Les différences sexuelles ne se limitent pas uniquement aux organes de reproduction, elles sont aussi très marquées dans plusieurs pathologies humaines. De ce fait, les études impliquant un seul sexe ne pourraient jamais permettre d’élucider les mécanismes qui sous-tendent ces pathologies. De plus, l’exclusion des femelles/filles/femmes des protocoles de recherche a des impacts négatifs sur la qualité de vie des patients, plus spécifiquement celle des filles et femmes. Des études récentes ont suggéré que la testostérone et ses métabolites affectent le développement de l’hippocampe aux niveaux biochimique, morphologique et fonctionnel. En revanche, les données ne sont pas aussi extensives que celles de leurs rôles chez les adultes. Ainsi, une meilleure compréhension des mécanismes par lesquels l’hormone stéroïdienne influence le développement du cerveau facilitera l’identification des cibles thérapeutiques de plusieurs maladies neurodéveloppementales qui affectent le fonctionnement de l’hippocampe. Afin de se développer adéquatement, le cerveau mâle requiert une exposition aux hormones sexuelles mâles pendant une période de temps donnée. En revanche, le cerveau femelle possède une phase critique peu après la naissance au cours de laquelle une exposition aux hormones sexuelles mâles le masculinise en produisant des caractéristiques comparables à celles rencontrées chez des mâles biologiques. Ainsi, la capacité de manipuler les cerveaux femelles dans le but de les masculiniser représente un outil expérimental important pour investiguer les différences sexuelles. Du fait que les hormones sexuelles telles que la testostérone et l’estradiol représentent respectivement l’élément caractéristique de chacun des sexes, cette thèse a pour objectif de disséquer l’implication de la testostérone dans le développement et le fonctionnement du cerveau en étudiant en plus des rats mâles et femelles, des femelles traitées avec la testostérone ainsi que des mâles rendus insensibles à la testostérone. En premier lieu, nous avons investigué sur un système de neurotransmission spécifique, à savoir le système GABAergique, qui est important pour le contrôle des convulsions communément observées dans l’épilepsie. Ce système possède des particularités notables en fonction du sexe, particularités qui pourraient être l’une des causes de la prédisposition des mâles à l’épilepsie. En effet, notre étude révèle qu’au niveau basal, les femelles ainsi que les mâles insensibles à la testostérone montrent très tôt au cours de leur développement une localisation à la membrane du co-transporteur KCC2 qui régule la force de la neurotransmission inhibitrice. Par ailleurs, nous avons aussi détecté des niveaux élevés du neurotrophine BDNF qui est un puissant modulateur du fonctionnement des cellules GABAergiques, ceci, au cours de la première semaine postnatale. Par ailleurs, chez les adultes, nous avons trouvé que les femelles ainsi que les mâles insensibles à la testostérone montrent une augmentation de la transmission GABergique spontanée comparativement aux mâles et aux femelles qui ont été exposées à la testostérone. En somme, ces données démontrent que le fonctionnement de la circuiterie GABAergique est modulé par le niveau de testostérone périnatal, ce qui suggère d’un rôle des hormones sexuelles dans la régulation de l’excitabilité cellulaire. De plus, les différences sexuelles dans le cerveau sont largement déterminées par des facteurs extrinsèques. Parmi ces derniers, le stress du début de la vie est un facteur extrinsèque puissant qui altère l’habileté à contrôler la rétroaction négative des glucocorticoïdes sur l’axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien (HHS). Le stress est également connu pour affecter différentiellement les rats mâles comparativement aux femelles. Nous démontrons alors que la corticostérone rend l’hippocampe vulnérable à une seconde insulte, telle que les épilepsies induites par l’hyperthermie. En effet, chez les rats traités à la corticostérone, la latence d’induction des épilepsies par hyperthermie est réduite, le temps de récupération plus long et le nombre d’évènements épileptiques plus nombreux. En outre, nous avons trouvé que tous ces effets sont plus proéminents chez les mâles que chez les femelles. Ces données confirment l’existence d’un lien entre le stress du début de la vie et la susceptibilité aux convulsions hyperthermiques chez les rats mâles et femelles. Une meilleure compréhension des conséquences des convulsions fébriles pourrait aider dans le pronostic et le traitement des patients souffrant d’épilepsie. Somme toute, cette thèse met en lumière le rôle complexe des hormones sexuelles dans la régulation des circuits GABAergiques, des réponses au stress et de l’hyperexcitabilité du cerveau en développement. Une meilleure compréhension des mécanismes pathologiques propres aux modèles animaux mâles et femelles résulterait en de meilleures interventions et thérapies aussi bien chez les hommes que les chez les femmes. / Sex differences extend far beyond reproductive health — there is a widespread prevalence of sex differences in many human diseases and conditions. Therefore, studies limited to a single-sex cannot fully give a comprehensive picture of the underlying disease mechanisms, and the neglect of females/girls/women in biological research negatively impacts patients' quality of life, especially women. Recent data suggest that testosterone and its metabolites affect the hippocampus during development at the biochemical, morphological, and functional levels, although the data are not nearly as extensive as what is known in adults. Therefore, a better understanding of these effects will elucidate steroid hormone-dependent mechanisms of brain development and, possibly, help identifying ways to mitigate the burden of the many neurodevelopmental disorders that involve hippocampal function. The male brain is unique in that it must be exposed to male sex hormones for a fixed period of time, which is so-called critical period. This is deemed a critical period because if androgens levels do not rise at this time in males, the brain will fail to be masculinized. The female brain, on the other hand, has a sensitive period shortly after birth, during which exposure to male sex hormones may masculinize the brain and produce features comparable to those seen in biological males. This capacity to manipulate females toward more masculinized brains represent an important experimental tool to investigate sex differences. Because sexual hormones, such as testosterone and estradiol, are a distinct point of divergence between sexes, my thesis proposes to study the implication of testosterone by using, in addition to male and female animals, females treated with testosterone as well as testosterone-insensitive male rats. First, we investigated a specific neurotransmitter system, the GABAergic system, which contributes to the control of seizures commonly observed in epilepsies. This system shows robust differences between males and females, which may be involved with the predisposition to epilepsy observed in males. Our study revealed that at baseline conditions female and testosterone-insensitive male rats show an earlier localization at the membrane of the chloride co-transporter KCC2, which regulates the strengths of inhibitory neurotransmission, and higher levels of the neurotrophin BDNF, which is a powerful modulator of GABAergic cell function, during the first postnatal week. In addition, we found that female and testosterone-insensitive male rats show enhanced spontaneous GABA synaptic transmission when compared to males and testosterone-exposed females in adults. Overall, these data show that perinatal testosterone levels modulate GABAergic circuit function, suggesting a role of sex hormones in regulating cell excitability. Second, sex differences in the brain are largely determined by extrinsic factors. Early-life stress is one such powerful extrinsic factor that impairs the ability to control glucocorticoid negative feedback on the HPA axis. Stress is also known to differentially affect male and female rats. Here, we show that corticosterone alone renders the hippocampus vulnerable to a second insult, namely hyperthermia-induced seizures, in fact in corticosterone-treated rats the latency to hyperthermia-induced seizures was shorter, the recovery time longer, and a larger number of hyperthermia-induced seizures. Further, these effects were a lot more prominent in males than in females. These findings support a link between early-life stress and hyperthermic seizure susceptibility in both male and female rats. A better understanding of the consequences of febrile seizures could help improve the prognosis and treatment of patients with epilepsy. Altogether, these findings shed light on the complex roles of sex hormones in regulating GABAergic circuits, stress responses and circuit hyper-excitability in the developing brain. A better understanding of disease-mechanisms underlying male and female animal models could lead to better interventions and therapeutics in both men and women.

L’apnée obstructive du sommeil (AOS) est l’un des troubles du sommeil les plus fréquents chez l’adulte et sa prévalence augmente avec l’âge. Elle se caractérise par des arrêts répétés de la respiration au cours du sommeil, menant à la présence de fragmentation du sommeil et à de l’hypoxémie intermittente. Lorsque non traité, ce trouble peut mener à diverses conséquences non négligeables sur la santé des individus qui en sont atteints, incluant sur la santé du cerveau. L’AOS est d’ailleurs de plus en plus reconnue comme étant un possible facteur de risque de déclin cognitif et de démence. Dans ce contexte, quelques études transversales ont caractérisé le volume de la substance grise cérébrale chez des adultes vieillissants atteints d’AOS, avec des résultats variables. En effet, certaines études ont noté de plus grands volumes de substance grise chez les personnes avec une AOS plus sévère, alors que d’autres ont retrouvé des plus petits volumes chez cette même population. Ce qui explique la variabilité entre les études demeure à ce jour mal compris, bien que certaines hypothèses aient émergé. Ainsi, cette thèse vise à évaluer l’association entre la sévérité de l’AOS et le volume de substance grise cérébrale chez des personnes d’âge moyen et âgées de manière transversale et longitudinale. La première étude de cette thèse se base sur des techniques de neuroimagerie afin d’évaluer les liens entre la sévérité de l’AOS et le volume de la substance grise cérébrale des sous-régions du lobe temporal médian, soit l’hippocampe, le cortex entorhinal et le cortex parahippocampique. Celles-ci ont été ciblées puisqu’elles peuvent être affectées tôt dans la progression de la pathologie de la maladie d’Alzheimer (MA). De plus, nous avons testé l’effet d’une correction de la portion d’eau libre sur les volumes cérébraux. Finalement, nous avions comme objectif de mieux comprendre si certaines caractéristiques démographiques ou cliniques de nos participants pouvaient avoir un impact sur les associations observées. Nous avons observé qu’une AOS plus sévère était associée à des volumes de substance grise plus grands de certaines sous-régions du lobe temporal médian (hippocampe et cortex entorhinal), mais seulement chez des groupes de participants spécifiques, soit les femmes, les participants plus âgés et ceux présentant un trouble cognitif léger de type amnésique. Le fait d’apporter une correction pour la portion d’eau libre aux volumes mesurés a rendu non significatives les associations observées. Il est donc possible que la présence accrue d’eau extracellulaire, suggérant de l’œdème cérébral, puisse expliquer la présence de plus grands volumes chez les participants présentant une AOS plus sévère. La deuxième étude visait quant à elle à évaluer les changements structurels des sous-régions du lobe temporal médian associés à la sévérité de l’AOS chez des personnes d’âge moyen et âgées sur une période d’environ 2 ans. Nous avons démontré que chez nos participants n’ayant pas utilisé un traitement pour l’AOS, la présence d’interaction entre la sévérité de l’AOS et l’âge permettait d’expliquer les changements annuels de volume de substance grise. De fait, les participants plus jeunes de notre échantillon (< 65 ans) avec une AOS plus sévère présentaient un plus grand taux de changement annuel de volume de substance grise, soulignant la présence d’hypertrophie dans ce sous-groupe. Ceci a été mis en lumière pour l’ensemble des sous-régions du lobe temporal médian. Chez les participants âgés entre 65 et 75 ans, aucune association entre la sévérité de l’AOS et les changements de volume au fil du temps n’a pu être soulignée. Les participants plus âgés (> 75 ans) avec une plus grande sévérité d’AOS présentaient quant à eux une plus grande atrophie au fil du temps dans certaines régions, soit l’hippocampe et le cortex entorhinal. Ces résultats supportent donc une hypothèse biphasique des changements au niveau de la substance grise cérébrale chez les gens présentant de l’AOS, avec une première phase caractérisée par des augmentations de volume chez les adultes plus jeunes, menant éventuellement à de l’atrophie chez les personnes plus âgées. Cette thèse permet d’avoir un portrait plus clair sur la nature des changements et des mécanismes impliqués dans l’association entre la sévérité de l’AOS et les volumes de substance grise. L’un des apports importants est l’utilisation d’une nouvelle méthodologie afin d’obtenir une portion d’eau libre, ce qui a permis de mieux comprendre l’apport potentiel de mécanismes pouvant sous-tendre les changements structuraux observés, notamment l’œdème cérébral. De plus, l’évaluation des caractéristiques individuelles des participants a permis d’expliquer partiellement les incongruences entre les études précédentes. Dans le cadre des études incluses dans cette thèse, nous avons observé des changements plus marqués chez les femmes. Nous avons également pu démontrer que l’âge des individus atteints d’AOS pouvait influencer significativement le patron de changements observés. Les résultats de cette thèse pourraient donc permettre de mieux cibler les personnes avec AOS qui pourraient le plus bénéficier d’un traitement pour maintenir leur santé cérébrale. / Obstructive sleep apnea (OSA) is one of the most common sleep disorders in adults, and its prevalence increases with age. It is characterized by repeated pauses in breathing during sleep, leading to sleep fragmentation and intermittent hypoxemia. If left untreated, this disorder can have numerous consequences, including on the brain’s health. OSA is increasingly recognized as a risk factor for cognitive decline and dementia. In this context, cross-sectional studies have characterized brain gray matter volume in aging adults with OSA, with variable results. Indeed, some studies have noted greater gray matter volumes in people with more severe OSA, while others have found smaller volumes in this same population. What explains the variability between studies remains poorly understood, although some hypotheses have emerged. Thus, this thesis aims to assess the association between OSA severity and cerebral gray matter volume in middle-aged and elderly individuals using cross-sectional and longitudinal designs. The first study in this thesis uses neuroimaging techniques to assess the links between OSA severity and cerebral gray matter volume of the medial temporal lobe subregions, i.e. the hippocampus, entorhinal cortex and parahippocampal cortex. These were chosen as they can be affected early in the progression of Alzheimer's disease (AD) pathology. We also corrected our brain volumes for free-water portion. Finally, we aimed to better understand whether certain demographic or clinical characteristics of our participants might have an impact on the associations observed. We noted that more severe OSA was associated with larger gray matter volumes in certain subregions of the medial temporal lobe (hippocampus and enthorinal cortex), but only in specific groups of participants: women, older participants and those with amnestic mild cognitive impairment. Correcting our volumes for free-water portion rendered the associations nonsignificant. It is therefore possible that the presence of extracellular water, suggestive of cerebral edema, could explain the presence of larger volumes in participants with more severe OSA. The second study aimed to assess longitudinal structural changes associated with OSA severity in middle-aged and elderly people over a period of around 2 years. We found that in participants who did not use treatment for OSA, the presence of interactions between OSA severity and age were associated with the annual changes in gray matter volume. Indeed, younger participants (< 65 years old) in our sample with more severe OSA showed a greater rate of annual change in gray matter volume, highlighting the presence of hypertrophy in this subgroup. This was underlined in all medial temporal lobe subregions. In participants aged between 65 and 75, no association between OSA severity and volume changes over time could be highlighted. Older participants (>75 years old) with greater OSA severity showed greater hippocampal and entorhinal cortex atrophy over time. These results therefore support a biphasic hypothesis of changes in cerebral gray matter in people with OSA, with an initial phase characterized by volume increases in younger adults, eventually leading to atrophy in older people. This thesis provides a clearer picture of the nature of the changes and mechanisms involved in the association between OSA severity and gray matter volumes. An important contribution is the use of a new methodology to obtain a free-water portion, which allows to better understand the potential contribution of mechanisms that may underlie the structural changes observed, notably cerebral edema. In addition, the assessment of participants' individual characteristics helped to partially explain incongruities between previous studies. Indeed, in the studies included in this thesis, we observed more marked changes in certain subgroups of participants, notably women. We were also able to demonstrate that the age of individuals with OSA could significantly influence the pattern of changes observed, either gray matter hypertrophy or atrophy. The results of this thesis could therefore make it possible to target specific subgroups of individuals suffering from OSA who may be at greater risk of displaying changes in gray matter structure, and thus promote screening and treatment when necessary.

Dans ce travail, nous démontrons que STIM1, un senseur calcique activé par la déplétion du Ca2+ intracellulaire du réticulum endoplasmique, est indispensable pour la signalisation calcique et la préférence oro-sensorielle du gras. Nous observons que l'acide linoléique (LA), en activant les phospholipases A2 via CD36, produit de l'acide arachidonique (AA) et de la lyso-phosphatidylcholine (lyso-PC). Cette activation déclenche un influx calcique dans les cellules CD36-positives, et induit la production du facteur CIF (Ca2+ Influx Factor). CIF, AA et lyso-PC exercent différentes actions sur l'ouverture des canaux SOC (Stored Operated Calcium Channel) constitués de protéines Orai et contrôlés par STIM1. Par ailleurs, les souris au phénotype Stim1-/- perdent la préférence spontanée pour les lipides et la libération de la sérotonine à partir des cellules gustatives dans le milieu extracellulaire chez les animaux sauvages. Nous demontrons aussi que la signalisation calcique médiée via CD36 est doublement modulée lors de l'obésité. L'augmentation de la [Ca2+]i dans les cellules gustatives observée chez le Psammomys obesus, un modèle d'obésité nutritionelle, est fortement diminuée chez les souris rendues obèses par un regime hyperlipidique. Nous avons constaté également que l'interaction de LA avec le CD36 induit l'activation des MAP Kinases de la voie MEK1/2/ERK1/2/Elk-1 qui est non seulement à l'origine de l'activation des aires cérébrales telles que le NTS, le noyau arqué, l'hippocampe mais aussi indispensable pour la préférence spontanée pour les lipides alimentaires. Nos résultats suggèrent pour la prémière fois, que la voie ERK1/2 des MAPK et la signalisation calcique lipidique controlée par STIM1 sont impliquées dans la perception oro-gustative des lipides

La plasticité synaptique activité-dépendante forme la base physiologique de l’apprentissage et de la mémoire dépendants de l’hippocampe. Le rôle joué par les différents sous-types d’interneurones dans l’apprentissage et la mémoire hippocampiques reste inconnu, mais repose probablement sur des mécanismes de la plasticité spécifique aux synapses de certains sous-types d’interneurones. Les synapses excitatrices établies sur les interneurones de l’oriens-alveus dans l’aire CA1 exhibent une forme persistante de potentialisation à long terme induite par la stimulation chimique des récepteurs métabotropiques du glutamate de type 1 (mGluR1) [mGluR1-mediated chemical late long-term potentiation (cL-LTPmGluR1)]. Le présent projet de recherche avait pour objectifs d’identifier les sous-types d’interneurones de l’oriens-alveus exprimant la cL-LTPmGluR1 et d’examiner les mécanismes d’induction et d’expression de celle-ci. Nous avons déterminé que la stimulation répétée des mGluR1 induit de la cL-LTPmGluR1 aux synapses excitatrices établies sur le sous-type d’interneurones exprimant le peptide somatostatine (SOM-INs). Des enregistrements électrophysiologiques couplés à des inhibiteurs pharmacologiques et à un knock-out fonctionnel de mammalian target of rapamycin complexe 1 (mTORC1) ont montré que l’induction de la cL-LTPmGluR1 (qui consiste en trois applications de l’agoniste des mGluR1/5, le (S)-3,5-dihydroxyphénylglycine (DHPG) en présence de l’antagoniste des récepteurs métabotropiques du glutamate de type 5 (mGluR5), le 2-méthyl-6-(phényléthynyl)-pyridine (MPEP)) des SOM-INs requiert les voies de signalisation des mGluR1, de extracellular signal-regulated protein kinase (ERK) et de mTORC1. L’ensemble de nos résultats montre qu’une forme persistante de plasticité synaptique sous-tendue par mTORC1 est induite par la stimulation répétée des mGluR1 dans les interneurones hippocampiques exprimant le peptide somatostatine. La connaissance des mécanismes sous-tendant la cL-LTPmGluR1, couplée à l’utilisation de modèles animal in vivo, rendront maintenant possible le blocage de la cL-LTPmGluR1 dans les SOM-INs et l’examen de son rôle dans l’apprentissage et la mémoire dépendants de l’hippocampe. / Hippocampus-dependent learning and memory are mediated by activity-dependent synaptic plasticity. The role that different subtypes of interneurons play in hippocampal learning and memory remains largely unknown, but likely relies on cell type-specific plasticity mechanisms at interneuron synapses. Excitatory synapses onto CA1 oriens-alveus interneurons show persistent long-term potentiation induced by chemical stimulation of metabotropic glutamate receptor 1 (mGluR1) [mGluR1-mediated chemical late long-term potentiation (cL-LTPmGluR1)]. The objectives of this project were to identify the oriens-alveus interneuron subtypes expressing cL-LTPmGluR1 and examine its induction and expression mechanisms. We determined that repeated mGluR1 stimulation induces cL-LTPmGluR1 at excitatory synapses onto the somatostatin-expressing interneuron subtype (SOM-INs). Electrophysiological recordings coupled to pharmacological inhibitors and a functional knock-out of mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1) showed that SOM-INs cL-LTPmGluR1 induction (which consisted of three applications of the mGluR1/5 agonist (S)-3,5-dihydroxyphenylglycine (DHPG) in the presence of metabotropic glutamate receptor 5 (mGluR5) antagonist 2-methyl-6-(phenylethynyl)-pyridine (MPEP)) requires mGluR1, extracellular signal-regulated protein kinase (ERK) and mTORC1 signaling pathways. Collectively, our results show that persistent synaptic plasticity mediated by mTORC1 is induced by repeated mGluR1 stimulation in somatostatin-expressing hippocampal interneurons. Knowledge of cL-LTPmGluR1’s underlying mechanisms, coupled to in vivo models, will now make it possible to interfere with SOM-INs cL-LTPmGluR1 and examine its role in hippocampal-dependent learning and memory.

L’addiction est un désordre psychobiologique caractérisé par des prises de drogue répétées, une incapacité à en contrôler la consommation et une tendance chronique à la rechute. Dans le cas des opiacés (morphine, héroïne), l’arrêt de la consommation de drogue induit un syndrome de sevrage qui peut être associé de manière forte et durable à l’environnement dans lequel il est vécu. Cette association est telle que même après une longue période d’abstinence, la simple réexposition à cet environnement peut faire émerger un état émotionnel aversif qui pourrait favoriser la rechute. Dans le cadre de la dépendance aux opiacés, il est de plus en plus clair que la réactivation des mémoires affectives associées au sevrage joue un rôle dans la motivation à rechercher de la drogue. Au plan neurobiologique, il a été montré au laboratoire que le processus de plasticité synaptique se met en place lors du conditionnement des stimuli conditionnés au sevrage des opiacés, au sein de structures limbiques impliquées à différents titres dans le processus d’apprentissage associatif. Il a été proposé que les effets de la réexposition aux stimuli conditionnés au sevrage soient dus à la réactivation spécifique de ces structures limbiques. Dans ces travaux, les stimuli environnementaux étaient associés à la fois à l’état aversif précoce du sevrage et à des symptômes somatiques, ce qui permet une première avancée dans la compréhension des processus cellulaires impliqués dans la formation et le rappel de la mémoire du sevrage. Cependant afin de mieux comprendre comment cette mémoire pourrait exercer un rôle dans la rechute, il est nécessaire d’analyser les substrats neuronaux mis en jeu de manière plus spécifique dans les effets conditionnés de la seule composante aversive précoce du sevrage. En effet, cette composante dite « motivationnelle » joue un rôle majeur chez l’individu dépendant dans le besoin de continuer à consommer la drogue, et potentiellement chez l’individu abstinent dans sa vulnérabilité à la rechute.L’objectif de mon travail de thèse a consisté à préciser les substrats neurobiologiques impliqués dans le sevrage des opiacés et dans le rappel des mémoires aversives associées notamment à la composante motivationnelle du sevrage.Dans un premier temps, nous avons développé une approche d’hybridation in situ fluorescente (catFISH) dont le principal avantage est de préciser la dynamique des activations neuronales induites par une stimulation. Nous avons validé l’utilisation du catFISH en caractérisant la dynamique d’activation neuronale dans le cortex préfrontal (CPF), le noyau accumbens (Nac), le noyau central (CeA) et basolatéral (BLA) de l’amygdale lors de la précipitation d’un syndrome de sevrage des opiacés. Nos résultats montrent que le catFISH permet de révéler des activations neuronales durables et que le CeA et le Nac présentent une dynamique d’activation différente en réponse à la précipitation du sevrage des opiacés.Dans une deuxième partie nous avons étudié les substrats neuronaux impliqués lorsque le rappel des mémoires du sevrage des opiacés exerce un effet sur un comportement opérant dirigé vers la nourriture, et ceci en fonction de l’intensité du sevrage. L’utilisation du catFISH nous a permis de différencier les activations neuronales induites par la réexposition au contexte du sevrage ou par la présentation du stimulus conditionné au sevrage. Nos résultats montrent que le CPF et le Nac shell sont impliqués dans le rappel des mémoires contextuelles du sevrage et que le CPF ainsi que le Nac core et le BLA sont activés par le rappel du stimulus conditionné au sevrage.Enfin, nous avons analysé dans un protocole d’aversion de place conditionnée les substrats neurobiologiques recrutés par le rappel des mémoires associées au syndrome de sevrage motivationnel des opiacés. Nos résultats indiquent que le Nac shell et le BLA sont les deux structures cérébrales les plus sensibles au rappel des mémoires du sevrage. L’ensemble de ce travail a permis de faire ressortir le rôle crucial du Nac shell et du BLA au sein du réseau de substrats neuronaux impliqués dans le traitement des mémoires émotionnelles aversives associées au sevrage des opiacés. Ces structures pourraient représenter les substrats communs au traitement des mémoires émotionnelles associées aux effets de drogues d’abus. L’ensemble de ces résultats devra être mis en perspective avec des travaux débutés lors de ma thèse en électrophysiologie in vivo sur animal se comportant. Ces travaux consisteront à étudier de façon longitudinale les dynamiques du réseau CPF/Nac/BLA lors de la formation et le rappel des mémoires du sevrage et permettront de mieux définir les rôles spécifiques que jouent les substrats neurobiologiques que nous avons étudiés dans le traitement des mémoires du sevrage des opiacés. / Addiction is a psychobiological disorder that is characterized by repeated drug intakes, inability to control its consumption and a chronic tendency to relapse. Concerning opiate addiction (heroin, morphine), cessation of drug consumption induces a withdrawal syndrome, which can be strongly and persistently associated with the environment in which it is experimented. This association is so tight that a single re-exposure to this specific environment is enough to provoke a negative emotional state, which may promote drug relapse. In opiate dependence, it becomes clearer and clearer that reactivation of the affective memories associated with drug withdrawal play a major role in drug seeking. In terms of neurobiological processes, previous works conducted in the lab have shown that synaptic plasticity takes place during the conditioning of stimuli to opiate withdrawal, in limbic structures known to be involved in associative learning. It has been suggested that the consequences of the re-exposition to withdrawal conditioned stimuli are due to the reactivation of these specific limbic regions. In theses studies, environmental stimuli were both associated to the early aversive state of withdrawal and to somatic symptoms. This represents a first step in the understanding of the cellular processes involved in the formation and retrieval of withdrawal memories. However, in order to better understand how these memories could play a role in relapse, it is necessary to analyze the neuronal substrates involved in the conditioned effects of the sole early aversive motivational component of opiate withdrawal. Indeed, this motivational component is considered as exerting a strong influence on the maintaining of drug consumption, and eventually on the vulnerability to relapse in abstinent addicts. The aim of my work was to specify the neurobiological substrates involved in opiate withdrawal and in the retrieval of the aversive memories especially the memories associated with the motivational component of withdrawal. We first developed an in situ hybridization approach (catFISH) whose main advantage is to add a dynamical dimension to the neuronal activations induced by a stimulation. We validated the use of the catFISH method by studying the dynamics of neuronal activations in the prefrontal cortex (PFC), the nucleus accumbens (Nac), the central (CeA) and basolateral (BLA) nucleus of the amygdala as a consequence of the precipitation of opiate withdrawal. Our results show that catFISH allows determining persistent neuronal activations and that the CeA and the Nac have a different dynamics of activation in response to opiate withdrawal. In the second part, we studied the neuronal substrates involved when the retrieval of opiate withdrawal memories modifies an operant goal-directed behaviour, according to the withdrawal intensity. The use of catFISH allowed us to differentiate the neuronal activations induced by the re-exposition to the withdrawal context or to the conditioned stimuli. Our results show that the PFC and the Nac shell are involved in the retrieval of contextual memories of withdrawal and that PFC, Nac core and BLA are activated by the retrieval of more specific conditioned stimuli.Lastly, we analysed, using a conditioned place aversion protocol, the neuronal structures recruited by the retrieval of the memories associated with the motivational component of opiate withdrawal. Our results suggest that the Nac shell and the BLA are the brain structures that are the most sensible to the retrieval of the memories of opiate withdrawal.Overall, our work emphasized the crucial role played by the Nac shell and the BLA within a network of neuronal substrates involved in the processing of aversive emotional memories associated with opiate withdrawal. These structures could be considered as the common substrates to the processing of emotional memories associated with the effects of drugs of abuse. These results will be compared with an in vivo electrophysiology on behaving animals’ approach that we initiated during my PhD. This study will consist of detailing longitudinally the dynamics of the PFC/Nac/BLA network during the formation and the retrieval of the memories of opiate withdrawal. This study will also provide more details on the specific functions of the previously studied neuronal substrates in the processing of opiate withdrawal memories.

Un nombre croissant de travaux chez l’animal et chez l’homme suggèrent que les différentes structures composant le lobe temporal interne (LTI) contribuent de manière différentielle à la mémoire déclarative. Chez l’homme, deux réseaux neuraux impliquant le LTI sont décrits : un réseau mésiotemporal antérieur, constitué de structures pour lesquelles les études chez les patients cérébro-lésés indiquent qu’elles contribueraient à la mémoire décontextualisée (mémoire des objets et mémoire sémantique ou mémoire du « quoi ») ; un réseau mésiotemporal postérieur, constitué d’autres structures pour lesquelles ces études suggèrent plutôt une implication dans la mémoire contextualisée (mémoire spatiale, épisodique ou mémoire du «où » et du « quand»). Dans la Maladie d’Alzheimer (MA), les dégénérescences neurofibrillaires, dont la distribution topographique est corrélée à la nature des déficits cognitifs, se développent initialement dans les cortex sous-hippocampiques - transentorhinal et entorhinal - qui sont des composants du réseau mésiotemporal antérieur, avant de s’étendre à l’hippocampe. Les éventuels déficits cognitifs en relation avec l’atteinte de cette région ne sont pas clairement identifiés dans la MA. Les travaux présentés dans ce mémoire sont centrés sur l’étude des cortex sous-hippocampiques avec les méthodes de la neuropsychologie et la neuroimagerie. Ils suggèrent que la MA aux stades les plus précoces pourrait représenter un « modèle » d’étude privilégié des systèmes mnésiques auxquels contribue le LTI. Ces résultats sont en faveur de l’utilité de l’évaluation de la mémoire décontextualisée dans le diagnostic de la MA débutante. / There is increasing evidence from experiments in rodents and non-human primates, as well as from human studies, to suggest that the different structures within the medial temporal lobe (MTL) differentially contribute to declarative memory. In the human brain, two neural networks implicating MTL structures have been described: an anterior MTL network that includes brain areas that contribute to context-free memory (object memory and semantic memory or memory for « what ») and a posterior MTL network that contributes to context-rich memory (spatial memory, episodic memory or memory for “where” and “when”). In Alzheimer’s disease (AD), neurofibrillary tangles (NFT), associated with cognitive signs, initially appear in the sub-hippocampal (transentorhinal and entorhinal) cortex, which are part of the anterior MTL network, before reaching the hippocampus. Potential cognitive deficits related to the dysfunction of this brain area in AD are not clearly identified. In the presented studies, the emphasis is placed on the investigation of sub-hippocampal corteces using a neuropsychological approach and neuroimaging techniques. Our findings suggest that the very earliest stages of AD could represent a “model” leading to a better understanding of memory systems that involve the MTL. They also provide evidence that evaluating context-free memory may be useful in the diagnosis of early AD.

Le réseau neuronal de l’hippocampe joue un rôle central dans la mémoire en modifiant de façon durable l’efficacité de ses synapses. Dans les interneurones de la couche oriens/alveus (O/A), l’induction de la potentialisation à long terme (PLT) requiert les courants postsynaptiques excitateurs évoqués par les récepteurs métabotropes du glutamate de sous-type 1a (CPSEmGluR1a) et l’entrée subséquente de Ca2+ via des canaux de la famille des transient receptor potential (TRP). Le but de ce projet était d’identifier les canaux TRP responsables des CPSEmGluR1a et d’explorer les mécanismes moléculaires régulant leur ouverture. Nous avons déterminé par des enregistrements électrophysiologiques que les CPSEmGluR1a étaient spécifiques aux interneurones O/A et qu’ils étaient indépendants de la phospholipase C. Nous avons ensuite examiné l’expression des TRPC et leur interaction avec mGluR1a par les techniques de RT-PCR, d’immunofluorescence et de co-immunoprécipitation. Nos résultats montrent que TRPC1 et mGluR1a s’associent dans l’hippocampe et que ces deux protéines sont présentes dans les dendrites des interneurones O/A. En revanche, TRPC4 ne semble s’associer à mGluR1a qu’en système recombinant et leur colocalisation paraît limitée au corps cellulaire. Finalement, nous avons procédé à des enregistrements d’interneurones dans lesquels l’expression des TRPC a été sélectivement supprimée par la transfection d’ARN interférant et avons ainsi démontré que TRPC1, mais non TRPC4, est une sous-unité obligatoire du canal responsable des CPSEmGluR1a. Ces travaux ont permis de mieux comprendre les mécanismes moléculaires à la base de la transmission synaptique des interneurones O/A et de mettre en évidence un rôle potentiel de TRPC1 dans la PLT. / The hippocampal neuronal network plays a crucial role in memory by producing long lasting changes in the efficacy of its synapses. In interneurons of stratum oriens/alveus (O/A), long term potentiation (LTP) induction requires metabotropic glutamate receptor subtype 1a (mGluR1a)-evoked excitatory postsynaptic currents (EPSCs) and subsequent Ca2+ entry through transient receptor potential (TRP) channels. The objectives of this project were to identify the TRP channels that mediate mGluR1a-evoked EPSCs and to explore molecular mechanisms that underlie their activation. Electrophysiological recordings showed that mGluR1a-evoked EPSCs were specifically observed in O/A interneurons and they were phospholipase C-independent. We then examined TRPC expression and their interaction with mGluR1a by RT-PCR, immunofluorescence and co-immunoprecipitation techniques. Our results show that TRPC1 and mGluR1a associate in hippocampus and that both proteins have overlapping distributions in dendrites of O/A interneurons. In contrast, TRPC4 seems to associate with mGluR1a only in recombinant system and their co-localization appears to be limited to the cell body. Finally, we performed recordings of interneurons in which TRPC expression was selectively suppressed by small interfering RNAs and we found that TRPC1, but not TRPC4, is an obligatory subunit of the channel that mediate mGluR1a-evoked EPSCs. This work brought new insight on molecular mechanisms underlying synaptic transmission of O/A interneurons and uncovered a potential role for TRPC1 in LTP.

De récents travaux ont mis en évidence que des dysfonctionnements dans l’expression de gènes impliqués dans la plasticité synaptique contribuent aux déclins cognitifs qu’on observe chez les gens âgés et à la progression de la maladie d’Alzheimer. Notre étude avait comme objectif d’étudier le profil d’expression d’ARNm spécifiques impliqués dans la plasticité synaptique chez des rats jeunes et âgés et chez des souris transgéniques 3xTg et WT. Des expériences en qRT-PCR ont été effectuées dans des extraits de cortex et d’hippocampe de rats jeunes et âgés et de souris 3xTg et WT, respectivement. Les résultats ont démontré une augmentation significative de l’expression d’ARNm MAP1B, Stau2, BDNF, CREB et AGO2 principalement dans l’hippocampe (régions CA1-CA3) des souris 3xTg comparé aux souris WT. Une diminution significative a également été observée pour l’ARNm αCaMKII dans le cortex des souris 3xTg comparé aux souris WT. Contrairement à ces observations, aucun changement n’a été observé pour l’expression de gènes impliqués dans la plasticité synaptique chez les rats âgés comparé aux rats jeunes. Ces résultats démontrent qu’un dysfonctionnement existe réellement au début de la maladie d’Alzheimer dans l’expression de gènes spécifiques impliqués dans la plasticité synaptique et contribue potentiellement à la progression de la maladie en engendrant un déséquilibre entre la LTP et la LTD. De plus, les différences d’expressions sont particulièrement observées dans l’hippocampe (régions CA1-CA3) ce qui est consistant avec les études sur la progression de la maladie d’Alzheimer puisqu’il est connu que la région CA1 de l’hippocampe est la plus vulnérable à l’apparition de la maladie. Ces résultats permettent une meilleure compréhension des événements moléculaires qui deviennent dérégulés à l’apparition de la maladie d’Alzheimer. / Recent work has demonstrated that dysregulations in the expression profile of plasticity-related genes in specific brain regions contribute to age-related cognitive decline and Alzheimer’s disease. The aim of this study was to determine the expression profile of a subset of plasticity-related mRNAs in different regions of the brain of young and aged rats as well as 3xTg and wild type (WT) mice. qRT-PCR experiments were performed in extracts of cortex and hippocampus of young and aged rats and of 3xTg and WT mice, respectively. Results demonstrated significant increases in the expression of MAP1B, Stau2, CREB, BDNF, and AGO2 mRNAs, especially in the hippocampus (CA1-CA3 fields) of 3xTg mice compared to WT mice. A significant decrease was also observed in the expression of αCaMKII mRNA in the cortex of 3xTg mice compared to WT mice. On the other hand, no significant changes were observed in the expression of plasticity-related genes in the hippocampus of aged rats compared to young rats. These results confirm that alterations in gene expression occur at the onset of AD and possibly contribute to the progression of the disease by causing an imbalance between long-term potentiation and long-term depression. In addition, patterns of significant altered gene expression, especially in the hippocampus (CA1-CA3 fields) of 3xTg mice are consistent with the progression of AD whereby the hippocampus (CA1 region) is most vulnerable at the onset of the disease. These results provide a better understanding of the molecular events that first become disturbed in AD.

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière. / At the end of the 19th century, Dr. Ramón y Cajal, a scientific pioneer, discovered that the nervous system was composed of individual cellular elements, later called neurons. He also noticed the complexity of this system and mentioned the impossibility of new neurons to be integrated into the adult nervous system. One of his famous quotes: “In adult centers the nerve paths are something fixed, ended, immutable. Everything may die, nothing may be regenerated” is representative of the prevalent dogma at the time (Ramón y Cajal 1928). Key studies conducted in the 1960-1970s suggested a different point of view. It was demonstrated that new neurons could be born during adulthood, but this discovery created an omnipresent skepticism in the scientific community. It took 30 years for the concept of adult neurogenesis to become widely accepted. This discovery, along with more advanced techniques, opened doors to potential therapeutic avenues for neurodegenerative diseases. Adult neural stem cells (NSCs) reside mainly in two niches in the brain: the subventricular zone of the lateral ventricles and the dentate gyrus of the hippocampus. Under normal conditions, neurogenesis level is relatively high in the SVZ whereas some steps are rate-limiting in the hippocampus. In contrast, the spinal cord is rather defined as a quiescent environment. One of the main questions that arose from these discoveries is: how do you activate adult NSCs in order to increase neurogenesis levels? In the hippocampus, environmental enrichment (including cognitive stimulation, exercise and social interactions) has been shown to promote hippocampal neurogenesis. The plasticity potential of this region is important as it could play a crucial role in rescuing learning and memory deficits. In the spinal cord, studies conducted in vitro demonstrated that ependymal cells found around the central canal have self-renewal and multipotency capacities (neurons, astrocytes, oligodendrocytes). Interestingly, it turns out that in vivo, following a spinal cord lesion, ependymal cells become activated, can self-replicate, but can only give rise to glia cell fate (astrocytes and oligodendrocytes). This new post-injury function shows that plasticity can still occur in a quiescent environment and could be exploited to develop endogenous spinal cord repair strategies. v As mentioned above, NSCs play important roles in normal brain function and neural repair following injury. However, little information is known about how a quiescent NSC becomes activated in order to perform these functions. The general objective of this project was to investigate the mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system. My specific aims were to address this question using adult mice in two complementary models: 1) activation of hippocampal NSCs by environmental enrichment, and 2) activation of spinal cord NSCs by injury-induced neuroinflammation. Moreover, 3) to gain new insights into the molecular mechanisms of these models, we will perform transcriptomics studies to open new lines of investigation. The first project is expected to provide us with new insights into the basic cellular and molecular mechanisms through which environmental enrichment modulates adult brain plasticity. We first evaluated the contribution of individual environmental enrichment components to hippocampal neurogenesis (Chapter II). Voluntary exercise promotes neurogenesis, whereas a social context increases neuronal activation. We then determined the effect of these components on behavioural performances and transcriptome using an eight-arm radial maze to assess spatial memory, novel object recognition, and RNA-Seq, respectively (Chapter III). Runners show stronger spatial short-term memory recall, whereas mice exposed to social interactions had a better cognitive flexibility to abandon old memory. Surprisingly, RNA-Seq analysis indicated clear differences in the expression of modified transcripts between low runners and high runners, as well as for social interacting mice (within the complex environment). The second project consists of discovering how ependymal cells acquire NSC properties in vitro or multipotentiality following lesions in vivo. A RNA-Seq analysis revealed that the transforming growth factor-β1 (TGF-β1) acts as an upstream regulator of significant changes following spinal cord injury (Chapter IV). We therefore confirmed the presence of this cytokine after lesion and investigated its role on proliferation, differentiation, and survival of neurosphere-initiating cells from the spinal cord. Our results suggest that TGF-β1 regulates the acquisition and expression of stem cell properties of spinal cord-derived ependymal cells.

Le travail de recherche réalisé au cours de cette thèse s'intéresse à la nature des représentations spatiales formées par le cortex entorhinal médian (CEM). Tout d'abord, nous montrons que le CEM code spécifiquement une information de distance, l'une des composantes nécessaires pour que l'animal puisse réaliser un type de navigation reposant sur les informations idiothétiques, appelé intégration des trajets. Puis, nous observons que le système vestibulaire, une source importante d'informations idiothétiques, influence l'activité thêta du CEM et permet la modulation de ce rythme thêta par la vitesse de déplacement des animaux. Ensuite, nous montrons que l'activité du CEM est nécessaire à la stabilité de l'activité des cellules de lieu. Parallèlement, nous observons que l'activité des cellules grilles du CEM est modifiée par les informations contenues dans l'environnement (allothétiques).Dans leur ensemble, nos résultats montrent que le CEM traite et intègre des informations idiothétiques mais aussi des informations allothétiques. Ces données suggèrent que la carte spatiale du CEM ne fournit pas une métrique universelle reposant sur les informations idiothétiques, mais possède un certain degré de flexibilité en réponse aux changements environnementaux. De plus, cette carte spatiale entorhinale n'est pas requise pour la formation de l'activité spatiale des cellules de lieu, contrairement à ce que suggère l'hypothèse dominante. / The work conducted during my PhD thesis was aimed at understanding the nature of the spatial representation formed by the the medial entorhinal cortex (MEC). First, we show that the MEC codes specifically distance information which is necessary for a type of navigation based on idiothetic cues, called path integration. Then, we observe that the vestibular system, an important source of idiothetic information in the brain, influences the MEC theta rhythm and its modulation by the animal velocity. In addition, we show that MEC activity is necessary for the stability of place cells activity. Finally, we observe that entorhinal grid cells activity is modified by the information available in the environment (allothetic information).Together, our results show that the MEC processes and integrates idiothetic information as well as allothetic information. These data suggest that the entorhinal map is not a universal metric based on idiothetic information, but is flexible and dependant on the information present in the environment. In addition, the entorhinal map is not required for the generation of place cells activity, contrary to the dominant hypothesis.