L'épilepsie-absence est un syndrome épileptique dont le principal symptôme est une altération transitoire de la conscience, avec décharges pointes-ondes généralisées, qui ont pour origine un dysfonctionnement dans la boucle cortico-thalamique, et naissant dans une sous-population de neurones pyramidaux localisée dans les couches profondes du cortex somatosensoriel. A l'aide d'enregistrements EEG et intracellulaires in vivo dans un modèle animal: les Genetic Absence Epilepsy Rats from Strasbourg, j'ai examiné comment l'excitation initiale des neurones ictogèniques lors des crises est suivie par une hyperpolarisation synaptique chlore-dépendante, concomitante d'une décharge en bouffées dans les interneurones GABAergiques locaux. Le système GABA exerce un effet strictement inhibiteur et contraint la décharge des neurones ictogéniques dans une fenêtre temporelle étroite. Dans une deuxième étude chez l'homme et chez le GAERS, j'ai exploré comment des informations sensorielles sont traitées au cours des DPO. Chez l'enfant épileptique, des stimulations visuelles résultent en des potentiels évoqués occipitaux, plus amples que chez les sujets non-épileptiques. Des stimulations tactiles chez le GAERS induisent lors des crises des potentiels évoqués dans l'EEG et, dans les neurones pyramidaux sous-jacents, des potentiels synaptiques excitateurs plus amples que dans la condition inter-critique. Les troubles de la conscience lors des absences ne résultent donc pas d'un filtrage des informations sensorielles. L'ensemble des recherches fournit des données nouvelles sur les propriétés fonctionnelles des circuits corticaux exprimant les paroxysmes électriques lors des crises d'absence

Les champs récepteurs corticaux se réorganisent en réponse aux changements de l'environnement. Par exemple, suite à une lésion périphérique, les modalités sensorielles préservées gagnent de l'espace cortical au détriment de celles lésées. L'étude du cortex somatosensoriel en tonneau des rongeurs a fourni des données importantes pour la compréhension des mécanismes synaptiques à l'origine de cette réorganisation corticale. En condition normale, les neurones de chaque colonne corticale répondent préférentiellement à la stimulation d'une seule vibrisse principale ("Principal Whisker, PW"). Au contraire, suite à l'amputation de l'ensemble des vibrisses sauf une ("Single Whisker Experience, SWE"), les neurones des colonnes associées aux vibrisses amputées répondent à la stimulation de la vibrisse conservée, à l'origine du renforcement et de l'expansion des représentations corticales des vibrisses conservées. Bien que des preuves indirectes aient révélées un rôle de la potentialisation à long terme ("Long-Term Potentiation, LTP") de synapses préexistantes dans la modification des cartes corticales, probablement via une augmentation du nombre des récepteurs AMPA (AMPARs) aux synapses, un lien direct entre la LTP, la réorganisation des cartes corticales, et l'adaptation des comportements sensori-moteurs suite à une altération des entrées sensorielles n'a pas encore été démontré. L'objectif de cette thèse a donc été de mettre en évidence cette relation de façon expérimentale et en condition physiologique. Pour cela, nous avons mis au point une stratégie in vivo combinant des enregistrements électrophysiologiques, de l'imagerie biphotonique et l'analyse du comportement d'exploration chez la souris contrôle ("Full Whisker Experience, FWE) et amputée de certaines vibrisses (SWE). Nous avons d'abord confirmé que la stimulation rythmique de la PW ("Rhytmic Whisker Swtimulation, RWS") renforce les synapses excitatrices (RWS-LTP) in vivo des souris anesthésiées FWE. Au contraire des souris FWE, les neurones pyramidaux des souris SWE présentent une augmentation de l'excitabilité neuronale et une absence de RWS-LTP, indiquant ainsi que les synapses corticales associées à la vibrisse intacte ont été potentialisées en réponse au protocole SWE. Pour mieux comprendre l'implication de la RWS-LTP dans la réorganisation des cartes corticales et l'adaptation des comportements sensori-moteurs, nous avons développé une nouvelle approche pour manipuler la LTP in vivo grâce à l'immobilisation des AMPARs par des anticorps extracellulaires ("cross-linking"). En effet, notre équipe a montré précédemment que le cross-linking des AMPARs empêche la LTP in vitro. Par ailleurs, une accumulation des AMPARs au niveau post-synaptique a été démontrée in vivo par imagerie biphotonique au cours d'une stimulation RWS, suggérant un rôle de la mobilité de ces récepteurs dans cette RWS-LTP. Au cours de cette thèse, nous avons démontré que le cross-linking des AMPARs in vivo bloque également l'expression de la RWS-LTP, mais sans affecter la transmission synaptique basale, ni l'induction de la RWS-LTP, indiquant ainsi que la mobilité des AMPARs est également fondamental pour l'expression de la LTP in vivo. De façon importante, le cross-linking des AMPARs de façon chronique, au cours du SWE, permet non seulement de rétablir la RWS-LTP et l'excitabilité neuronale, et donc de bloquer la réorganisation corticale, mais aussi de modifier les capacités de récupération sensori-motrices des souris amputées. Dans l'ensemble, nos données démontrent pour la première fois un rôle critique et direct de la RWS-LTP dans le réarrangement des circuits en réponse à l'amputation de certaines vibrisses. La réorganisation des cartes corticales serait ainsi assurée par le renforcement de la transmission synaptique, et constituerait alors un mécanisme compensatoire pour optimiser le comportement sensorimoteur de l'animal lors de l'altération des entrées sensorielles. / Neuronal receptive fields in the cerebral cortex change in response to peripheral injury, with active modalities gaining cortical space at the expense of less active ones. Experiments on the mouse whisker-to-barrel cortex system provided important evidences about the synaptic mechanisms driving this cortical remapping. Under normal conditions, neurons in each barrel-column have receptive fields that are strongly tuned towards one principal whisker (PW). However, trimming all the whiskers except one (single-whisker experience, SWE) causes layer (L) 2/3 pyramidal neurons located in the deprived and spared-related columns to increase their response towards the spared input. This results in a strengthening and expansion of the spared whisker representation within the barrel sensory map. Indirect evidences suggest that these cortical alterations might depend on the activity-dependent potentiation of pre-existing excitatory synapses (LTP), likely through increased levels of postsynaptic AMPA receptors (AMPARs). However, a clear link between LTP, cortical remapping, and the adaptation of sensorimotor skills following altered sensory experience has not yet convincingly been demonstrated. Here, we combined in vivo whole-cell recordings, 2-Photon calcium imaging and a whisker-dependent behavior protocol to directly demonstrate this relationship. It has been described that rhythmic whisker stimulation potentiates cortical synapses (RWS-LTP) in vivo. An accumulation of postsynaptic AMPARs during similar sensory stimulation was also reported by imaging evidences. Our data demonstrates that this potentiation is occluded by SWE, suggesting that cortical synapses are already potentiated by this trimming protocol. This is translated into an increased neuronal excitability in the spared column and sensorimotor recovery by the spared whisker. To better understand the implication of LTP in cortical remapping, we developed a novel approach to manipulate LTP in vivo without affecting overall circuit properties. Our team showed previously that the blockage of AMPARs synaptic recruitment by extracellular antibody cross-linking prevents LTP in vitro. Here, we report that in vivo cross-linking of AMPARs blocks the expression but not the induction of RWS-LTP, suggesting that the synaptic recruitment of AMPARs is fundamental for in vivo LTP as well. Moreover, chronic AMPAR cross-linking during SWE reverts RWS-LTP occlusion and the increased neuronal excitability caused by whisker trimming. As consequence, the sensorimotor performance by the spared whisker is permanently impaired by the blockage of cortical remapping. Altogether, these evidences led us to define a critical role for synaptic LTP on circuit re-arrangement after whisker trimming. Our data shows that LTP-driven cortical remapping is a compensatory mechanism to optimize animal’s sensorimotor behavior upon altered sensory experience.

L’épilepsie du lobe temporal (ELT) est la forme d’épilepsie partielle la plus fréquente chez l’adulte. Elle se caractérise par une période de latence pendant laquelle l’ELT se met en place. Cette période est appelée épileptogenèse. L’épileptogenèse reste une période inaccessible chez l’Homme. Cependant, les modèles animaux présentent l’avantage de pouvoir l’étudier, dans le but de prévenir l’ELT. Ainsi, mon travail de thèse a consisté à mettre en évidence des marqueurs prédictifs de l’épileptogenèse, sur le plan cognitif et électrophysiologique in vivo, à partir du modèle pilocarpine. Les résultats ont montré que dès le stade précoce de l’épileptogenèse, des déficits de mémoire spatiale corrélaient avec une diminution de la puissance des oscillations thêta chez les animaux pilocarpine, sans modification jusqu’au stade chronique. Au même stade, une diminution de la puissance et de la fréquence des oscillations thêta lors du comportement d’exploration a été observée. L’activité interictale, activité paroxystique présente chez les patients entre leurs crises et caractéristique du stade épileptogène dans les modèles animaux, ne corrèle pas directement avec les déficits cognitifs mais diminue la puissance des oscillations thêta dans l’onde après la pointe au cours de l’épileptogenèse mais plus au stade chronique, ce qui suggère une importante modification du réseau avant le stade chronique. On a également décrit deux types d’activité interictale dont les propriétés (amplitude, nombre) et la dynamique au cours du temps sont modifiées juste avant la première crise spontanée, ce qui pourrait constituer, comme les déficits spatiaux et l’altération du rythme thêta, un marqueur prédictif de l’épileptogenèse. De plus, une augmentation du couplage entre l’hippocampe et le CE est observée au cours de l’épileptogenèse mais plus au stade chronique, alors qu’une modification du flux de l’information entre ces deux structures au stade épileptogène précoce persiste jusqu’au stade chronique, indépendamment de la présence ou non d’activité interictale. Ces résultats mettent en évidence la construction d’un réseau épileptogène, un changement majeur du réseau avant la première crise spontanée, et des marqueurs qui pourraient être prédictifs de l’épileptogenèse. L’ELT, les oscillations et les fonctions cognitives faisant intervenir des propriétés de réseau, tels les processus de synchronisation, l’enregistrement de 15 structures au sein du lobe temporal a montré, à partir du modèle pilocarpine, un réseau doté de caractéristiques plus « small-world » (SW) qui tendrait à se synchroniser plus localement, avec une perte des connexions longue distance. Ces résultats pourraient expliquer les altérations de réseau observées précédemment au cours de l’épileptogenèse. L’analyse SW et de cohérence, à l’échelle de ce réseau de structures, lors de différents états (comportementaux, processus cognitifs), mettent en évidence des changements de la dynamique lors de ces états, en conditions normales et pathologiques. Toutes ces modifications de réseau doivent être sûrement recrutées dans la mise en place d’un cerveau épileptique et des altérations cognitives associées. / Temporal lobe epilepsy (TLE) is the most common form of partial epilepsy in adults. TLE is characterized by a latent period during which TLE takes place. This period is called epileptogenesis. In TLE patients, epileptogenesis is unexplored. However, the use of animal models, like pilocarpine model, allows the study of epileptogenic processes, in order to try to prevent TLE. Thus, my PhD work tries to yield some predictive markers of epileptogenesis, in the pilocarpine model. We studied cognitive and electrophysiological in vivo alterations in this model. We showed that there are early and persistent spatial deficits that correlate with a decrease of the power of theta oscillations, i.e. during the early stage of epileptogenesis and the chronic stage. At the same time, there is also a decrease of power and frequency of theta rhythm during exploratory behaviors. Interictal-like activity (ILA) is a pathological activity present during epileptogenesis in experimental models. ILA does not correlate with cognitive deficits, but decreases theta power after the spike, i.e. in its wave, during epileptogenesis but not during the chronic stage anymore. This suggests an important network alteration before the chronic stage. Indeed, we described two types of ILA, whose properties (number, amplitude) and dynamics evolved during epileptogenesis with a major switch just before the first spontaneous seizure. All together, these results may constitute, with spatial deficits and theta rhythm alterations, predictive markers of epileptogenesis. Moreover, we showed an increase in the coupling, ILA-dependent, between the hippocampus and the entorhinal cortex, during epileptogenesis but not during the chronic stage, whereas a reversal of the information flow between these two structures occurs at the early stage of epileptogenesis and persists without any modification till the chronic stage. These results suggest the build-up of an epileptogenic network, a major switch of network properties just before the first spontaneous seizure, and some markers that could be predictive of epileptogenesis. TLE, oscillations and cognition involved processes at the network level, in particular synchronization processes. These processes could be possible via oscillations, which allow information transfer between structures of the network, in order to provide behavioral and cognitive processing. Recordings performed in 15 different structures of the temporal lobe showed, in pilocarpine animals, a network with more “small-world” (SW) features, with a higher local clustering and a loss of long-range connections. These results could explain cognitive and oscillatory alterations observed previously during epileptogenesis. SW and coherence analysis, at the network level, between signals during different brain-states (behaviors and cognitive processes) showed changes in dynamics occurring during these states, in normal and epileptogenic conditions. All these modifications in network activities may be involved in the construction of an epileptic brain and in associated cognitive deficits.

La prise volontaire de nicotine augmente l'excitabilité de la voie ILCx-BNST, entraînant une hyperactivité des neurones DA de l’ATV. Dans une première partie, l'objectif était d’étudier les neuroadaptations de la voie ILCx-BNST induites par l'auto-administration intraveineuse (AAIV) de nicotine. Les récepteurs cannabinoides CB1 contrôlent les propriétés renforçantes de la nicotine. Par conséquent, nous avons examiné le rôle des récepteurs CB1 du BNST. Nous montrons que l'acquisition de l’AAIV de nicotine est associée à une facilitation persistante de l'induction d’une potentialisation à long terme (LTP) CB1-dépendantes des synapses ILCx-BNST. La stimulation électrique du ILCx favorise également la persistance du comportement de recherche de nicotine pendant les périodes où la drogue n'est pas disponible. En outre, en utilisant la pharmacologie intra-BNST, nous montrons que la stimulation des récepteurs CB1 du BNST au cours de l’acquisition de lAAIV augmente la sensibilité aux stimuli associés à la nicotine. L’idée qu’il existe un appétit incontrôlable pour les aliments palatables, en dépit des conséquences négatives. Dans une seconde partie, notre projet a porté sur le rôle des neurones dopaminergiques (DA) de l’ATV dans la perception d’un stimulus aversif chez l’animal exposé au sucrose. Nos résultats indiquent que le sucrose augmente l'activité spontanée des neurones DA de la VTA. En outre, si un choc électrique provoque une inhibition presque complète de l'activité de VTA neurones DA chez les rats témoins, le sucrose perturbe la signalisation d'un stimulus aversif, indépendamment de l’état calorique du rat. / Learning mechanisms associated with active responding for nicotine enhanced the excitability of the ILCx-BNST pathway. The objective of this project was to better understand the involvement of the ILCx-BNST pathway in nicotine self-administration. Since the endocannabinoid system controls nicotine reinforcement and nicotine-induced synaptic modifications, we examined the role of CB1 receptors in the BNST. We showed that acquisition of nicotine IVSA was associated with a persistent facilitation of LTP induction at ILCx-BNST synapses. Behaviorally, electrical stimulation temporarily increased excessive responding to nicotine when nicotine was not available. Moreover, using intra-BNST pharmacology, we revealed that stimulation of BNST CB1 receptors enhanced sensitivity to nicotine-paired cue. In contrast, after a prolonged history of nicotine intake, it blocked drug-seeking in a reinstatement model of relapse. Drug addiction is partly due to the inability to stop using despite negative consequences. The hypothesis that palatable food induces similar uncontrolled consumption is becoming more widespread. As drug addiction is known to increases activity of VTA DA neurons, we aimed to examine whether exposure to sucrose would induce similar neuronal modifications and impair the capacity to respond to an aversive stimulus. We found that sucrose enhanced spontaneous activity of DA VTA neurons. In addition, while a footshock caused a nearly complete inhibition of activity of VTA DA neurons in control rats, sucrose disrupted signaling of an aversive stimulus. These modifications were independent from the caloric state of the rats.