Les crises d'épilepsie proviennent d'une synchronisation pathologique de réseaux neuronaux du cortex. Les crises motrices, générées à partir du cortex moteur primaire, sont souvent pharmaco-résistantes. La résection neurochirurgicale du foyer épileptique est rarement l'option thérapeutique de choix au regard des risques de deficits moteurs potentiellement induits par la résection. Les ganglions de la base ont un rôle important dans la propagation des crises. Des enregistrements par micro-électrode réalisés dans une précédente étude ont montré que les activités des structures d'entrée des ganglions de la base telles que le Putamen, le noyau caudé et le noyau sous-thalamique (NST) sont fortement modifiées pendant des crises motrices. Le taux de décharge moyen des neurones du NST et du Putamen augmente et le pourcentage de neurones oscillants synchronisés avec l'EEG durant la période ictale est plus élevé durant les crises que pendant la période inter-ictale. Des études pilotes chez l'humain ont montré un effet bénéfique potentiel de la stimulation cérébrale profonde (SCP) chronique du NST pour traiter les crises motrices pharmaco-résistantes. Le but de notre étude est d'évaluer les effets thérapeutiques de la SCP des structures d'entrée des ganglions de la base. Nous avons dans un premier temps développé un modèle primate de crise d'épilepsie motrice focale stable et reproductible par injection intra-corticale de pénicilline. Nous avons ensuite caractérisé la pharmaco-résistance du modèle. Nous avons implanté stéréotactiquement des électrodes de SCP dans le NST et le Putamen. Le stimulateur a été placé sous la peau dans le dos de l'animal. Un protocole de stimulation à 130 Hz à un voltage inférieur à l'apparition d'effets secondaires a été réalisé dans le NST. Le stimulateur était mis en marche au moment de l'injection de la pénicilline. Un protocole de stimulation à 0 volt a été réalisé comme condition contrôle. Chaque primate étant son propre contrôle. L'apparition des crises, leur nombre et leur durée ont été comparés par période de 1 heure entre la condition stimulée et non stimulée. Chaque session expérimentale a été menée sur une durée de plus de six heures. Nous avons évalué l'effet préventif de la SCP à haute fréquence (130 Hz) du NST sur les crises motrices. Nous avons également étudié l'effet préventif de la SCP à basse fréquence (5-20 Hz) du Putamen sur ce même modèle. Enfin, sur un autre primate, nous avons étudié l'effet combiné de la SCP du NST à haute fréquence et du Putamen à basse fréquence sur les crises motrices. Résultats : Les effets de la SCP chronique du NST à haute fréquence ont été analysés à partir de 1572 crises apparues au cours de 30 sessions expérimentales chez 3 primates. Les effets de la SCP préventive du NST ont été évalués sur 454 crises motrices durant 10 sessions expérimentales chez un primate. L'effet de la SCP du Putamen à basse fréquence a été analysé sur 289 crises durant 14 sessions chez 2 primates. Enfin l'effet combiné de la SCP du NST et du Putamen a été évalué sur 477 crises durant 10 sessions. Les meilleurs résultats ont été obtenus par SCP chronique du NST. L'apparition de la première crise était significativement retardée lorsque le primate était stimulé. Le temps total passé en situation de crise motrice était diminué en moyenne d'environ 69 % (p ≤0.05) par rapport à la condition non-stimulé au regard de la diminution significative du nombre de crises particulièrement durant les 3 heures après le début de la stimulation. La durée de chaque crise était modérément réduite. Les modes de stimulation mono-polaire ou bi-polaire avaient une efficacité similaire. La SCP préventive du NST n'a pas eu d'effet supérieur à la stimulation chronique du NST. La SCP chronique du Putamen à basse fréquence avait un effet positif mais principalement durant les deux premières heures de stimulation. L'effet combiné de la SCP du NST et du Putamen était inférieur à la SCP chronique du NST ou du Putamen. / Epileptic seizures arise from pathological synchronization of neuronal ensemble.Seizures originating from primary motor cortex are often pharmacoresistant, and many times unsuitable for respective surgery because of location of epileptic focus in eloquent area. Basal ganglia play important role in seizure propagation. Micro electrode recordings performed during previous studies indicated that input structures of basal ganglia such as GPe, Putamen and Subthalamic nucleus (STN) are strongly modified during seizures. For example the mean firing rate of neurons of the STN and Putamen increased and the percentage of oscillatory neurons synchronized with the ictal EEG was higher during seizures as compared to interictal periods. Pilot studies in humans have shown the possible beneficial effect of chronic DBS applied to STN in treatment of pharmacoresistant motor seizures. Our study was aimed at studying the therapeutic effect of electrical stimulation of input structures of basal ganglia . We first developed a stable, predictable primate model of focal motor epilepsy by intracortical injection of penicillin and we documented it's pharmacoresistence. We then stereotactically implanted DBS electrodes in the STN and Putamen. The stimulator was embedded at the back of the animals. Subthreshold electrical stimulations at 130 Hz were applied to STN. Stimulator was turned ON when penicillin was injected. Sham stimulation at 0 volt was used as a control situation, each monkey being its own control. The time course, number and duration of seizures occurring in each epochs of 1 h were compared during ON and sham stimulation periods. Each experimental session lasted uptoo 6 hours,We also studied preventive high frequency stimulation of STN and subthershold low frequency stimulation of Putamen with 5 Hz and 20 Hz in the same model .Finally we studied combined effects of high frequency STN and low frequency Putamen stimulation in one monkey Results: Data was analysed from 1572 seizures in 30 experiments in three monkeys for chronic STN stimulation , 454 seizures in 10 experiments in one moneky during preventive STN stimulation ,289 seizures from 14 experiments in two monkeys during LFS putamen stimulation and 477 seizures from 10 sessions during combined STN and Putamen stimulation in one monkey The best results were observed during chronic STN stimulation The occurrence of first seizure was significantly delayed as compared to sham situation. Total time spent in focal seizures was significantly reduced by ≥69% on an average (p ≤0.05) after STN stimulation, due to a significant decrease in the number of seizures especially so during the first 3 hours after stimulation. The duration of individual seizures reduced moderately. Bipolar and monopolar stimulation modes were equally effective Preventive HFS STN (in one specimen) was not found to be superior to acute stimulation. LFS Putamen alone was effective but mainly in first two hours of stimulation .In a combined HFS STN and LFS Putamen stimulation the effect of stimulation in terms of seizure control was modest and poor compared to HFS STN alone or LFS Putamen alone. This study provides original data in primates showing the potential therapeutic effect of chronic HFS-STN DBS to treat focal motor seizures . A discussion explaining these results and comparison with STN DBS in human motor seizures as well as future translational perspective in human therapeutics is provided.

Les ganglions de la base forment un ensemble de structures sous-corticales connues pour leur implication dans les processus sensori-moteurs, cognitifs et motivationnels. L’objectif de ce travail était d’approfondir le rôle des neurones du noyau subthalamique (NST), des neurones de projections et interneurones cholinergiques du striatum et des neurones du globus pallidus externe (GPe) dans la mise en place et l’exécution d’un comportement dans différents contextes motivationnels. Nous nous sommes intéressés à l’influence de l’effort et de la récompense sur l’activité de ces neurones grâce à une approche comportementale associée à des enregistrements extracellulaires unitaires chez le singe éveillé. L’influence de ces facteurs a été appréhendée dans une tâche visuo-motrice dans laquelle différents niveaux d’effort et de récompense étaient imposés à l’animal. Nos résultats comportementaux ont montré une prise en compte de la valeur des stimuli par les animaux. Les résultats électrophysiologiques obtenus montrent une implication de chacune des populations étudiées dans le traitement des informations relatives à l’effort et à la récompense. Ils suggèrent un rôle des neurones du NST, du striatum et du GPe respectivement dans la mise en place, l’exécution et l’évaluation de l’action sur la base de la valeur subjective de la récompense. Nos résultats apportent des informations nouvelles sur les substrats neurophysiologiques qui sous-tendent les processus motivationnels dans la circuiterie des ganglions de la base. / The basal ganglia form a set of subcortical structures known to be involved in sensorimotor, cognitive and motivational processes. The aim of this work was to study the role of the subthalamic nucleus (STN) neurons, the cholinergic interneurons and the projection neurons of the striatum and the neurons of the external part of the globus pallidus (GPe) in the establishment and the execution of a behavior under different motivational contexts. We examined the influence of effort and reward on the activity of these neurons with a behavioral approach combined with extracellular recordings in awake monkeys. The influence of these factors has been investigated in a visuo-motor task in which different levels of effort and reward were imposed on the animal. Our behavioral results showed a consideration of the value of the visual stimuli by the animals. Electrophysiological results showed an implication of each of the neuronal populations studied in the encoding of force and reward related information. These data suggest a role of STN, striatum and GPe in the establishment, the execution and the update of the benefit of the action based on subjective reward value. Our results bring out new features on the neurophysiological substrates underlying motivational processes in basal ganglia circuitry.

La stimulation à haute fréquence (SHF) du noyau subthalamique (NST) joue un rôle essentiel chez les patients Parkinsoniens dans l'amélioration des troubles moteurs pour lesquels la dopa-thérapie n'est plus satisfaisante. Tout comme l'administration à long terme de L-DOPA, la SHF du NST, peut aussi, selon l'intensité de stimulation, évoquer des mouvements dyskinétiques. Ces dyskinésies sont considérées comme un phénomène d'apprentissage moteur pathologique, secondaire à une altération de la transmission glutamatergique et sont sous-tendues par des modifications durables d'expression génique, notamment dans le striatum. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier et de comparer les mécanismes moléculaires des dyskinésies induites par la L-DOPA à celles induites par la SHF, en se focalisant plus particulièrement sur la sous unité NR2B des récepteurs NMDA. Dans un premier temps, nous avons montré par immunohistochimie que la sous unité NR2B est hyperphosphorylée dans le NST et l'EP suite à l'induction de dyskinésie par la SHF du NST chez l'animal sain. Ces résultats ont été confirmés par la suite dans un modèle animal de la maladie de Parkinson, le rat 6-OHDA. La comparaison de ces modifications avec celles observées chez le rat 6-OHDA rendus dyskinétique par un traitement chronique à la L-DOPA nous permet de suggérer que l'induction des dyskinésies est associée à une hyperphosphorylation de NR2B au sein d'une voie subthalamo-entopédonculaire alors qu'une activation de NR2B dans le striatum semble être impliquée dans l'expression des dyskinésies. Enfin, nos résultats mettent également en évidence une implication différentielle des deux structures de sorties des ganglions de la base dans les processus akinétiques et dyskinésiogènes. / High frequency stimulation of the subthalamic nucleus (STN-HFS) alleviates parkinsonian motor symptoms and indirectly improves dyskinesia by decreasing L-DOPA requirement. However, inappropriate stimulation can also trigger dyskinetic movements Dyskinesia are thought to be a pathological learning process due to an overactive glutamate transmission within the basal ganglia. Moreover, several molecular changes seem to be involved in this process. The aim of the present study is to compare the molecular mechanisms of dyskinesia induced by L-DOPA and by STN-HFS, by focusing more particularly on the NR2B-containing NMDA receptor. We show by immunohistochemistry that NR2B subunit is hyperphosphorylated within the STN and the EP during a dyskinesiogenic STN-HFS in normal rats. Similar results are obtained from 6-OHDA rats, a model of Parkinson disease. Comparison of these results with those observed in 6-OHDA dyskinetic rats chronically treated with L-DOPA suggest that dyskinesia induction is associated with an hyperphosphorylation of NR2B within a subthalamo-entopeduncular network while activation of NR2B within the striatum seem to be involved in the expression of dyskinesia. A different implication of the two output of the basal ganglia in akinetic and dyskinesiogenic process is also demonstrated. STAR Date de soutenance : 8 juillet 2011 Thèse sur travaux: non

Les ganglions de la base (GB) forment un réseau de structures sous-corticales impliquées dans la motricité volontaire, mais aussi dans des aspects plus cognitifs et motivationnels du comportement moteur. La dopamine est un neuromodulateur essentiel au bon fonctionnement de ce réseau. La synapse cortico-sous-thalamique (cortico-NST) est une synapse glutamatergique (excitatrice) transmettant les informations corticales au noyau sous-thalamique (NST), ce qui forme la première partie d’une des trois voies des GB : la voie hyperdirecte. La voie cortico-NST est impliquée dans des tâches de type « go-no-go » (arrêt d’un acte moteur débuté) et dans les effets bénéfiques de la stimulation cérébrale profonde du NST sur les symptômes de la maladie de Parkinson. Cependant, les propriétés des synapses cortico-NST ne sont pas connues. Ce manque d’informations provient, en partie, de l’anatomie particulière de cette voie, qui rend l’étude in vitro de la synapse cortico-NST difficile. L’utilisation de l’optogénétique nous a permis de contourner ce problème. En associant cette technique à l’électrophysiologie sur tranches de cerveaux de rongeur, nous avons mis en évidence un effet inhibiteur des récepteurs dopaminergiques D5 sur la transmission cortico-NST. Nous montrons également que les propriétés de plasticité à court terme de cette synapse lui permettent de réduire l’influence des messages corticaux à haute fréquence sur le NST. Les résultats obtenus au cours de cette thèse montrent que l’optogénétique est un bon moyen d’étudier la synapse cortico-NST in vitro et contribuent à améliorer la compréhension des propriétés de la cette synapse. / Basal ganglia (BG) are a group of subcortical nuclei involved in action selection and in cognitive and motivational aspects of motor behavior. Dopamine is essential for proper functioning of BG. The cortico-subthalamic (cortico-STN) synapse is a glutamatergic (excitatory) synapse involved in signal transmission from cortex to subthalamic nucleus (STN). The cortico-STN synapse is the first synapse in the hyperdirect pathway, one of the three pathways of BG. Even if the cortico-STN pathway is involved in “go-no-go” tasks (stopping of an already started motor act) and in the beneficial effects of the high frequency stimulation of the STN on Parkinsonian symptoms, properties of the cortico-STN synapse are not well described. The lack of data is due, at least in part, to the specific anatomy of the cortico-STN pathway which does not allow the use of standard methods in vitro. The use of optogenetics allowed us to circumvent this issue. By coupling this approach with electrophysiology on brain slices in rodents, we show that dopaminergic D5 receptors stimulation reduces glutamatergic transmission at cortico-STN synapses. We also show that short-term plasticity properties of this synapse reduce the influence of high frequency cortical inputs on the STN. Our findings indicate that optogenetics enables studying the cortico-STN synapse in vitro and contributes to improving our knowledge of the properties of the synapse.

Nombre de personnes âgées, a placé le vieillissement cérébral et ses pathologies associées dans lesdéfis majeurs de ce début de XXIème siècle. Ce travail de thèse consiste à étudier et quantifierl’impact de la consommation de cigarette sur le vieillissement morphologique cérébral au seind’une grande cohorte de volontaires sains, celle de l’étude 3 Cités. Nous nous sommes attachés àévaluer et comparer son impact, par rapport à d’autres facteurs accélérant le vieillissementcérébral, dans des études transversales et longitudinales. Il en ressort que le tabac à un effet,principalement global, plus important que les facteurs de risque cardiovasculaires inclus dans cetteétude, et de même ampleur que celui de l’âge. Nous montrons que cet effet est arrêté avec laconsommation, montrant qu’une prévention chez les personnes âgés pourrait s’avérer d’un bénéficemajeur pour la société. De plus, les analyses ont été réalisées en séparant les femmes et leshommes dans nos analyses. Cela nous a permit de mettre en évidence une influence différentiellede la consommation de tabac sur le vieillissement cérébral dans les deux sexes.Néanmoins, les résultats présentés ont pour la plupart jamais été montrés et cela demande laréplication de l’étude dans une autre population / The increase in life expectancy seen during the XXth century, followed by an increase in theproportion of elderly, placed the study of brain aging and of its accompanying diseases in thespotlight. This thesis had for goal the study and quantification of the impact of tobaccoconsumption on brain morphological aging in a large cohort of elderly subjects from the Three CitiesStudy. We focused to evaluate and compare its impact, in comparison with other factors known toinfluence brain aging, in longitudinals and cross-sectionals studies. We show that tobacco smokinghas an effect, mainly global, more important than the others cardiovascular risk factors included inthis study and as important as the effect of age. Also, we have found that this effect stops with theconsumption, showing that prevention among the elderly population might be of major interest forsociety. Moreover, analysis have been conducted in men and women separately, allowing us to finddifferential effects of tobacco consumption on the brain morphological aging in the two sexes.

Les scorpions du genre Androctonus, comme Androctonus australis en Algérie et en Tunisieou Androctonus mauretanicus au Maroc, sont responsables d’environ 100.000 piqûres par ansur l’ensemble du Maghreb, suivies de 1 % de décès. Ils posent un réel problème de santépublique. Les toxines «alpha» modulant les canaux sodium voltage-activés (Nav) sontresponsables de 80 à 90% de l’activité létale des venins d’Androctonus australis etmauretanicus. Cependant, certaines petites molécules sont aussi capables de bloquer lefonctionnement d’autres types de canaux ioniques, en particulier des canaux potassiumvoltage-activés (Kv).Au cours de cette thèse, nous avons isolé et caractérisé les composants du venind’Androctonus amoreuxi, scorpion largement distribué en Afrique du Nord et au Moyen-Orient, mais qui n’avait jusqu’ici fait l’objet d’aucune etude rigoureuse. Nous avons identifiéles constituants impliqués dans la toxicité du venin et précisé leurs propriétéspharmacologiques et immunologiques, ainsi que l’effet qu’elles induisent enélectrophysiologie sur des canaux Nav et Kv clonés exprimés dans l’ovocyte de Xenope.Nous avons recherché de nouveaux membres d’une famille de toxines récemment isolées, lesBirtoxines-like, et interprété leur polymorphisme biologique par la modélisation de leursstructures 3D. Enfin, nous avons mené à bien un programme portant sur les effetsantinociceptifs des toxines de scorpion chez la souris. Cela nous a permis de proposer uneexplication qui fait intervenir le système opiacé et la « contre-irritation ». L’effet des toxinesreconnues « analgésiques » a ensuite été testé en électrophysiologie sur des neuronesnocicepteurs. / The North African scorpion Androctonus australis in Algeria and Tunisia, or Androctonusmauretanicus in Morocco, are responsible of about 100.000 stings each year in Maghreb,followed by 1% of death. Small toxins modulating voltage-gated sodium channels (Nav),named “alpha”, are responsible of 80 to 90% of the total lethal activity from the Androctonusaustralis and mauretanicus venoms. However, smaller molecules are also able to block thefunctioning of another type of ionic channels, in particular, the voltage-gated potassiumchannels (Kv).During this thesis, we have isolated and characterized the compounds of the venom fromAndroctonus amoreuxi, a scorpion widely found in North Africa and Middle East, but neverseriously studied so far. We have identified the constituents implicated in the toxicity anddefined their immunological and pharmacological properties, as well as theirelectrophysiological effects on cloned Nav and Kv channels expressed in Xenopus oocytes.We also have looked for recently characterized new molecules, the Birtoxins-like, and tried toexplain their large biological polymorphism by 3D structural models. At last, we haveevaluated the antinociceptifs effects of scorpion toxins in mice. We have proposed that theantalgic effects observed after administration of scorpion toxins are partly due to a counterirritation phenomenon, which implicates the activation of an endogenous opioid system. The“analgesic” toxins have been further tested in electrophysiology on DRG neurons.

L’intégrité de notre système sensorimoteur est essentielle aux interactions adéquates avec notre environnement. Dans la maladie de Parkinson (MP), l’efficacité des interactions quotidiennes entre le corps et l’environnement est fréquemment réduite et diminue la qualité de vie. La MP est une maladie neurodégénérative résultant prioritairement d’une perte neuronale dopaminergique dans les ganglions de la base (GB). Cette dégénérescence altère le fonctionnement normal de la circuiterie associant les GB au cortex cérébral. L’administration de médications dopaminergiques permet d’améliorer les principaux symptômes cliniques moteurs de la MP. Cette thèse porte sur les rôles des GB dans les processus de traitement et d’intégration des informations sensorielles visuelle et proprioceptive et dans les mécanismes d’adaptation visuomotrice. Elle s’intéresse également à l’influence de la médication dopaminergique sur ces fonctions sensorimotrices. Nous avons réalisé trois études comportementales, utilisant l’atteinte manuelle tridimensionnelle comme modèle expérimental. Dans chacune de ces études, nous avons comparé la performance de personnes âgées en santé à celle de personnes souffrant de la MP avec et sans leur médication antiparkinsonienne quotidienne. Ces trois études ont été réalisées à l’aide d’un système d’analyse de mouvement et une station de réalité virtuelle. Dans la première étude, nous avons évalué si les GB sont prioritairement impliqués dans l’intégration sensorimotrice ou le traitement des informations proprioceptives. Pour se faire, nous avons testé la capacité des patients MP à effectuer des atteintes manuelles tridimensionnelles précises dans quatre conditions variant la nature des informations sensorielles (visuelles et/ou proprioceptives) définissant la position de la main et de la cible. Les patients MP ont effectué, en moyenne, de plus grandes erreurs spatiales que les personnes en santé uniquement lorsque les informations proprioceptives étaient la seule source d’information sensorielle disponible. De plus, ces imprécisions spatiales étaient significativement plus grandes que celles des personnes en santé, seulement lorsque les patients étaient testés dans la condition médicamentée. La deuxième étude présentée dans cette thèse a permis de démontrer que les imprécisions spatiales des patients MP dans les conditions proprioceptives étaient le résultat de déficits dans l’utilisation en temps réel des informations proprioceptives pour guider les mouvements. Dans la troisième étude, nous avons évalué si les GB sont prioritairement impliqués dans les mécanismes d’adaptation visuomotrice explicite ou implicite. Pour se faire, nous avons testé les capacités adaptatives des patients MP dans deux tâches variant le décours temporel de l’application d’une perturbation visuomotrice tridimensionnelle. Dans la tâche explicite, la perturbation était introduite soudainement, produisant de grandes erreurs détectées consciemment. Dans la condition implicite, la perturbation était introduite graduellement ce qui engendrait de petites erreurs non détectables. Les résultats montrent que les patients MP dans les conditions médicamentée et non médicamentée présentent des déficits adaptatifs uniquement dans la tâche explicite. Dans l’ensemble, les résultats expérimentaux présentés dans cette thèse montrent que la médication dopaminergique n’améliore pas le traitement des afférences proprioceptives et l’adaptation visuomotrice des personnes souffrant de la MP. Ces observations suggèrent que les dysfonctions dans les circuits dopaminergiques dans les GB ne sont pas les seules responsables des déficits observés dans ces fonctions sensorimotrices. / The integrity of our sensorimotor system is essential for adequate interactions with the environment. In Parkinson’s disease (PD), the efficiency of the daily interactions between the body and the environment is often reduced and interfere with quality of life. PD is a neurodegenerative disease resulting primarily from a dopaminergic neuronal loss in the basal ganglia (BG). This progressive loss of neurons alters the normal functioning of the BG-cortical circuitry. Dopaminergic medication is well known to remediate the major clinical motor symptoms of PD. This thesis investigates the role of the BG in the processing and integration of visual and proprioceptive sensory information and in visuomotor adaptation. This thesis also explores the influence of dopaminergic medication on these sensorimotor functions. We performed three behavioral studies using three-dimensional reaching movements as an experimental model. In each study, we compared the performance of healthy controls and individuals suffering from PD, while in the non-medicated condition and when on their regular daily antiparkinsonian medication. These three studies were performed using a movement analysis system and a virtual reality station. In the first study, we evaluated whether the BG are primarily involved in sensorimotor integration or in the processing of proprioceptive sensory information. We tested the ability of PD patients to perform accurate reaching movements in four conditions in which the sensory signals defining target and hand positions (vision and/or proprioception) varied. On average, PD patients made larger spatial errors than healthy controls when proprioception was the only source of sensory information available. Furthermore, these movement inaccuracies were significantly larger than those of healthy controls only when PD patients where tested in the medicated condition. The second study presented in this thesis demonstrated that the greater movement inaccuracies of PD patients in the proprioceptive conditions resulted mainly from impaired use of proprioceptive information for on-line movement guidance. In the third study, we evaluated whether the BG are primarily involved in explicit or implicit visoumotor adaptation mechanisms. Visuomotor adaptation skills of non-medicated and medicated patients were assessed in two reaching tasks in which the size of spatial errors made during adaptation was manipulated by varying the temporal evolution of a three-dimensional visuomotor perturbation across trials. In the explicit task, the visuomotor perturbation was applied suddenly resulting in large consciously detected initial spatial errors, whereas in the implicit task, the visuomotor perturbation was gradually introduced in small undetectable steps such that subjects never experienced large movement errors. Results indicate that both non- medicated and medicated PD patients showed markedly impaired visuomotor adaptation only in the explicit task. Together, the different experimental data presented in this thesis indicate that dopaminergic medication does not improve proprioceptive processing and visuomotor adaptation skills of PD patients. These observations suggest that dysfunction of dopaminergic circuits within the BG is not solely responsible for the reported sensorimotor deficits.

Les dyskinésies tardives (DT) sont des troubles moteurs associés à l’utilisation chronique des antagonistes des récepteurs dopaminergiques D2 tels que les antipsychotiques et le métoclopramide. Ces dyskinésies correspondent à une incoordination motrice portant préférentiellement sur la musculature oro-faciale. La gestion des DT s'est imposée comme défi de santé publique surtout en l’absence d’une alternative thérapeutique efficace et abordable. L’hypothèse classiquement avancée pour expliquer la physiopathologie des DT inhérente au traitement par les antipsychotiques s’articule autour de l’hypersensibilité des récepteurs dopaminergiques D2, cibles principales de ces molécules. Néanmoins, plusieurs données remettent la véracité de cette hypothèse en question. Hypothèse: nous proposons que le blocage chronique des récepteurs dopaminergiques soit effectivement responsable d’un phénomène d’hypersensibilisation mais contrairement à l’hypothèse classique, cette hypersensibilisation porterait sur des paramètres de la transmission dopaminergique autres que les récepteurs D2. De même nous postulons que cette hypersensibilisation se traduirait par des altérations des cascades signalétiques au niveau des cellules du striatum. Ces altérations aboutissent à des changements portant sur le récepteur nucléaire (Nur77), qui est hautement associé au système dopaminergique; l’induction de ces récepteurs déclencherait des cascades associées à la compensation ou à la genèse des DT. Matériels et méthodes: 23 femelles Cebus apella, réparties en 3 groupes: groupe halopéridol, groupe clozapine, et groupe contrôle, ont été exposées aux traitements respectifs pendant 6-36 mois. Après l’analyse comportementale, les animaux ont été décapités et leurs cerveaux isolés pour fin d’analyse. Hybridation in situ: nous avons fait appel à cette technique pour mesurer l’expression de l’ARNm de Nur77 et du neuropeptide enképhaline. Hybridation in situ double: nous avons exploités cette technique pour identifier les populations neuronales exprimant les récepteurs dopaminergiques D3 et localiser leur éventuelle induction. Autoradiographies des récepteurs dopaminergiques D1, D2 et D3 et autoradiographies des récepteurs i glutamatergiques mGluR5. Ces autoradiographies avaient pour objectif d’évaluer l’expression de ces différents récepteurs. Mutagenèse dirigée et transfection cellulaire: nous faisons appel à ces techniques pour reproduire le polymorphisme identifié au niveau de la région 3’UTR de l’ARNm Nur77 et évaluer l’impact que pourrait avoir ce polymorphisme sur la stabilité de l’ARNm Nur77 sinon sur l’expression de la protèine Nur77. Western Blot des kinases ERK 1 et 2: cette technique nous a servi comme moyen pour quantifier l’expression globale de ces kinases. Analyses statistiques: l’expression de l’ARNm Nur77 a été évaluée en utilisant l’analyse de la variance à un seul facteur (One way ANOVA). Nous avons procédé de la même façon pour mesurer l’expression des récepteurs D2, D3 et mGluR5. Résultats: le groupe des animaux traités par l’halopéridol montre une plus forte expression des récepteurs D3 par rapport aux sujets des autres groupes. Cette expression se produit au niveau des neurones de la voie directe. De plus, cette augmentation corrèle positivement avec la sévérité des DT. L’expression des récepteurs D2 et mGluR5 reste relativement inchangée entre les différents groupes, alors qu’un gradient d’expression a été observé pour le récepteur D1. Par ailleurs, Nur77 est induit par l’halopéridol, alors que son expression semble baisser chez les animaux traités par la clozapine. L’induction de l’expression de Nur77 par l’halopéridol est plus accrue chez les animaux non dyskinétiques. Les animaux traités par la clozapine démontrent une expression amoindrie de l’ARNm de Nur77 qui tend à être plus faible que l’expression de base. D’autre part, la présence du polymorphisme au niveau de la région 3’UTR semble affecter l’expression cellulaire de Nur77. Conclusion: ces résultats confortent notre hypothèse concernant l’existence d’un phénomène d’hypersensibilisation prenant place suite un traitement chronique par les antipsychotiques. Ce phénomène s’est traduit par une augmentation de l’expression des récepteurs D3 sans porter sur les récepteurs D2 tel que prôné classiquement. Cette hypersensibilisation des récepteurs D3 implique également l’existence d’un débalancement des voies striatales pouvant ainsi sous tendre l’apparition des DT. Ces résultats dévoilent ainsi un nouveau mécanisme qui pourrait contribuer à l’apparition des DT et pourraient permettre une meilleure gestion, nous l’espérons, des DT à l’échelle clinique. / Tardive dyskinesia (TD) is a potentially disabling and irreversible motor complication including all persistent, abnormal, involuntary movements, classicaly caused by the chronic therapy with typical antipsychotic drugs (haloperidol, fluphenazine). Atypical antipsychotic drugs like clozapine have been introduced because they showed little potential to induce TD, raising the hope to completely eradicate this complication. However, it has been later shown that these drugs have several serious metabolic side- effects and that some atypical molecules are as responsible as typical drugs for inducing TD. Besides, the typical drugs are still widely prescribed in a large spectrum of disorders. For all these reasons, TD still constitutes a major challenge for psychotic disorders treatments especially that the pathophysiology of TD remains elusive and therapeutics are difficult. Based on rodent experiments, it was proposed that dopamine D2 receptor hypersensitivity could be responsible for TD. However, this hypothesis lacks strong support in humans. We suggest, in this thesis, that TD is associated with the hypersensitivity of other receptors, than D2. To investigate the neurochemical basis of TD, we chronically exposed 23 adult capuchin monkeys to haloperidol (median 18.5 months, N=11) or clozapine (median 6 months, N=6). Six unmedicated animals were used as controls. Five haloperidol-treated animals developed mild TD movements, and no TD was observed in the clozapine group. Using receptor autoradiography, we measured dopamine D1, D2, D3 and mGluR5 receptor levels. We also examined the D3 receptor/preprotachykinin mRNA co-expression, and quantified enkephalin and Nur77 mRNA levels, in striatal sections. Unlike clozapine, haloperidol strongly induced dopamine D3 receptor binding sites in the anterior striatum, particularly in TD animals, and binding levels positively correlated with TD intensity. In contrast, D2 receptor binding was comparable to controls, and dopamine D1 receptor binding reduced in the anterior (haloperidol and clozapine) and posterior (clozapine) putamen. Preprotachykinin mRNA-labeled cell count was unaffected by either haloperidol or clozapine, enkephalin mRNA widely increased in all animals, but to a greater extent in TD-free animals. Nur77 mRNA levels in the caudate-putamen were strongly up regulated iv in animals exposed to haloperidol but were spared following clozapine treatment. Interestingly, within the haloperidol-treated group, TD-free animals showed higher Nur77 expression in putamen sub territories compared with dyskinetic animals. These results corroborate our hypersensitivity hypothesis, and indicate that an imbalance between the striatal pathways could contribute to the pathophysiology of TD.

Ce travail de neurobiologie intégrative porte sur l’étude des contrôles exercés par les récepteurs 5-HT2C au niveau du réseau des ganglions de la base, un groupe de structures sous-corticales impliquées dans le contrôle du comportement moteur. Les récepteurs 5-HT2C exercent trois modalités de contrôle sur les cellules des ganglions de la base comprenant les contrôles phasique, tonique et constitutif, ce dernier contrôle étant indépendant de la présence de la sérotonine (5-HT), le ligand endogène. A l’aide d’outils pharmacologiques appropriés (agoniste, antagoniste et agoniste inverse), nous avons étudié chez le rat les différents contrôles des récepteurs 5-HT2C sur un comportement moteur, les mouvements orofaciaux. Nous avons aussi étudié ces contrôles dans les ganglions de la base en mesurant l’expression du marqueur neuronal de changement d’activité cellulaire, le proto-oncogène c-Fos, et en utilisant des enregistrements extracellulaires unitaires de la fréquence basale ou évoquée par des stimulations corticales des structures de sortie du réseau, le noyau entopédonculaire (NEP) ou la substance noire pars reticulata (SNr). Mes données montrent que la stimulation du récepteur 5-HT2C ou le blocage de son activité constitutive entrainent une augmentation des mouvements orofaciaux anormaux. Les données anatomiques révèlent que les différents contrôles 5-HT2C s’expriment au niveau des structures d’entrées des ganglions de la base, le striatum et le noyau sous-thalamique (NST), avec une expression préférentielle de l’activité constitutive au niveau du striatum et du noyau accumbens (NAc). Le contrôle phasique et l’activité constitutive étendent leur influence vers les structures de sortie des ganglions de la base ce qui pourrait être associé à l’émergence des mouvements orofaciaux anormaux. Les contrôles 5-HT2C sont influencés par le niveau d’activité du réseau et notamment le niveau de transmission dopaminergique (DA). En effet, une lésion des neurones DA potentialise les réponses comportementales et électrophysiologiques induites par un agoniste 5-HT2C au niveau du NEP. La stimulation des récepteurs D2 entraîne des dyskinésies orofaciales et une augmentation des réponses électrophysiologiques de la voie cortico-sous-thalamo-nigrale et ces effets sont supprimés par des antagonistes 5-HT2C. Ce travail apporte des éléments concernant la distribution et la nature de divers contrôles exercés par les récepteurs 5-HT2C au sein des ganglions de la base. Il ouvre des perspectives thérapeutiques sur l’utilisation des antagonistes 5-HT2C dans la schizophrénie ou la maladie de Parkinson. Pour autant, ces contrôles sont complexes et une meilleure connaissance de leur rôle dans ces régions permettrait de mieux appréhender des thérapies éventuelles avec des agents 5-HT et/ou 5-HT2C. / This work of integrative neurobiology focuses on the study of the controls exerted by the 5-HT2C receptors in the basal ganglia, a group of subcortical structures involved in the control of motor behavior. 5-HT2C receptors exert three modalities of control over cells of the basal ganglia, including a phasic, tonic and a constitutive control, the latter one being independent of the presence of serotonin (5-HT), the endogenous ligand. Using appropriate pharmacological tools (agonist, antagonist and inverse agonist), we have studied in rats the different controls of 5-HT2C receptors on one motor behavior, the purposeless orofacial movements. We also have studied these controls in the basal ganglia by measuring the expression of the proto-oncogene c-Fos, a marker of change of neuronal activity by determining the firing rate, basal or evoked by cortical stimulations, of neurons located in the output structures, the entopeduncular nucleus (EPN) or the substantia nigra pars reticulata (SNr), using single unit extracellular recordings. My data showed that stimulation or the blockade of the constitutive activity of 5-HT2C receptor induced an increase in abnormal orofacial movements. Anatomical data indicated that the different 5-HT2C controls are expressed in the input structures of the basal ganglia, the striatum and the subthalamic nucleus (STN), with a preferential influence of the constitutive activity in the striatum and nucleus accumbens (NAc). In addition, the phasic control and the constitutive activity extended their control to the output structures of the basal ganglia which could be associated with the emergence of orofacial movements. 5-HT2C controls are influenced by the network activity, in particular the level of dopaminergic (DA) transmission. Indeed, a lesion of DA neurons potentiated behavioral and electrophysiological responses induced by a 5-HT2C agonist by acting in the EPN. The stimulation of D2 receptors induced oral dyskinesia and an increase in electrophysiological responses of the cortico-subthalamo-nigral pathway, and these effects were suppressed by selective 5-HT2C antagonists. This work brings up elements regarding the distribution and the nature of the diverse controls exerted by 5-HT2C receptors in the basal ganglia. It opens therapeutic perspectives for the use of 5-HT2C antagonists in the treatment of schizophrenia and Parkinson's disease. Nevertheless, these controls are complex and a better understanding of these controls in these regions would permit to apprehend possible treatments using 5-HT and/or 5-HT2C agents.

Ce travail s’est focalisé sur l’implication, longtemps négligée, du complexe centremédian/parafasciculaire (CM/Pf) du thalamus dans le fonctionnement physiopathologique des ganglions de la base (GB), avec pour objectif principal d’évaluer le potentiel thérapeutique du ciblage de ce noyau dans le traitement chirurgical par stimulation cérébrale profonde (SCP) des mouvements anormaux. Notre étude a porté dans un premier temps sur un modèle de la maladie de Parkinson (MP) chez le rat. La SCP à haute fréquence (SHF) du CM/Pf réduit différents troubles parkinsoniens (akinésie et négligence sensorimotrice) ainsi que les dyskinésies L‐Dopa induites. Cependant, la mise en évidence d’une action négative du traitement dopaminergique sur les effets anti‐parkinsoniens de cette stimulation compromet l’intérêt de cette cible dans le cadre de la MP dont la L‐Dopa reste le traitement de référence. Au niveau cellulaire, la SHF‐CM/Pf interfère très largement avec les effets de la lésion dopaminergique dans le réseau des GB, confirmant la position clé de ce complexe dans la modulation de l’activité des GB. De plus, la comparaison des effets comportementaux et cellulaires de la SHF de cette cible avec celle du noyau subthalamique, cible actuellement privilégiée dans le traitement de la MP, montre des spécificités en relation notamment avec une action sélective de la manipulation du CM/Pf sur le noyau entopédonculaire (EP), homologue chez le rongeur du globus pallidus interne dont l’implication dans les dyskinésies est bien documentée. Notre étude électrophysiologique in vivo confirme la relation entre activité du Pf et manifestation des dyskinésies en mettant en évidence une réactivité du Pf au traitement chronique à la L‐Dopa. Nous avons également montré que la lésion dopaminergique entraine une diminution de l’expression d’un marqueur métabolique de l’activité neuronale dans le Pf qui est complètement normalisée par la SHF, suggérant pour la première fois que la SHF pourrait corriger une diminution d’activité du noyau ciblé. Enfin, la relation étroite entre l’EP et le CM/Pf nous a encouragé à évaluer les effets de la SCP du Pf sur les dystonies sachant que celles‐ci sont traitées par SCP du globus pallidus interne. Nous avons montré, sur le modèle de hamster dtsz, que l’induction des dystonies est favorisée par la SCP à basse fréquence du Pf alors qu’elle est retardée par la SHF appliquée de façon subchronique (9 jour), ce qui met en évidence l’implication du CM/Pf dans cette autre affection motrice liée aux GB. / The involvement of the centremedian/parafascicular (CM/Pf) thalamic complex has long been neglected in the pathophysiological functioning of basal ganglia (BG). However, this complex forms a functional loop with the BG suggesting that it could be a new target for the surgical treatment by deep brain stimulation (DBS) of BG‐related disorders such as Parkinson's disease (PD). In this context, we evaluated the therapeutic potential of CM/Pf‐DBS in a rat PD model. DBS at high frequency (HFS) of CM/Pf alleviates PD symptoms (akinesia, sensorimotor neglect) as well as L‐Dopa‐induced dyskinesias. However, our observation that chronic L‐Dopa suppresses the antiparkinsonian benefits provided by CM/Pf‐HFS compromises the interest of this target for PD. At cellular level, CM/Pf‐HFS widely impacts the dopaminergic denervation‐induced changes in the BG, showing that CM/Pf is a key node for modulating BG function. Comparison of the behavioral and cellular effects of HFS of CM/Pf versus subthalamic nucleus, the currently preferred target for PD treatment, led us to suggest that their differential impact on akinesia and dyskinesia may be due to a selective action of CM/Pf‐HFS on entopeduncular nucleus (EP), the rodent homologous of internal globus pallidus, whose involvement in dyskinesia is already documented. In vivo electrophysiological recordings of CM/Pf neurons provided further support for the relationship between CM/Pf and dyskinesia. We also showed that the dopaminergic lesion resulted in a decreased gene expression of a metabolic marker of neuronal activity in the CM/Pf, which is completely normalized by HFS, providing the first evidence that HFS may be able to correct a decrease in activity of the targeted nucleus. Finally, given the close relationship between EP and CM/Pf and knowing that internal globus pallidus is a target for DBS in dystonia, we evaluated the effects of CM/Pf‐DBS in an animal model of this disorder, the dtsz hamster. We found that the stress induction of dystonia in this model is delayed by subchronic CM/Pf HFS whereas it is favored by low frequency stimulation providing evidence forthe involvement of CM/Pf in another BG‐related movement disorder.