Dans les processus d'apprentissage corticaux complexes, divers mécanismes inhibiteurs GABAergiques jouent un rôle crucial, avec le récepteur GABA$\sf{_A}$ contenant la sous-unité alpha5 (α5-GABA$\sf{_A}$R) occupant le devant de la scène. Ce récepteur est situé de manière proéminente dans le domaine extrasynaptique des cellules pyramidales hippocampiques CA1 et néocorticales de la couche 5, où il orchestre la conductance inhibitrice tonique, influençant potentiellement la plasticité synaptique et différents types d'apprentissage. Malgré son importance, l'expression synaptique et la fonction spécifique de l'α5-GABA$\sf{_A}$R restent inconnues. Pour répondre à ces questions, nous avons d'abord mené une étude approfondie dans le stratum oriens/alveus (O/A) de la région hippocampique CA1 en utilisant l'immunohistochimie, des enregistrements patch-clamp de cellules entières et une stimulation optogénétique dans des tranches d'hippocampe de souris. Nos résultats ont révélé une expression préférentielle de l'α5-GABA$\sf{_A}$R dans les synapses inhibitrices formées par les terminaisons positives au peptide intestinal vasoactif (VIP+) et la calrétinine (CR) sur les dendrites des interneurones exprimant la somatostatine (SOM). À l'inverse, les synapses formées par les entrées inhibitrices positives de la parvalbumine (PV) présentaient une expression minime ou inexistante de l'α5-GABA$\sf{_A}$R. En approfondissant les implications fonctionnelles, nous avons exploré le rôle spécifique de l'α5-GABA$\sf{_A}$R dans l'apprentissage spatial et le comportement lié à l'anxiété à l'aide de tests comportementaux et de manipulations chimiogénétiques. Notamment, l'inhibition de l'α5-GABA$\sf{_A}$R chez les souris contrôles a amélioré l'apprentissage spatial mais a induit un comportement anxieux. Par contre, chez les souris avec les interneurones VIP inactivées, l'amélioration de l'apprentissage spatial a été maintenue sans l'anxiété associée, mettant l'accent sur le rôle de l'α5-GABA$\sf{_A}$R localisé au niveau des synapses VIP+ dans l'anxiété. Deuxièmement, en nous concentrant sur les circuits corticaux, nous avons étudié l'équilibre délicat entre l'excitation et l'inhibition dans le cortex moteur en relation avec les troubles neurologiques génétiques. Notre étude a révélé une hyperexcitabilité du circuit chez des souris femelles asymptomatiques portant l'expansion répétée du cadre de lecture ouvert 72 (C9orf72) du chromosome 9 associée à la sclérose latérale amyotrophique (SLA) et au trouble de dégénérescence lobaire fronto-temporale (DLFT). Malgré l'absence de symptômes du SLA manifestes, ces souris présentaient une anomalie du cortex moteur, caractérisée par une réduction du nombre de neurones pyramidaux de la couche 5 du cortex moteur primaire (M1). Les neurones survivants présentaient une fonction préservée de l'α5-GABA$\sf{_A}$R mais une diminution de l'inhibition, ce qui entraînait une activation accrue de M1 lors de la locomotion animale à grande vitesse. Collectivement, cette double exploration de la fonction α5-GABA$\sf{_A}$R dans les circuits hippocampiques et néocorticaux fait non seulement progresser notre compréhension des mécanismes inhibiteurs aux niveaux moléculaires et synaptiques, mais contribue également à une vision globale du paysage complexe des troubles neurologiques génétiques et de leurs mécanismes sous-jacents. / In the intricate landscape of cortical learning processes, diverse GABAergic inhibitory mechanisms play a crucial role, with the alpha5 subunit-containing GABA$\sf{_A}$ receptor (α5-GABA$\sf{_A}$R) taking center stage. This receptor is prominently situated in the extrasynaptic domain of CA1 hippocampal and layer 5 neocortical pyramidal cells, where it orchestrates tonic inhibitory conductance, potentially influencing synaptic plasticity and different types of learning. Despite its significance, the synaptic expression and site-specific function of α5-GABA$\sf{_A}$R remain elusive. To unravel this mystery, we, first, conducted a comprehensive investigation in the CA1 stratum oriens/alveus (O/A) utilizing immunohistochemistry, whole-cell patch-clamp recordings, and optogenetic stimulation in mouse hippocampal slices. Our findings revealed a preferential targeting of α5-GABA$\sf{_A}$R to inhibitory synapses formed by vasoactive intestinal peptide (VIP)- and calretinin (CR)-positive terminals onto dendrites of somatostatin-expressing interneurons. Conversely, synapses established by parvalbumin-positive (PV+) inhibitory inputs showed minimal or no presence of α5-GABA$\sf{_A}$R. Delving deeper into the functional implications, we explored the input-specific role of α5-GABA$\sf{_A}$R in spatial learning and anxiety-related behavior using behavioral testing and chemogenetic manipulations. Intriguingly, inhibiting α5-GABA$\sf{_A}$R in control mice enhanced spatial learning but induced anxiety-like behavior. Remarkably, in mice with inactivated CA1 VIP input, spatial learning improvement was maintained without the associated anxiety, emphasizing the role of α5-GABA$\sf{_A}$R in phasic inhibition via VIP input to interneurons regulating anxiety. Second, shifting our focus to cortical circuits, we investigated the delicate balance between excitation and inhibition in the motor cortex in relation to genetic neurological disorders. Our study uncovered circuit hyperexcitability in asymptomatic female mice carrying the chromosome 9 open reading frame 72 (C9orf72) repeat expansion associated with amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal lobar degeneration (FTLD) spectrum disorder. Despite lacking overt symptoms, these mice exhibited abnormal motor cortex output, characterized by a reduction in the number of primary motor cortex (M1) layer 5 pyramidal neurons. Surviving neurons displayed preserved function of the α5-GABA$\sf{_A}$R but decreased inhibitory drive, resulting in heightened M1 output during high-speed animal locomotion. Collectively, this dual exploration of the α5-GABA$\sf{_A}$R function in hippocampal and neocortical circuits not only advances our understanding of molecular and synaptic inhibitory mechanisms but also contributes to a comprehensive insight into the intricate landscape of genetic neurological disorders and their underlying mechanisms.

La corne dorsale de la moelle épinière contient une population diversifiée de neurones qui sont responsables de l'intégration et de la transmission de l'information liée à la douleur vers le cerveau. L'excitabilité de ces neurones est largement contrôlée par l'acide γ- aminobutyrique (GABA) et la glycine, les deux principaux neurotransmetteurs inhibiteurs du système nerveux central. L'inhibition synaptique conventionnelle est médiée par des récepteurs GABAA et glycine perméables aux chlorures, situés à l’opposé des terminaux présynaptiques. Cependant, un sous-ensemble différent de ces récepteurs est situé à l'extérieur de la synapse et offre une diversité fonctionnelle supplémentaire d'inhibition. Les études présentées dans cette thèse ont utilisé une grande variété d'approches pour explorer deux composantes non conventionnelles de l'inhibition dans la régulation de la transmission liée à la douleur dans la corne dorsale de la moelle épinière. Le premier est le rôle des récepteurs GABAergiques non synaptiques qui produisent une inhibition tonique; le seconde est la régulation des gradients de chlorure intracellulaire qui déterminent la force de l'inhibition GABAergique. Les résultats montrent qu'il existe un gradient d'inhibition à travers la corne dorsale, avec une inhibition plus faible dans les niveaux superficiels, et de plus en plus forte en profondeur. Ceci est démontré par une contribution différentielle des récepteurs GABAA contenant des sous-unités α5 (α5GABAAR) à l'inhibition tonique à travers la corne dorsale de la moelle épinière. L'activité basale de ces récepteurs n'est pas assez forte pour contraindre la sensibilisation à l'information liée à la douleur, mais contribue à la récupération de ces états sensibilisés. Le renforcement de l'activité de αGABAARs ne limite pas non plus la sensibilisation. En revanche, l'activité d'autres récepteurs GABAA producteurs d'inhibition tonique, à savoir ceux contenant des sous-unités δ (δGABAAR), peut être améliorée pour diminuer la sensibilisation dans la corne dorsale. D'autre part, il y a aussi un gradient dans l'homéostasie du chlorure, qui affecte la façon dont les différents neurones intègrent les entrées synaptiques. En fait, j'ai decouvert que l'homéostasie du chlorure module la propension et la stabilité de la plasticité synaptique. Une activité plus élevée de l'extrudeur neuronal du chlorure (KCC2), telle que celle présente dans les niveaux plus profonds de la corne dorsale, est directement liée à une reduction de la potensialisation a long-terme (LTP). Inversement, une faible capacité d'extrusion de chlorure dans les niveaux superficiels conduit à une LTP accentué dans la corne dorsale. En conclusion, j'ai découvert un gradient d'inhibition à travers la corne dorsale qui détermine la sensibilisation de l'information nociceptive. Une inhibition faible aux niveaux superficiels conduit à une plasticité synaptique améliorée et sans contrainte, alors qu'une inhibition plus forte contraint la plasticité aux niveaux plus profonds de la corne dorsale. / The dorsal horn of the spinal cord contains a diverse population of neurons that are responsible for the integration and transmission of pain-related information into the brain. The excitability of these neurons is largely controlled by γ-aminobutyric acid (GABA) and glycine, the two main inhibitory neurotransmitters in the central nervous system. Conventional synaptic inhibition is mediated by chloride-permeable GABAA and glycine receptors, located directly opposite to presynaptic terminals. However, a different subset of these receptors is located outside the synapse and provides further functional diversity of inhibition. The studies presented in this thesis employed a wide variety of approaches to explore two non-conventional components of inhibition in the regulation of pain-related transmission in the dorsal horn of the spinal cord. The first is the role of non-synaptic GABAergic receptors that produce tonic inhibition; the second is the regulation of intracellular chloride gradients that determine the strength of GABAergic inhibition. The results show that there is a gradient of inhibition across the dorsal horn, with weaker inhibition in superficial levels, and increasingly stronger in deeper levels. This is evidenced by a differential contribution of α5 subunit-containing GABAA receptors (α5GABAARs) to tonic inhibition across the dorsal horn of the spinal cord. Importantly, the basal activity of these receptors is not strong enough to counter sensitization of pain-related information but contributes to the recovery from these sensitized states. Enhancing the activity of α5GABAARs also does not constrain sensitization. In contrast, the activity of other tonicinhibition- producing GABAA receptors, namely those that contain δ subunits (δGABAARs), can be enhanced to decrease sensitization in the dorsal horn. On the other hand, there is a also gradient in chloride homeostasis, which affects how different neurons integrate synaptic inputs. In fact, I found that chloride homeostasis modulates the propensity and stability of synaptic plasticity. As such, higher activity of the neuronal chloride extruder (KCC2), such as that present in deeper levels of the dorsal horn, is directly linked to a stable, or constrained, long-term potentiation (LTP). Conversely, low chloride extrusion capacity in superficial levels leads to enhanced and unstable LTP in the dorsal horn. In conclusion, I uncovered a gradient of inhibition across the dorsal horn that shapes the sensitization of nociceptive information. Weak inhibition at superficial levels leads to enhanced and unconstrained synaptic plasticity, whereas stronger inhibition stabilizes plasticity at deeper levels of the dorsal horn

Le globus pallidus (GP) des primates reçoit une innervation massive des neurones GABAergiques du striatum qui co-libèrent la substance P (SP). Afin d'approfondir notre connaissance de l'interaction de la SP au niveau pallidal, nous avons étudié la localisation cellulaire et subcellulaire de ce peptide et de ses récepteurs à hautes affinités neurokinine-1 (NK-lR) et neurokinine-3 (NK-3R) dans le GP de singes écureuils. Un grand nombre de neurones et de fibres dans le segment externe (GPe) et interne (GPi) du GP exprimaient de l'immunoréactivité pour NK-lR ou NK-3R en position pré- et postsynaptique. Les NK-lR et NK-3R étaient principalement localisés dans le cytoplasme ou sur la membrane plasmique, mais en dehors des jonctions synaptiques. Certaines terminaisons axonaies immunoréactives pour la SP exprimaient préférentiellement NK-3R. Ces données suggèrent que la SP peut influencer de manière significative le traitement de l'information neuronale voyageant à travers les ganglions de la base. / The primate globus pallidus (GP) receives a massive innervation from GABAergic striatal neurons that co-release substance P (SP). We used single and double antigen staining retrieval methods to study cellular and subcellular localization of SP and its high affinity receptors NK-IR and NK-3R in GP of squirrel monkeys. A large number of neurons and fibers in GPe and GPi expressed NK-IR or NK-3R. NK-IR and NK-3R were mainly associated with intracellular sites or located at extrasynaptic positions on the plasma membrane. SP+ axon terminals preferentially expressed NK-3R. Distribution of NK-IR and NK-3R indicates that SP effects at pallidal level are mediated through postsynaptic receptor as well as presynaptic autoreceptors and heteroreceptors. These data suggest that SP may influence in a significant manner the treatment of neural information that flows through the basal ganglia.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007 / La séparation maternelle néonatale (SMN) est une forme de stress qui perturbe le développement de l'axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien (HHS) et induit des conséquences à long terme sur l'activité de ce dernier. L'activation de l'axe HHS est contrôlée par le noyau paraventriculaire de l'hypothalamus (PVH) qui est toniquement inhibé au repos. De plus, le PVH est un important modulateur de l'activité respiratoire. Ainsi, cette thèse avait pour objectif de déterminer si la séparation maternelle néonatale avait des effets persistants sur le système de contrôle respiratoire. Premièrement, des rats mâles et femelles SMN ont été exposés à l'hypoxie à l'âge adulte. La SMN a amplifié la réponse ventilatoire à l'hypoxie chez les mâles alors qu'elle a atténué la réponse chez les femelles, suggérant que la sensibilité aux variations d'02 est augmentée chez les mâles. De surcroît, la SMN a rendu les rats mâles hypertendus. Lors de l'étude du chémoréflexe à l'hypercapnie, les effets de la SMN se sont avérés une fois de plus spécifiques au sexe. La SMN a induit une atténuation de la réponse ventilatoire à l'hypercapnie chez les rats mâles alors que chez les femelles, la réponse a été augmentée, suggérant une sensibilité au CO2 accrue chez celles-ci. De plus, le marquage de PARNm de c-fos a révélé une activation des raphés magnus et pallidus, du groupe parapyramidal et du locus coeruleus chez les mâles SMN seulement. La SMN semble donc agir par des mécanismes différents du chémoréflexe à l'hypoxie bien que ses effets soient toujours spécifiques au sexe. La dernière étude a démontré que l'inhibition entourant le PVH était augmentée chez les rats mâles SMN. Les microinjections de GABA, muscimol et bicuculline avaient des effets plus importants sur la réponse ventilatoire à l'hypoxie des rats SMN. De plus, la SMN a augmenté le nombre de récepteurs GABAA au niveau du PVH. Bien que l'inhibition du PVH soit amplifiée chez les rats SMN, elle n'est pas suffisante pour maintenir une réponse ventilatoire à l'hypoxie normale, suggérant une augmentation des afférences excitatrices directes au PVH. Ces résultats indiquent qu'un stress non respiratoire en période néonatale perturbe de façon persistente une fonction aussi importante que la régulation de la respiration.

Ce travail explore certains mécanismes moléculaires impliqués dans la genèse des dyskinésies induites par la dopa thérapie. Nos travaux ont été effectués sur des échantillons de cerveaux de singes parkinsoniens ayant développé des complications motrices suite au traitement à la Lévodopa. Nos résultats montrent l'absence de corrélation entre les niveaux striataux de l'ARNm de la préprotachykinine et la survenue des dyskinésies et l'existence d'un lien de causalité entre l'augmentation des niveaux striataux des ARNm de la préproenképhaline et de la préprodynorphine ainsi que l'augmentation de la densité des récepteurs GABA-A au niveau des noyaux gris centraux et la physiopathologie de ces dyskinésies. Les traitements adjuvants avec le Ro 61-8048 , l'acide docosahéxaénoïque et le CI-I041 en association avec la Lévodopa, permettent de corriger certains paramètres biochimiques impliqués , dans la genèse de ces complications motrices et de prévenir ces dyskinésies sur le plan comportemental contrairement au Naltrexone qui les a exacerbées.

L'hippocampe est l'endroit central où s'élaborent les processus de mémorisation et d'apprentissage. C'est aussi le siège de plusieurs maladies dégénératives telles que Pépilepsie, l'ischémie et autres désordres psychiatriques. Le récepteur ionotropique GABAA et le co-transporteur KCC2 sont des composants complexes qui résident dans les synapses GABAergiques de l'hippocampe. Leur fonctionnement est régi par une relation de coopération dynamique assurée par des échanges ioniques. Les ions chlorure jouent un rôle prépondérant et leur distribution hétérogène serait un indicateur d'anomalie : pathologie ou trouble de mémorisation. Dans le cadre de cette maîtrise, nous proposons un travail portant sur la modélisation du comportement diffusif des ions chlorure géré par l'action coopérative GABAA et KCC2. Dans une première partie nous présenterons une revue bibliographique sur les fondements de neurobiologie. Nous développerons particulièrement les aspects touchant les phénomènes de connectivité des neurones, de localisation et de structure des différents récepteurs et canaux ioniques. Dans la deuxième partie, nous démontrerons les principes fondamentaux des phénomènes de diffusion. Nous nous limiterons aux cas essentiels de la diffusion macroscopique avec ou sans force externe et à la théorie de la marche aléatoire. Un chapitre sera consacré aux éléments finis, méthode de résolution des équations différentielles partielles, et code Femlab utilisés pour représenter la dynamique des mouvements intermembranaires des ions chlorures. Nous mettrons l'accent sur les exigences et les pièges à éviter pour obtenir un modèle stable et près de la réalité de l'objet. Finalement, nous donnerons les résultats obtenus en modélisation et en simulation. / The hippocampus is the central place where the processes of memorizing and training are worked out. It is also the seat of several degenerative diseases such as the psychiatric disorders, epilepsy and ischaemia. The ligand-gated channel GABAA and the KCC2 cotransporter are complex components which reside in GABAergics synapses of the hippocampus. Their operation is governed by a dynamic relation of co-operation ensured by ionic exchanges. The chloride ions play a dominating part and their heterogeneous distribution would be an indicator of anomaly: pathology or disorder of memorizing. Within the framework of this control, we propose a bearing work on the modeling pf the diffusive behavior of the chloride ions managed by the co-operative action of GABAA and KCC2. In a first part we will present a bibliographical review on the bases of neurobiology. Wc will particularly develop the aspects concerning the phenomena of connectivity of the neurons, localization and structure of the various ionic channels. In the second part, we will show the fundamental principles of the phenomena of diffusion. We will limit ourselves to the essential cases of the macroscopic diffusion with or without external force and to the theory of random walk. A chapter will be devoted to the finite elements, a method of resolution of partial differential equations, and Femlab codes used to represent the dynamics of the intermembrane movements of chloride ions. We will stress the requirements and the traps to avoid to obtain a stable model and close to the reality of the object. Finally, we will give the results obtained in modeling and simulation.

La maladie de Parkinson est caractérisée par la dégénérescence des neurones dopaminergiques situés dans la substance noire pars compacta au sein des noyaux gris centraux du système nerveux central. Cela se traduit par un malfonctionnement moteur dont les trois principaux signes idiopathiques sont : les troubles de la posture, la bradykinésie et le tremblement. Cette perte importante de motricité est directement reliée au débalancement des voies directe et indirecte en charge de la modulation et de la régulation des noyaux grix centraux. L'absence de dopamine empêche donc le contrôle adéquat des afférences GABAergiques, ce qui se traduit par une surinhibition au niveau du thalamus et par le fait même, d'une atteinte importante du comportement moteur. Le traitement classique demeure encore la L-Dopa qui permet le soulagement des patients et leur permet de se mouvoir un peu plus normalement. Par contre, ce traitement entraîne des effets secondaires, à moyen et long terme, très importants dont : l'akinésie de fin de dose (wearing-off), l'effet transitoire de la L-Dopa (effet on-off) et les dyskinésies. Ces dernières surviennent après la prise de la L-Dopa et se manifestent sous forme de mouvements anormaux et involontaires. Nous avons utilisé comme modèle animal le singe cynomolgus (Macaca fascicularis). L'induction du syndrome parkinsonien stable chez ce modèle requiert l'installation d'une pompe Alzet, sous cutanée, contenant une toxine dérivée de lopéridine, le l-méthyl-4- phényl-l,2,3,6-tetrahydropyridine. Nous avons étudié l'impact de l'administration de la L-Dopa dans la genèse des dyskinésies en comparaison avec l'effet de la cabergoline, un agoniste D2 à longue durée d'action. Le but étant de voir s'il était possible de prévenir les dyskinésies en interagissant sur les récepteurs D2 pré- et postsynaptiques. Nos résultats ont démontré que la stimulation en continue des récepteurs dopaminergiques permettait, significativement, la prévention de l'apparition des dyskinésies induites par la dopathérapie en agissant sur les récepteurs D2 postsynaptiques, mais peut-être aussi en inhibant les afférences glutamatergiques corticostriatale via les autorécepteurs D2 situé en présynaptique. Nous avons également étudié l'effet de composés hormonaux tel que le 17p-estradiol, le raloxifène et la déhydroépiandrostérone. Nos résultats ont démontré que chacun d'entre eux était en mesure d'améliorer, significativement, l'état parkinsonien seul ou combiné à une dose seuil de L-Dopa, voire même de prolonger l'effet de la dopathérapie. Une implication des systèmes GABAergiques est postulée dans ces effets, dans le cas du DHEA, car c'est un modulateur négatif des récepteurs GABAA présents dans les noyaux gris centraux.