Les modèles kainate et pentylènetétrazole représentent deux modèles d’épilepsie du lobe temporal dont les conséquences à long terme sont différentes. Le premier est un modèle classique d’épileptogénèse avec crises récurrentes spontanées tandis que le second se limite aux crises aigües. Nous avons d’abord caractérisé les différents changements survenant dans les circuits excitateurs et inhibiteurs de l’hippocampe adulte de rats ayant subi des crises à l’âge immature. Ensuite, ayant observé dans le modèle fébrile une différence du pronostic lié au genre, nous avons voulu savoir si cette différence était aussi présente dans des modèles utilisant des neurotoxines. L’étude électrophysiologique a démontré que les rats KA et PTZ, mâles comme femelles, présentaient une hyperactivité des récepteurs NMDA au niveau des cellules pyramidales du CA1, CA3 et DG. Les modifications anatomiques sous-tendant cette hyperexcitabilité ont été étudiées et les résultats ont montré une perte sélective des interneurones GABAergiques contenant la parvalbumine dans les couches O/A du CA1 des mâles KA et PTZ. Chez les femelles, seul le DG était légèrement affecté pour les PTZ tandis que les KA présentaient, en plus du DG, des pertes importantes au niveau de la couche O/A. Les évaluations cognitives ont démontré que seuls les rats PTZ accusaient un déficit spatial puisque les rats KA présentaient un apprentissage comparable aux rats normaux. Cependant, encore une fois, cette différence n’était présente que chez les mâles. Ainsi, nos résultats confirment qu’il y a des différences liées au genre dans les conséquences des convulsions lorsqu’elles surviennent chez l’animal immature. / Kainate and pentylenetetrazole models represent two animal models of temporal lobe epilepsy in which long-term consequences differ. The first model is a classical model of epileptogenesis with spontaneous recurrent seizures while the second one is limited to acute seizures. We wanted to characterize the difference in changes which occur in excitatory and inhibitory systems of the hippocampus of adult males and females having suffered an episode of status epilepticus during the immature stage of life. Besides having noticed a difference between genders in the febrile model, our second objective was to see if this difference was also present in models using neurotoxins. Electrophysiology recordings indicated that KA and PTZ rats (both male and female) showed a hyperactivity of NMDA receptors in CA1, CA3 and DG pyramidal cells. Anatomical modifications causing hyperactivity were studied and results show a selective loss of specific GABA interneurons PV in the O/A layer of CA1 region of the hippocampus in KA and PTZ male rats. However in female rats, only the DG layer was slightly affected in PTZ while female KA presented losses in both DG and O/A layers. Cognitive evaluation indicated that only PTZ rats showed a spatial impairment since KA rats had a similar learning pattern as controls. However, once again, that difference was observed only in males and not in females. In summary, our results confirmed that there is a difference between genders regarding brain damages after having suffered an episode of status epilepticus during the immature stage.

La vision est un élément très important pour la navigation en général. Grâce à des mécanismes compensatoires les aveugles de naissance ne sont pas handicapés dans leurs compétences spatio-cognitives, ni dans la formation de nouvelles cartes spatiales. Malgré l’essor des études sur la plasticité du cerveau et la navigation chez les aveugles, les substrats neuronaux compensatoires pour la préservation de cette fonction demeurent incompris. Nous avons démontré récemment (article 1) en utilisant une technique d’analyse volumétrique (Voxel-Based Morphometry) que les aveugles de naissance (AN) montrent une diminution de la partie postérieure de l’hippocampe droit, structure cérébrale importante dans la formation de cartes spatiales. Comment les AN forment-ils des cartes cognitives de leur environnement avec un hippocampe postérieur droit qui est significativement réduit ? Pour répondre à cette question nous avons choisi d’exploiter un appareil de substitution sensorielle qui pourrait potentiellement servir à la navigation chez les AN. Cet appareil d’affichage lingual (Tongue display unit -TDU-) retransmet l’information graphique issue d’une caméra sur la langue. Avant de demander à nos sujets de naviguer à l’aide du TDU, il était nécessaire de nous assurer qu’ils pouvaient « voir » des objets dans l’environnement grâce au TDU. Nous avons donc tout d’abord évalué l’acuité « visuo »-tactile (article 2) des sujets AN pour les comparer aux performances des voyants ayant les yeux bandées et munis du TDU. Ensuite les sujets ont appris à négocier un chemin à travers un parcours parsemé d’obstacles i (article 3). Leur tâche consistait à pointer vers (détection), et contourner (négociation) un passage autour des obstacles. Nous avons démontré que les sujets aveugles de naissance non seulement arrivaient à accomplir cette tâche, mais encore avaient une performance meilleure que celle des voyants aux yeux bandés, et ce, malgré l’atrophie structurelle de l’hippocampe postérieur droit, et un système visuel atrophié (Ptito et al., 2008). Pour déterminer quels sont les corrélats neuronaux de la navigation, nous avons créé des routes virtuelles envoyées sur la langue par le biais du TDU que les sujets devaient reconnaitre alors qu’ils étaient dans un scanneur IRMf (article 4). Nous démontrons grâce à ces techniques que les aveugles utilisent un autre réseau cortical impliqué dans la mémoire topographique que les voyants quand ils suivent des routes virtuelles sur la langue. Nous avons mis l’emphase sur des réseaux neuronaux connectant les cortex pariétaux et frontaux au lobe occipital puisque ces réseaux sont renforcés chez les aveugles de naissance. Ces résultats démontrent aussi que la langue peut être utilisée comme une porte d’entrée vers le cerveau en y acheminant des informations sur l’environnement visuel du sujet, lui permettant ainsi d’élaborer des stratégies d’évitement d’obstacles et de se mouvoir adéquatement. / Vision is a very important tool for navigation in general. Due to compensatory mechanisms people who are blind from birth are not handicapped in spatio-cognitive abilities, nor in the formation of novel spatial maps. Despite the growing volume of studies on brain plasticity and navigation in the blind, the compensatory neural substrates or the preservation of this function remain unclear. We have recently demonstrated (article 1) by using volumetric analysis techniques (Voxel-Based Morphometry) that early blind individuals (EB) show a reduction of the posterior end of the hippocampus on the right side. This cerebral structure is important for the formation of cognitive maps. How do EB form maps of their environment with a significantly reduced posterior right hippocampus? To answer this question we chose to exploit a sensory substitution device that could potentially serve navigation in EB. This tongue display unit (TDU) is capable of transmitting pictorial imagery in the form of electricity on the tongue. Before asking our participants to navigate using the TDU, it was necessary to ascertain that they could really « see » objects in the environment using the TDU. We thus evaluated the « visuo »-tactile acuity (article 2) of EB compared to sighted blindfolded participants using the TDU. Participants later learned to negotiate a path through an obstacle course (article 3). Their task consisted of pointing to (detection), and avoiding (negotiation) obstacles while advancing through the hallway. We demonstrated that despite a reduced right posterior hippocampus, and an iii atrophied visual system (Ptito et al., 2008) EB not only were able to accomplish this task, but had a better performance than the blindfolded sighted controls. To determine what the neural correlates of navigation in EB are, we devised an fMRI compatible virtual route task conveyed through the tongue (article 4). Participants had to learn to navigate the routes and recognize them. We showed that EB use another cortical network involved in cognitive mapping than the sighted when recognizing routes on the tongue. We have emphasized neural networks connecting parietal and frontal cortices since they are re-enforced in EB. These results show that the tongue can be used as a portal to the brain by transferring pictorial information from the visual environment of participants, allowing the elaboration of strategies to avoid obstacles and move around in their environment.

Les patients atteints d'épilepsie du lobe temporal (TLE) ainsi que les rats injectés à l'acide kaïnique (KA) exhibent des patrons pathophysiologiques similaires de crises, de sclérose de l'hippocampe et de perte de certains types neuronaux. Parmi les cellules atteintes dans le modèle KA du TLE on retrouve certains interneurones inhibiteurs du CA1. En effet, certains interneurones des couches oriens et alveus (O/A-IN) meurent suite à une injection de KA chez le rat, contrairement aux interneurones à la bordure des couches radiatum et lacunosum/moleculare (R/LM-IN) de la même région. Bien que cette perte soit empêchée par des antagonistes des récepteurs glutamatergiques métabotropes de groupe I (mGluR1/5), la cause de cette perte sélective des O/A-INs reste à être précisée. Au cours des travaux de cette thèse, nous avons effectué des enregistrements de patch-clamp en configuration cellule-entière en modes courant- et voltage-imposé couplés à l'imagerie calcique pour étudier les causes de la vulnérabilité sélective des O/A-INs dans ce modèle. Dans un premier temps, nous avons évalué les effets d'une application aiguë de KA sur les propriétés membranaires et calciques pour voir s'il y avait des différences entre les O/A-INs et R/LM-INs qui pourraient expliquer la vulnérabilité. Nos résultats montrent que les dépolarisations et variations de résistance d'entrée ainsi que les augmentations de calcium intracellulaire, dépendantes principalement des récepteurs -amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxasole propionic acid (AMPA), sont similaires entre les deux types d'interneurones suite à des applications aigües de KA. Ceci indique que l'effet aigu du KA sur les interneurones ne serait pas la cause de la vulnérabilité des O/A-INs. Dans un second temps nous avons comparé l'implication des sous-types de récepteurs mGluR1 et 5 dans l'activité épileptiforme des deux types d'interneurones évoquée dans un modèle de tranche désinhibée. Dans ce cas, nos données montrent un rôle important des mGluR1 et 5 activés synaptiquement lors des décharges épileptiformes et ce, de manière spécifique aux O/A-INs. Les courants synaptiques sous-tendant ces décharges impliquent des récepteurs ionotropes et métabotropes du glutamate. En présence d'antagonistes des récepteurs ionotropes glutamatergiques, les courants synaptiques sont biphasiques et formés de composantes rapide et lente. Les récepteurs mGluR1 et 5 sont différemment impliqués dans ces composantes: les mGluR5 étant impliqués dans les composantes rapide et lente, et les mGluR1 que dans la composante lente. Ces résultats indiquent que les mGluR1 et 5 contribuent différemment à l'activité épileptiforme, et spécifiquement dans les O/A-INs, et pourraient donc être impliqués dans la vulnérabilité sélective de ces interneurones dans le modèle KA. / Temporal lobe epilepsy (TLE) patients, as well as kainic acid (KA)-treated rodents, display similar pathophysiological patterns of behavioural seizures, hippocampal sclerosis and loss of certain neuronal types in the hippocampus. Among the cell types selectively vulnerable in the experimental KA model of TLE are certain inhibitory interneurons of the CA1 hippocampal region. Specifically, interneurons located in the oriens and alveus layers (O/A-IN) are lost following KA injections, whereas interneurons found in the radiatum/lacunosum-moleculare layers (R/LM-IN) are resistant. Although it has been shown that the group I metabotropic glutamate receptor (mGluR1/5) inhibitors can block this cell loss seen in the KA model, the precise cause of the selective O/A-IN vulnerability remains to be clarified. In this thesis, we have performed whole-cell patch-clamp recordings with simultaneous calcium imaging in an effort to elucidate the cause of the selective vulnerability of O/A-INs. We first determined the effects of acute KA applications on membrane properties and intracellular calcium rises in hippocampal slices to see if they might be different between O/A-INs and R/LM-INs. Our results reveal similar -amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxasole propionic acid (AMPA) receptor dependent membrane depolarizations, input resistance variations and calcium reponses in these cells following KA applications, suggesting that acute KA actions may not cause the selective vulnerability of O/A-INs. Furthermore, we evaluated the contribution of mGluR1/5 to epileptiform discharges evoked in a disinhibited slice model, comparing responses between O/A-INs and R/LM-INs. Our data show an important role of synaptically activated mGluR1/5 during epileptiform discharges specifically in O/A-INs. In addition we show that the synaptic currents underlying these discharges involve ionotropic and metabotropic glutamate receptors. In the presence of antagonists of ionotropic glutamate receptors, synaptic currents are biphasic and composed of fast and slow components. mGluR1 and mGluR5 are involved differently in these components with mGluR5 implicated in fast and slow components and mGluR1 in the slow component only. Our findings therefore suggest that mGluR1 and 5 contribute differently to epileptiform discharges, and do so specifically in O/A-INs, suggesting that their activation may contribute to the selective vulnerability of these interneurons in the KA model of TLE.

Bourse de maîtrise du Groupe de recherche sur le système nerveux central GRSNC, (2009,2010) Bourse d’études supérieures du Canada Frederick Banting et Charles Best, IRSC Instituts de recherche en santé du Canada, (2011) / EphA7 est un membre de la famille des récepteurs à tyrosine kinase Eph, qui régulent l’adhérence et la motilité cellulaires. EphA7 est hautement conservé chez les vertébrés et largement exprimé durant l'embryogenèse, en particulier pendant le développement du SNC. Dans le cerveau adulte, EphA7 est transcrit principalement dans l'hippocampe, avec de faibles niveaux d'expression ailleurs. Nous avons cartographié sa distribution dans le cerveau du rat et de la souris adultes, par hybridation in situ et immunohistochimie en microscopie photonique et électronique. Les deux méthodes montrent une distribution de marquage très cohérente. Le signal le plus fort a été observé dans l’hippocampe, avec des niveaux moins élevés dans l’habénula, le striatum, l’amygdale, les cortex cingulaire, piriforme et entorhinal, ainsi que le cervelet. Au niveau ultrastructural, dans l’hippocampe, l’immunoréactivité d’EphA7 a été localisée dans le cytoplasme des cellules granulaires (gyrus dentelé) et pyramidales (CA1 et CA3) en ordre décroissant d’intensité. Dans le neuropile de CA1, des épines dendritiques et des prolongements astrocytaires, souvent périsynaptiques, ont été les éléments le plus fréquemment marqués. Plus rarement, nous avons aussi rencontré des dendrites et des terminaisons axonales immunopositives. La localisation préférentielle d’EphA7 dans les épines dendritiques et les prolongements astrocytaires périsynaptiques est conséquente avec un rôle de ce récepteur dans la plasticité synaptique / Abstract: EphA7 is a member of the family of Eph receptor tyrosine kinases, which regulate cell adhesion and motility. EphA7 is highly conserved in vertebrates and widely expressed during embryogenesis, especially during the development of the CNS. In the adult brain, EphA7 is transcribed mainly in the hippocampus, with low expression levels elsewhere. We have mapped its distribution in the adult brain of rat and mice by in situ hybridization and by immunohistochemistry in light and electron microscopy. Both methods show very consistent labelling distribution. The strongest signal was observed in the hippocampus, but modest levels were detected in the habenula, striatum, amygdala, the cingulate, piriform and entorhinal cortex, and the cerebellum. At the ultrastructural level, in the hippocampus, EphA7 immunoreactivity was localized in the cytoplasm of granule (dentate gyrus) and pyramidal cells (CA1 and CA3) in descending order of intensity. In the neuropil of CA1, dendritic spines and astrocytic processes, often perisynaptic were the most frequently labelled. More rarely, we also observed immunopositive dendrites and axon terminals. The preferential localization of EphA7 in dendritic spines and perisynaptic astrocytic processes is consistent with a role of this receptor in synaptic plasticity

EphA7 est un membre de la famille des récepteurs à tyrosine kinase, Eph, qui assume plusieurs rôles durant le développement du système nerveux central. Par ailleurs, il continue d’être fortement exprimé dans le cerveau adulte, notamment dans les régions reconnues pour leur grande plasticité synaptique, telles que l’hippocampe et le cervelet. Par hybridation in situ, nous avons cartographié la distribution de l’ARNm d’EphA7 dans le cerveau de rats et souris adultes. Les couches pyramidales du CA1 et CA3 et granulaire du gyrus dentelé de la formation de l’hippocampe ont montré le plus fort marquage. Un niveau d’ARNm d’EphA7 plus modéré a été observé dans l’habenula, le striatum, l’amygdale, le cervelet et le cortex cingulaire, piriforme et entorhinal. Quant à la protéine détectée par immunohistochimie, elle était fortement exprimée dans le neuropile de l’hippocampe et la couche des cellules de Purkinje du cervelet. En microscopie électronique, dans toutes les couches de l’hippocampe et du cervelet examinées, des épines dendritiques, des dendrites, des axones non-myélinisés, des terminaisons axonales et quelquefois des prolongements astrocytaires constituaient les éléments immunopositifs. Comme on pouvait déjà le voir en microscopie photonique, les corps cellulaires des cellules pyramidales et granulaires de l’hippocampe ainsi que des cellules de Purkinje du cervelet montraient aussi du marquage, surtout intracellulaire. L’analyse quantitative a révélé la localisation préférentielle d’EphA7 dans des dendrites et épines dendritiques. La majorité des épines marquées formaient des synapses asymétriques (excitatrices) avec des terminaisons axonales non marquées. La double localisation préférentielle d’EphA7 dans les dendrites ainsi que les densités post-synaptiques des épines dendritiques est compatible avec l’hypothèse d’un rôle d’EphA7 dans le maintien ou la fonction de certaines synapses du SNC adulte. / EphA7 is a member of the Eph receptor tyrosine kinase family. It plays multiple roles during central nervous system development. In adult brain, EphA7 is still strongly expressed in certain regions, notably regions known to undergo active synaptic plasticity, such as the hippocampus and cerebellum. To examine the regional and cellular localization of EphA7 in adult brain, we used in situ hybridization as well as immunohistochemistry for light and electron microscopy. By in situ hybridization, the strongest signal was in hippocampus, notably the main cell layers of CA1, CA3 and dentate gyrus, and in cerebellar cortical Purkinje cells. However, moderate mRNA levels were found in habenula, striatum, amygdala, cingular, piriform and entorhinal cortex and in the cerebellar cortex. After immunoperoxydase labeling, EphA7 appeared enriched in the neuropil layers of CA1, CA3 and DG as well as in Purkinje cell somata of the cerebellar cortex. In all examined layers of hippocampus and cerebellum, dendritic spines, dendrites, unmyelinated axons, axon terminals and some astrocytic leaflets were immunopositive for EphA7. Neuronal cell bodies of pyramidal, granular and Purkinje cells also showed some immunoreactivity, which was mainly intracellular. EphA7-labeled dendritic spines and dendrites represented the most frequently labeled components. The vast majority of labeled dendritic spines established asymmetric synapses with unlabeled axon terminals and thus displayed features of excitatory synapses. The dual preferential localization of EphA7 in dendrites and in the post-synaptic densities of dendritic spines provides morphologic evidence in support of the hypothesis that EphA7 plays a key role in adult CNS synaptic maintenance or function.

La déficience intellectuelle affecte de 1 à 3% de la population mondiale, ce qui en fait le trouble cognitif le plus commun de l’enfance. Notre groupe à découvert que des mutations dans le gène SYNGAP1 sont une cause fréquente de déficience intellectuelle non-syndromique, qui compte pour 1-3% de l’ensemble des cas. À titre d’exemple, le syndrome du X fragile, qui est la cause monogénique la plus fréquente de déficience intellectuelle, compte pour environ 2% des cas. Plusieurs patients affectés au niveau de SYNGAP1 présentent également des symptômes de l’autisme et d’une forme d’épilepsie. Notre groupe a également montré que SYNGAP1 cause la déficience intellectuelle par un mécanisme d’haploinsuffisance. SYNGAP1 code pour une protéine exprimée exclusivement dans le cerveau qui interagit avec la sous-unité GluN2B des récepteurs glutamatergique de type NMDA (NMDAR). SYNGAP1 possède une activité activatrice de Ras-GTPase qui régule négativement Ras au niveau des synapses excitatrices. Les souris hétérozygotes pour Syngap1 (souris Syngap1+/-) présentent des anomalies de comportement et des déficits cognitifs, ce qui en fait un bon modèle d’étude. Plusieurs études rapportent que l’haploinsuffisance de Syngap1 affecte le développement cérébral en perturbant l’activité et la plasticité des neurones excitateurs. Le déséquilibre excitation/inhibition est une théorie émergente de l’origine de la déficience intellectuelle et de l’autisme. Cependant, plusieurs groupes y compris le nôtre ont rapporté que Syngap1 est également exprimé dans au moins une sous-population d’interneurones GABAergiques. Notre hypothèse était donc que l’haploinsuffisance de Syngap1 dans les interneurones contribuerait en partie aux déficits cognitifs et au déséquilibre d’excitation/inhibition observés chez les souris Syngap1+/-. Pour tester cette hypothèse, nous avons généré un modèle de souris transgéniques dont l’expression de Syngap1 a été diminuée uniquement dans les interneurones dérivés des éminences ganglionnaires médianes qui expriment le facteur de transcription Nkx2.1 (souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1). Nous avons observé une diminution des courants postsynaptiques inhibiteurs miniatures (mIPSCs) au niveau des cellules pyramidales des couches 2/3 du cortex somatosensoriel primaire (S1) et dans le CA1 de l’hippocampe des souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1. Ces résultats supportent donc l’hypothèse selon laquelle la perte de Syngap1 dans les interneurones contribue au déséquilibre d’excitation/inhibition. De manière intéressante, nous avons également observé que les courants postsynaptiques excitateurs miniatures (mEPSCs) étaient augmentés dans le cortex S1, mais diminués dans le CA1 de l’hippocampe. Par la suite, nous avons testé si les mécanismes de plasticité synaptique qui sous-tendraient l’apprentissage étaient affectés par l’haploinsuffisance de Syngap1 dans les interneurones. Nous avons pu montrer que la potentialisation à long terme (LTP) NMDAR-dépendante était diminuée chez les souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1, sans que la dépression à long terme (LTD) NMDAR-dépendante soit affectée. Nous avons également montré que l’application d’un bloqueur des récepteurs GABAA renversait en partie le déficit de LTP rapporté chez les souris Syngap1+/-, suggérant qu’un déficit de désinhibition serait présent chez ces souris. L’ensemble de ces résultats supporte un rôle de Syngap1 dans les interneurones qui contribue aux déficits observés chez les souris affectées par l’haploinsuffisance de Syngap1. / Intellectual disability affects 1-3% of the world population, which make it the most common cognitive disorder of childhood. Our group discovered that mutation in the SYNGAP1 gene was a frequent cause of non-syndromic intellectual disability, accounting for 1-3% of the cases. For example, the fragile X syndrome, which is the most common monogenic cause of intellectual disability, accounts for 2% of all cases. Some patients affected by SYNGAP1 also showed autism spectrum disorder and epileptic seizures. Our group also showed that mutations in SYNGAP1 caused intellectual disability by an haploinsufficiency mechanism. SYNGAP1 codes for a protein expressed only in the brain which interacts with the GluN2B subunit of NMDA glutamatergic receptors (NMDAR). SYNGAP1 possesses a Ras-GAP activating activity which negatively regulates Ras at excitatory synapses. Heterozygote mice for Syngap1 (Syngap1+/- mice) show behaviour abnormalities and learning deficits, which makes them a good model of intellectual disability. Some studies showed that Syngap1 affects the brain development by perturbing the activity and plasticity of excitatory neurons. The excitatory/inhibitory imbalance is an emerging theory of the origin of intellectual disability and autism. However, some groups including ours, showed that Syngap1 is expressed in at least a subpopulation of GABAergic interneurons. Therefore, our hypothesis was that Syngap1 happloinsufficiency in interneurons contributes in part to the cognitive deficits and excitation/inhibition imbalance observed in Syngap1+/- mice. To test this hypothesis, we generated a transgenic mouse model where Syngap1 expression was decreased only in GABAergic interneurons derived from the medial ganglionic eminence, which expresses the transcription factor Nkx2.1 (Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1 mouse). We showed that miniature inhibitory postsynaptic currents (mIPSCs) were decreased in pyramidal cells in layers 2/3 in primary somatosensory cortex (S1) and in CA1 region of the hippocampus of Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1 mice. Those results suggest that Syngap1 haploinsufficiency in GABAergic interneurons contributes in part to the excitation/inhibition imbalance observed in Syngap1+/- mice. Interestingly, we also observed that miniature excitatory postsynaptic currents (mEPSCs) were increased in cortex S1 but decreased in CA1 region of the hippocampus. We further tested whether synaptic plasticity mechanisms that are thought to underlie learning and memory were affected by Syngap1 haploinsufficiency in GABAergic interneurons. We showed that NMDAR-dependent long-term potentiation (LTP) but not NMDAR-dependent long-term depression (LTD) was decreased in Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1 mice. We also showed that GABAA receptor blockade rescued in part the LTP deficit in Syngap1+/- mice, suggesting that a disinhibition deficit is present in these mice. Altogether, the results support a functional role of Syngap1 in GABAergic interneurons, which may in turn contributes to the deficit observed in Syngap1+/- mice.

L’effet des émotions sur la mémoire (EEM) est un effet largement documenté dans la littérature, en ce qui concerne les participants sains jeunes et âgés. Cette mise en évidence de meilleures performances mnésiques à partir de stimuli émotionnels par rapport à des stimuli neutres semblerait reposer sur l’existence de relations étroites entre les régions cérébrales primordiales dans les processus mnésiques et émotionnels ; soit respectivement l’hippocampe et l’amygdale. Ces deux structures étant parmi les premières touchées au cours de la maladie d’Alzheimer (MA), leur altération pourrait sous-tendre la défaillance de l’EEM chez ces patients. Toutefois, les résultats des études ayant exploré l’EEM chez les patients MA sont assez contradictoires. Cette divergence entre les résultats concernerait notamment les études ayant exploré l’EEM avec des intervalles courts entre l’encodage et la récupération. L’objectif de cette thèse est ainsi d’étudier les facteurs susceptibles d’être responsables de ces résultats hétérogènes. L’analyse de la littérature a suggéré que l’un de ces facteurs pourrait être lié aux conditions très variables d’encodage utilisées dans différentes recherches. Ainsi, notre première étude comportementale a apporté des arguments robustes quant à la dépendance de l’EEM, et en particulier de l’effet de positivité en mémoire, de l’intentionnalité et de la quantité de ressources cognitives allouées à l’encodage ; mais ceci chez les participants âgés sains seulement. En effet, dans cette première étude, l’EEM n’a pas être observé dans le groupe de patients MA étudié. L’analyse détaillée de ces résultats a soulevé diverses interrogations, chacune d’entre elles faisant l’objet d’une nouvelle étude expérimentale. Ainsi, dans les études suivantes, l’influence de quatre facteurs pouvant influer sur l’EEM dans la MA fut au centre de nos recherches; soit respectivement le degré d’atrophie des régions médio-temporales, la profondeur du traitement, la disponibilité des ressources attentionnelles pendant l’encodage, et la familiarité ressentie envers les stimuli. L’ensemble des résultats de ces quatre dernières études convergerait vers l’idée que l’EEM, et notamment l’effet de positivité en mémoire, serait préservé chez les patients MA quand certaines conditions sont remplies. Ainsi, cet effet semble relativement préservé chez les patients MA ne présentant pas de degrés d’atrophie des régions amygdaliennes et hippocampiques trop importants. Par ailleurs, comme chez les participants âgés sains, l’effet de positivité en mémoire semblerait se manifester chez les patients MA en dehors et au-delà du sentiment de familiarité ressenti envers les stimuli positifs, notamment lors de l’utilisation de tâches d’encodage permettant le traitement profond des stimuli, et lors de tâches de mémoire de travail simples. De même, les stimuli émotionnels négatifs très intenses sembleraient moduler les stratégies de réponse employées par les patients MA dans les tâches de reconnaissance, mais aussi les performances mnésiques de ces patients dans des tâches de mémoire de travail. / The emotional enhancement of memory (EEM) – better memory performances for emotional stimuli than for neutral ones – was frequently described in healthy young and older participants. The EEM seems to rely on the relationship between the amygdala and the hippocampus, the central cerebral structures responsible for the emotional and memory processes, respectively. These two cerebral structures are among the first to be affected in Alzheimer’s disease (AD), which might suggest the alteration of the EEM in these patients. Nevertheless, the results of the studies investigating the EEM in these patients are rather debatable. This discrepancy concerns especially the studies investigating the EEM by using short intervals between encoding and retrieval.Thus, the main goal of this doctoral work was to study the factors susceptible to be responsible of these contradictory results. The analysis of the literature suggested that one of these factors might be related to the extremely variable encoding conditions used among different studies. We explored the influence of this factor in our first behavioral study, which provided strong evidence that the EEM, and especially the positivity memory bias, relies on the intention to encode and on the quantity of cognitive resources allocated at encoding only in healthy older participants. Indeed, the EEM was not observed in AD patients participating in our first study. The detailed analysis of these results raised several hypotheses concerning the factors that might be responsible for the absence of the EEM in the AD patients participating in the first study. Each of these hypotheses was tested in a new experimental study. Thus, in the following studies we explored the influence of four factors on the EEM in AD, namely: the degree of atrophy of medial temporal regions, the depth of encoding, the availability of attention resources during encoding, and the sense of familiarity towards emotional stimuli. The results of these four studies seem to converge on the idea that the EEM, especially the positivity memory bias, is preserved in AD when certain conditions are reunited. Thus, the EEM seems to be intact in AD patients in which the degrees of atrophy of the amygdala and of the hippocampus are not too large. Moreover, just like in healthy older participants, the positivity memory bias seems to manifest itself in AD patients beyond and above the feeling of familiarity towards positive stimuli, especially in situations permitting the deep and rich encoding of information and in working memory tasks that are not too difficult. Similarly, the highly arousing negative stimuli seem to modulate the response strategies used by AD patients and healthy older participants in recognition tasks, but also the performance of AD patients in working memory tasks.

Les travaux de cette thèse ont pour but de mettre en œuvre des outils de modélisation et de simulation numériques de mécanismes sous-tendant l’activité neuronale, afin de promouvoir la découverte de médicaments pour le traitement des maladies du système nerveux. Les modèles développés s’inscrivent à différentes échelles : 1) les modèles dits « élémentaires » permettent de simuler la dynamique des récepteurs, des canaux ioniques, et les réactions biochimiques des voies de signalisation intracellulaires ; 2) les modèles de neurones permettent d’étudier l’activité électrophysiologique de ces cellules ; et 3) les modèles de microcircuits permettent de comprendre les propriétés émergentes de ces systèmes complexes, tout en conservant les mécanismes élémentaires qui sont les cibles des molécules pharmaceutiques. À partir d’une synthèse bibliographique des éléments de neurobiologie nécessaires, et d’une présentation des outils mathématiques et informatiques mis en œuvre, le manuscrit décrit les différents modèles développés ainsi que leur processus de validation, allant du récepteur de neurotransmetteur au microcircuit. D’autre part, ces développements ont été appliqués à trois études visant à comprendre : 1) la modulation pharmacologique de la potentialisation à long terme (LTP) dans les synapses glutamatergiques de l’hippocampe, 2) les mécanismes de l'hyperexcitabilité neuronale dans l'épilepsie mésio-temporale (MTLE) à partir de résultats expérimentaux in vitro et in vivo, et 3) la modulation cholinergique de l'activité hippocampique, en particulier du rythme thêta associé à la voie septo-hippocampique. / The work of this thesis aims to apply modeling and simulation techniques to mechanisms underlying neuronal activity, in order to promote drug discovery for the treatment of nervous system diseases. The models are developed and integrated at different scales: 1) the so-called "elementary models" permit to simulate dynamics of receptors, ion channels and biochemical reactions in intracellular signaling pathways; 2) models at the neuronal level allow to study the electrophysiological activity of these cells; and 3) microcircuits models help to understand the emergent properties of these complex systems, while maintaining the basic mechanisms that are the targets of pharmaceutical molecules. After a bibliographic synthesis of necessary elements of neurobiology, and an outline of the implemented mathematical and computational tools, the manuscript describes the developed models, as well as their validation process, ranging from the neurotransmitter receptor to the microcircuit. Moreover, these developments have been applied to three studies aiming to understand: 1) pharmacological modulation of the long-term potentiation (LTP) of glutamatergic synapses in the hippocampus, 2) mechanisms of neuronal hyperexcitability in the mesial temporal lobe epilepsy (MTLE), based on in vitro and in vivo experimental results, and 3) cholinergic modulation of hippocampal activity, particularly the theta rhythm associated with septo-hippocampal pathway.

L‟obésité est principalement du à la surconsommation d‟aliments riches en énergie, en particulier les aliments hyperlipidiques (HL). En plus des comorbidités comme le diabète et les maladies cardiovasculaires, l‟obésité est associée à des troubles émotionnels et cognitifs. La prévalence de l‟obésité chez les enfants et les adolescents augmente sans cesse et ceci est inquiétant car ce sont des périodes cruciales pour la maturation de structures cérébrales comme l‟hippocampe et l‟amygdale, indispensables à la mise en place des processus cognitifs et émotionnels pour le restant de la vie. Il est donc déterminant d‟évaluer l‟impact de la consommation d‟un régime HL obésogène durant ces périodes développementales sur les processus cognitifs et émotionnels. Dans une première étude nous mettons en évidence chez le rat que l‟exposition à un régime HL durant la période périnatale (gestation et lactation) entraine l‟atrophie dendritique des neurones pyramidaux du CA1 de l‟hippocampe et de l‟amygdale basolatérale (BLA) des descendants adultes. Ces résultats sur l‟hippocampe enrichissent les données comportementales déjà existantes indiquant des altérations de la mémoire dépendante de l‟hippocampe suite au régime HL périnatal. Nous montrons également que les changements morphologiques du BLA s‟accompagnent d‟un déficit spécifique de la mémoire aversive olfactive, qui dépend fortement de l‟intégrité du BLA. Ceci démontre pour la première fois les effets délétères, cellulaires et comportementaux, d’un régime HL périnatal sur les fonctions amygdaliennes. La seconde étude se focalise sur les perturbations de la mémoire induites par la consommation d‟un régime HL pendant l‟adolescence et vise à approfondir la compréhension des mécanismes impliqués. Dans un premier temps, nous montrons que la consommation d‟un régime HL du sevrage à l‟âge adulte (couvrant l‟adolescence) chez la souris perturbe la consolidation de la mémoire de reconnaissance d‟objet (MRO) lorsque le contexte est nouveau lors de l‟apprentissage. Ceci s‟accompagne d‟une libération plus importante de glucocorticoïdes au niveau circulant et d‟endocannabinoides (eCB, anandamide en particulier) au niveau hippocampique chez les souris HL. Le blocage des récepteurs aux glucocorticoïdes (GR) ou des récepteurs aux cannabinoïdes de type 1 (CB1R) juste après l‟apprentissage améliore la MRO à long-terme des souris HL. Ces traitements normalisent également la sur-activation c-Fos de l‟hippocampe suite à l‟apprentissage chez les souris HL soulignant l‟importance de cette structure. En effet, la délétion spécifique des CB1R hippocampique améliore fortement la MRO à long-terme des souris HL et nous mettons en évidence que la plasticité synaptique in vivo de la voie CA3-CA1 hippocampique représente un mécanisme perturbé par l‟activation des CB1R suite à l‟apprentissage chez ces souris. Enfin l‟inactivation des neurones glutamatergique hippocampique par une approche pharmacogénétique (DREADD-Gi) améliore la MRO à long-terme chez les souris HL, de façon similaire au blocage ou à la délétion des CB1R suggérant une levée d‟inhibition de ces neurones par l‟activation des CB1R chez les souris HL qui conduirait à leur déficit de MRO à long-terme. Nos résultats indiquent que la consommation d’un régime HL pendant l’adolescence modifie le système eCB de l’hippocampe conduisant à des perturbations de la plasticité synaptique et de la consolidation de la mémoire. Dans leur ensemble ces données permettent d‟améliorer notre compréhension des effets délétères de l‟exposition précoces aux régimes HL obésogènes sur les fonctions mnésiques. / Clinical and experimental studies have established that obesity, resulting mainly from consumption of energy-dense food such as high-fat diet (HFD), is associated with adverse cognitive and emotional outcomes. The prevalence of obesity during childhood and adolescence has reached epidemic levels. This is particularly worrisome since these periods are crucial for hippocampal and amygdala maturation, two brain structures necessary for shaping memory and emotional functions. It is thus critical to determine the impact of HFD exposure during these early developmental periods on memory and emotional processes. First, we show that perinatal HFD exposure (throughout gestation and lactation), leads to dendritic shrinkage of pyramidal neurons in the CA1 of the hippocampus but also in the basolateral amygdala (BLA) in adult rats. These results add to the growing literature indicating changes in hippocampal-dependent memory after perinatal HFD exposure. Regarding amygdala, perinatal HFD exposure specifically impairs odor aversion memory, a task highly dependent on BLA function, without affecting olfactory or malaise processing. These results are the first to show that perinatal HFD exposure impairs amygdala functions, at cellular and behavioral levels. Next, we investigated the cellular mechanisms underlying memory impairment induced by adolescent HFD consumption. We first show that HFD consumption from weaning to adulthood (covering adolescence) impairs long-term, but not short-term, object recognition memory (ORM) in novel context condition which was associated with higher circulating corticosterone and enhanced hippocampal endocannabinoid levels (anandamide in particular) in HFD-fed mice. Systemic post-training blockade of glucocorticoid receptors (GR) or cannabinoid receptors type 1 (CB1R) prevented HFD-induced memory deficits. These treatments also normalized training-induced c-Fos over-activation specifically in hippocampus in HFD group stressing the importance of this structure. Indeed, hippocampal CB1R deletion improved memory in HFD-fed mice. Moreover, we identified changes of in vivo hippocampal synaptic plasticity after training as a potential mechanism impaired by HFD in a CB1R-dependent manner. Finally, chemogenetic inhibition of hippocampal glutamatergic cells improved memory in HFD group similarly to CB1R deletion or blockade suggesting CB1R-dependent disinhibition of these neurons in HFD-fed mice. These results indicate that high-fat diet consumption during adolescence alters the hippocampal eCB system leading to impairment of hippocampal synaptic plasticity and deficit in recognition memory consolidation. Taken together, our results provide new evidences of how HFD consumption during early developmental periods exerts its deleterious effects on cognitive functions and identify the endocannabinoid system as a potential target for treating cognitive impairment associated with obesity.

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