved. We showed that, when combining this observation with theheterogeneous firing responses found experimentally, individual neuronsdifferentially responded to the different types of presynapticactivities. We thus propose that, because this mechanism offers a wayto produce specific activation as a function of the input properties,biophysical heterogeneity might contribute to the encoding of the stimulusproperties during sensory processing in neural networks.The second part of this thesis investigates how circuit properties,such as recurrent connectivity and lateral connectivity, combine withbiophysical properties to impact sensory responses through effectsmediated by population dynamics.We first investigated what was the effect of a high level of ongoingdynamics (the Up-state compared to the Down-state) on the scaling ofpost-synaptic responses. We found that the competition between therecruitment within the active recurrent network (in favor of highresponses in the Up-state) and the increased conductance level due tobackground activity (in favor of reduced responses in the Up-state)predicted a non trivial stimulus-response relationship as a functionof the intensity of the stimulation. This prediction was shown toaccurately capture measurements of post-synaptic membrane potentialresponses in response to cortical, thalamic or auditory stimulation inrat auditory cortex in vivo.Finally, by taking advantage of the mean-field approach, weconstructed a tractable large-scale model of the layer II-III networkincluding the horizontal fiber network. We investigate thespatio-temporal properties of this large-scale model and we compareits predictions with voltage sensitive dye imaging in awake fixatingmonkey...

L’électrophysiologie est l’étude des signaux électriques et électrochimiques générés par certaines cellules spécifiques tout comme par des organes entiers. Elle donne aux médecins l’opportunité de suivre le fonctionnement d’un seul neurone mais aussi de l’intégralité du cerveau. L’enregistrement de ces activités est essentiel pour le diagnostic de pathologies aussi diverses que les arythmies cardiaques, l’épilepsie ou la dégénération musculaire. Dans cette thèse, nous étudions différents types d’électrodes cutanées à base de matériaux organiques, de leur conception à leur évaluation préclinique. Notre approche est basée sur l’utilisation du polymère conducteur PEDOT :PSS et de gels ioniques, qui réduisent l’impédance de l’interface électrode-peau. De plus, nos électrodes sont conçues avec différents substrats fins et souples, plastiques ou textiles. Ceci appelle de nouvelles techniques de fabrications adaptées à ces substrats et aux matériaux organiques. Les électrodes sont caractérisées puis testées sur des volontaires afin de démontrer leurs excellentes performances par rapport aux électrodes médicales usuelles. L’évaluation de leur capacité à réduire le bruit et de leur stabilité sur plusieurs jours est effectuée sur des signaux venant des activités musculaires, cardiaques et cérébrales. Nous présentons également une électrode microscopique dite « active », basée sur le transistor organique électrochimique. Celui-ci permet d’amplifier et de filtrer in situ le signal. Parce que nos électrodes organiques cutanées possèdent un important potentiel industriel et clinique, nous étudions maintenant leur intégration dans des dispositifs médicaux de pointe. / Electrophysiology is the study of electrical and electrochemical signals generated by specific cells or whole organs. It gives doctors the opportunity to track the physiological behavior of a single neuron, as well as the integral brain. The recording of these activities is essential to diagnose and better understand diseases like cardiac arrhythmias, epilepsy, muscular degeneration and many more. In this thesis, we study different types of cutaneous electrodes based on organic materials, from conception to pre-clinical evaluation. Our approach is based on the usage of PEDOT:PSS conducting polymer and ionic gels in order to reduce impedance at the skin-electrode interface. Moreover, the substrate of our electrodes is made with different materials such as thin and conformable plastics and textiles. Our devices are then flexible, motion resistant and can be integrating into clothes. We developed new fabrication processes, considering the different substrates and organic materials specifics. The electrodes were characterized and then tested on human volunteers to show their excellent performance in comparison to standard medical electrodes. The evaluation of noise reduction capabilities and possibilities to perform long-term recordings were established on signals coming from muscles, heart and brain. Furthermore, we present a hundred micrometer-small “active” electrode, based on the organic electrochemical transistor. It enables in situ amplification and filtering of recorded signals. The wearable organic electrodes developed in this work are of great industrial and clinic interest. Future work will aim to integrate these technologies into state-of-the-art medical devices.

L’automatisme cardiaque est généré par un mécanisme fondamental partiellement compris et controversé, initié par des cardiomyocytes spécialisés dans le nœud sino-atrial (NSA). Ces cellules pacemaker (cNSA) présentent une phase spontanée de dépolarisation diastolique (DD), qui mène le potentiel de membrane de la fin de la repolarisation du potentiel d’action (PA) au seuil de déclenchement du PA suivant. Cette activité spontanée implique plusieurs canaux ioniques à la surface de la membrane plasmique et la dynamique calcique intracellulaire. Les cardiomyocytes contractiles du myocarde expriment majoritairement le canal calcique Cav1.2 tandis que les cNSA en expriment d’autres isoformes. Ce sont les canaux calciques de type L (LTCC) Cav1.3 et de type T (TTCC) Cav3.1, qui sont impliqués dans la DD. Les souris génétiquement modifiées pour Cav1.3 et/ou Cav3.1 ont des caractéristiques physiopathologiques et sont utilisées comme modèle d’étude des dysfonctions sinusales de l’homme. La cartographie optique du NSA isolé a permis de révéler une activité électrophysiologique intrinsèque altérée par les mutations. L’expérimentation en patch clamp et en imagerie calcique des cNSA isolées montrent que les mutations altèrent la mécanistique cellulaire du pacemaker. Le couplage de ces approches à l’utilisation d’outils pharmacologiques spécifiques a permis d’évaluer la contribution des différents éléments à cette mécanistique cellulaire et de préciser les controverses sur les fondements de l’automatisme cardiaque. Cette thématique de recherche présente des enjeux majeurs dans le domaine de la santé puisque les perspectives thérapeutiques et les stratégies pharmacologiques pour traiter les dysfonctions sinusales nécessitent une connaissance intégrale du mécanisme. / Heart automaticity is generated by a basic pacemaker mechanism not fully understood and still controversial. Pacemaker activity is initiated by specialized cardiomyocytes in the Sino-atrial node (SAN). The spontaneous phase of diastolic depolarization (DDP) characterizes SAN cells (SANc). This phase drives the membrane potential of SANc from the end of the repolarization to the threshold of the next action potential (AP). This spontaneous activity involves several ion channels on the plasma membrane and the intracellular dynamic of calcium. In terms of calcium channels, atrial and ventricular cardiomyocytes express mostly Cav1.2 whereas SANc express two additional isoforms. Specifically, in SANc are expressed Cav1.3 LTCC (L type Calcium channels) and the Cav3.1 TTCC (T type Calcium channels), which are activated during the DD. Genetically modified mice inactivated for Cav1.3, Cav3.1 and Cav1.3/Cav3.1 we generated and used as a models of study of human SAN dysfunctions. In particular, we highlighted the impairment of the pacemaker activity in these mice by optical mapping of the intact SAN, and by patch clamping and calcium imaging of isolated SANc. Coupling this approaches with pharmacological tools allowed us to evaluating the contribution of the various elements constituting to the pacemaker mechanism. This thematic of research presents major issues in terms of public health. Indeed, we need a better understanding of the pacemaker mechanism to develop pharmacological strategies against SAN dysfunction.