Les douleurs neuropathiques, celles qui sont provoquées par des lésions du système nerveux central ou périphérique, sont les plus difficiles à traiter du fait de leur résistance aux traitements antalgiques classiques. Les traitements utilisés aujourd'hui font appel à des classes thérapeutiques non spécifiquement ciblées sur la douleur, en particulier des antidépresseurs et des anticonvulsivants. Leur efficacité limitée ne repose en fait que sur des observations empiriques. Une meilleure connaissance des processus physiopathologiques sous-tendant les douleurs neuropathiques constitue un préalable à toute innovation thérapeutique, et c'est à cette fin que je me suis appliqué à développer deux modèles de douleurs neuropathiques chez le rat pour en étudier les caractéristiques comportementales, fonctionnelles, cellulaires et biochimiques. Le premier modèle visait à l'induction d'une douleur neuropathique centrale provoquée par la section complète de la moelle épinière au niveau thoracique (T8-T9) ; le second a consisté à injecter, directement au niveau spinal, par voie intrathécale (i.t.), le facteur neurotrophique BDNF (Brain Derived Neurotrophic Factor ; dont l'implication dans les voies de signalisation nociceptive est bien établie dans la littérature). Dans les deux cas, les conséquences pro-algiques de ces interventions ont été comparées à celles induites par la ligature unilatérale du nerf sciatique, qui constitue encore aujourd'hui un modèle classique, mais très imparfait, d'une douleur neuropathique périphérique. Dès le 2ème jour après la section spinale, et jusqu'au moins deux mois plus tard, les rats lésés présentent une forte allodynie mécanique (test des filaments de von Frey) dans le territoire cutané juste en avant de la lésion. Cet effet traduit bien une neuropathie centrale car il n'existe pas chez les rats " sham " qui ont subi l'intégralité de l'intervention chirurgicale à l'exception de la section spinale. L'allodynie mécanique est associée à une induction significative de l'expression (RTqPCR) de marqueurs de souffrance neuronale (ATF-3) et d'activation microgliale (OX-42, récepteurs P2X4, P2X7 et TLR4) et astrocytaire (GFAP), ainsi que du BDNF et de cytokines pro-inflammatoires (IL-1ß, IL-6, TNF-α), mais de façon plus transitoire, ceci dans les ganglions de racines dorsales et/ou la moelle épinière dorsale (comme à la suite de la ligature du nerf sciatique, mais avec des cinétiques différentes). Pour sa part, l'injection intrathécale i.t. d'une dose infra-nanomolaire unique de BDNF (0.3 - 3.0 ng) induit aussi une forte allodynie et une hyperalgésie mécaniques, au niveau des pattes postérieures, qui se développent en 3-5 jours, et perdurent pendant deux semaines. Cependant, au contraire de la section spinale (et de la ligature du nerf sciatique), l'injection i.t. de BDNF ne provoque pas d'activation microgliale ni d'induction de cytokines. Elle entraine en revanche une auto-induction du BDNF, qui semble clé pour l'hyperalgésie puisque celle-ci peut être, en grande partie, supprimée par l'administration d'un inhibiteur du récepteur TrkB du BDNF, la cyclotraxine B (20 mg/kg i.p.), comme d'ailleurs l'hyperalgésie induite par la ligature du nerf sciatique. Au plan pharmacologique, un antalgique opiacé comme le tapentadol s'est révélé efficace dans les deux modèles. De même, les anticonvulsivants, comme la prégabaline et la gabapentine, ont réduit la douleur neuropathique chez les rats injectés par le BDNF i.t. et chez les rats CCI-SN. En conclusion, il semble que l'injection intrathécale de BDNF, qui évite la réalisation de lésions par intervention chirurgicale, puisse constituer un nouveau modèle pertinent de douleur neuropathique chez le rat. De plus, nos résultats laissent à penser que le blocage de la voie de signalisation BDNF-TrkB pourrait ouvrir de nouvelles pistes pour la réduction des douleurs neuropathiques périphériques. (...)

Les douleurs neuropathiques, celles qui sont provoquées par des lésions du système nerveux central ou périphérique, sont les plus difficiles à traiter du fait de leur résistance aux traitements antalgiques classiques. Les traitements utilisés aujourd’hui font appel à des classes thérapeutiques non spécifiquement ciblées sur la douleur, en particulier des antidépresseurs et des anticonvulsivants. Leur efficacité limitée ne repose en fait que sur des observations empiriques. Une meilleure connaissance des processus physiopathologiques sous-tendant les douleurs neuropathiques constitue un préalable à toute innovation thérapeutique, et c’est à cette fin que je me suis appliqué à développer deux modèles de douleurs neuropathiques chez le rat pour en étudier les caractéristiques comportementales, fonctionnelles, cellulaires et biochimiques. Le premier modèle visait à l’induction d’une douleur neuropathique centrale provoquée par la section complète de la moelle épinière au niveau thoracique (T8-T9) ; le second a consisté à injecter, directement au niveau spinal, par voie intrathécale (i.t.), le facteur neurotrophique BDNF (Brain Derived Neurotrophic Factor ; dont l’implication dans les voies de signalisation nociceptive est bien établie dans la littérature). Dans les deux cas, les conséquences pro-algiques de ces interventions ont été comparées à celles induites par la ligature unilatérale du nerf sciatique, qui constitue encore aujourd’hui un modèle classique, mais très imparfait, d’une douleur neuropathique périphérique. Dès le 2ème jour après la section spinale, et jusqu’au moins deux mois plus tard, les rats lésés présentent une forte allodynie mécanique (test des filaments de von Frey) dans le territoire cutané juste en avant de la lésion. Cet effet traduit bien une neuropathie centrale car il n’existe pas chez les rats « sham » qui ont subi l’intégralité de l’intervention chirurgicale à l’exception de la section spinale. L’allodynie mécanique est associée à une induction significative de l’expression (RTqPCR) de marqueurs de souffrance neuronale (ATF-3) et d’activation microgliale (OX-42, récepteurs P2X4, P2X7 et TLR4) et astrocytaire (GFAP), ainsi que du BDNF et de cytokines pro-inflammatoires (IL-1ß, IL-6, TNF-α), mais de façon plus transitoire, ceci dans les ganglions de racines dorsales et/ou la moelle épinière dorsale (comme à la suite de la ligature du nerf sciatique, mais avec des cinétiques différentes). Pour sa part, l’injection intrathécale i.t. d’une dose infra-nanomolaire unique de BDNF (0.3 – 3.0 ng) induit aussi une forte allodynie et une hyperalgésie mécaniques, au niveau des pattes postérieures, qui se développent en 3-5 jours, et perdurent pendant deux semaines. Cependant, au contraire de la section spinale (et de la ligature du nerf sciatique), l’injection i.t. de BDNF ne provoque pas d’activation microgliale ni d’induction de cytokines. Elle entraine en revanche une auto-induction du BDNF, qui semble clé pour l’hyperalgésie puisque celle-ci peut être, en grande partie, supprimée par l’administration d’un inhibiteur du récepteur TrkB du BDNF, la cyclotraxine B (20 mg/kg i.p.), comme d’ailleurs l’hyperalgésie induite par la ligature du nerf sciatique. Au plan pharmacologique, un antalgique opiacé comme le tapentadol s’est révélé efficace dans les deux modèles. De même, les anticonvulsivants, comme la prégabaline et la gabapentine, ont réduit la douleur neuropathique chez les rats injectés par le BDNF i.t. et chez les rats CCI-SN. En conclusion, il semble que l’injection intrathécale de BDNF, qui évite la réalisation de lésions par intervention chirurgicale, puisse constituer un nouveau modèle pertinent de douleur neuropathique chez le rat. De plus, nos résultats laissent à penser que le blocage de la voie de signalisation BDNF-TrkB pourrait ouvrir de nouvelles pistes pour la réduction des douleurs neuropathiques périphériques. (...) / Neuropathic pain, caused by lesions of central or peripheral nervous system, is difficult to treat because of its resistance to classical antalgic treatments. Most of pharmacotherapeutic treatments of neuropathic pain (antidepressants, anticonvulsants) currently used are only based on empirical data and are not specifically aimed at relieving pain. Better knowledge of the mechanisms underlying neuropathic pain is an absolute prerequesite to develop new and innovative treatments. With the aim of contributing to elucidate these mechanisms, I developed two models of neuropathic pain in rats, and studied their behavioral, pharmacological, cellular and biochemical characteristics. The first model consisted of the induction of central neuropathic pain by complete transection of the spinal cord at T8-T9 level. The second one consisted of the administration of BDNF (Brain Derived Neurotrophic Factor; which implication in nociceptive signaling pathways is well established in the literature), directly at the spinal level, via intrathecal (i.t.) injection. In both cases, pro-algesic consequences of these interventions have been compared to those induced by unilateral ligation of the sciatic nerve, which is still considered as a classical, although not really satisfactory, model of peripheral neuropathic pain. From the second day after spinal cord transection up to (at least) 2 months later, lesioned rats developed a strong mechanical allodynia (von Frey filaments test) within a limited cutaneous territory just rostral to the surgical scar. This effect really reflected central neuropathic pain because it did not occur in control, « sham operated » animals, that underwent the same surgical intervention except the spinal cord transection. Mechanical allodynia was associated with marked overexpression of markers of neuronal injury (ATF-3), microglial activation (OX-42, P2X4, P2X7 and TLR4 receptors), astrocyte activation (GFAP), as well as upregulation of transcripts encoding BDNF and pro-inflammatory cytokines (IL-1ß, IL-6 and TNF-α, but only transiently for the latter cytokine), in dorsal root ganglia and/or spinal cord. Therefore, spinal cord transection triggered a strong neuroinflammatory reaction, like that occurring after peripheral nerve lesion, but with different time course and amplitude. On the other hand, intrathecal injection of an infra-nanomolar dose of BDNF (0.3 – 3.0 ng) also induced a strong mechanical allodynia and hyperalgesia at hindpaw level, which developed within 3-5 days and lasted for at least two weeks. However, in sharp contrast with spinal cord transection (and sciatic nerve ligation), i.t. injection of BDNF did not induce any microglial activation and/or proinflammatory cytokines upregulation. Intrathecal (exogenous) BDNF-induced (endogenous) BDNF auto-induction might play a key role in the maintenance of i.t. BDNF-induced hyperalgesia as the latter can be reversed by pharmacological blockade of the BDNF receptor TrkB (with cyclotraxin B at 20 mg/kg i.p., which also reversed sciatic nerve ligation-induced hyperalgesia). Pharmacological investigations showed that the opioid antalgic drug tapentadol and anticonvulsants such as pregabalin and gabapentin efficiently reduced neuropathic pain in i.t. BDNF i.t. as well as in sciatic nerve-ligated rats. Accordingly, intrathecal injection of BDNF might represent a new non-surgical model of neuropathic pain in rats. Moreover, our results indicate that blockade of BDNF-TrkB signaling could open new therapeutic perspectives for alleviating peripheral neuropathic pain. This innovative pharmacological approach should also be explored in the case of central neuropathic pain caused by spinal cord injury.

Le GABA et la glycine, principaux neurotransmetteurs inhibiteurs de la moelle épinière adulte, jouent un rôle clé dans la plasticité neuronale. Ils peuvent être excitateurs selon la concentration en chlorure du neurone cible. Celle-ci est principalement régulée par les co-transporteurs, KCC2, spécifique des neurones et NKCC1, ubiquitaire. Ces protéines font respectivement sortir et entrer les ions chlorure. Au cours du développement, l’expression de KCC2 augmente alors que celle de NKCC1 diminue, au moment où l’effet des potentiels post-synaptiques inhibiteurs sur le potentiel de membrane des neurones passe d’une dépolarisation à une hyperpolarisation. Une lésion médullaire à P0 bloque cette augmentation développementale. Cela est corrélé à une perte de fonction de KCC2, laquelle est restaurée après traitement avec un agoniste des récepteurs 5-HT2, indiquant que les voies descendantes issues du tronc cérébral, en particulier sérotoninergique, sont essentielles à la maturation du système inhibiteur. Une lésion chez l’adulte, induit une diminution de l’expression KCC2, en particulier à la surface des motoneurones et de ce fait, de la force de l’inhibition post-synaptique. Le BDNF est impliqué dans cette diminution mais son effet s’inverse 15 jours après la lésion, permettant le réacheminement de KCC2 à la surface des cellules. La phosphorylation des tyrosines et sérines serait impliquée dans l’adressage et la stabilisation de KCC2 dans la membrane plasmique alors que celle des thréonines jouerait un rôle dans son activation fonctionnelle. Ces résultats indiquent que KCC2 est une cible de choix pour restaurer l’inhibition neuronale dans la moelle épinière après traumatisme. / Le GABA et la glycine, principaux neurotransmetteurs inhibiteurs de la moelle épinière adulte, jouent un rôle clé dans la plasticité neuronale. Ils peuvent être excitateurs selon la concentration en chlorure du neurone cible. Celle-ci est principalement régulée par les co-transporteurs, KCC2, spécifique des neurones et NKCC1, ubiquitaire. Ces protéines font respectivement sortir et entrer les ions chlorure. Au cours du développement, l’expression de KCC2 augmente alors que celle de NKCC1 diminue, au moment où l’effet des potentiels post-synaptiques inhibiteurs sur le potentiel de membrane des neurones passe d’une dépolarisation à une hyperpolarisation. Une lésion médullaire à P0 bloque cette augmentation développementale. Cela est corrélé à une perte de fonction de KCC2, laquelle est restaurée après traitement avec un agoniste des récepteurs 5-HT2, indiquant que les voies descendantes issues du tronc cérébral, en particulier sérotoninergique, sont essentielles à la maturation du système inhibiteur. Une lésion chez l’adulte, induit une diminution de l’expression KCC2, en particulier à la surface des motoneurones et de ce fait, de la force de l’inhibition post-synaptique. Le BDNF est impliqué dans cette diminution mais son effet s’inverse 15 jours après la lésion, permettant le réacheminement de KCC2 à la surface des cellules. La phosphorylation des tyrosines et sérines serait impliquée dans l’adressage et la stabilisation de KCC2 dans la membrane plasmique alors que celle des thréonines jouerait un rôle dans son activation fonctionnelle. Ces résultats indiquent que KCC2 est une cible de choix pour restaurer l’inhibition neuronale dans la moelle épinière après traumatisme.

Les travaux entrepris au cours de cette thèse ont eu pour but d'étudier la modulation de la transmission synaptique inhibitrice au niveau des réseaux moteurs spinaux, à la fois au cours du développement et après lésion de la moelle épinière. Le nouveau-né présente des activités motrices spontanées qui jouent un rôle important dans la maturation des muscles et des réseaux de neurones de la moelle épinière. Dans une première étude, nous avons identifié l'un des mécanismes impliqués dans la genèse de ces activités chez le rat nouveau-né in vitro. Nous avons démontré que l'activation des récepteurs GABAᴀ au niveau des terminales d'afférences primaires joue un rôle majeur dans le déclenchement et la propagation de ces activités spontanées. Dans une deuxième étude, nous avons testé la robustesse des dépolarisations de nature GABAergique enregistrées in vitro, c'est-à-dire leur dépendance vis-à-vis des paramètres du milieu de perfusion. Nous avons démontré que l'action dépolarisante des neurotransmetteurs GABA/glycine au niveau des motoneurones et celle du GABA au niveau des terminales d'afférences primaires ne sont pas dues à une fourniture énergétique insuffisante. La dernière étude a été consacrée à la modulation de la transmission synaptique inhibitrice après lésion de la moelle épinière. Nous avons montré que l'activation des récepteurs 5-HT2 (R5-HT2), particulièrement celle de l'isoforme 5-HT2ᴀ, renforce le poids synaptique inhibiteur via une hyperpolarisation du potentiel d'équilibre des ions chlorure (ECl) et une augmentation d'expression de KCC2 au niveau de la membrane des motoneurones. / The aim of this thesis was to explore the modulation of the inhibitory synaptic transmission within the spinal motor networks, both during development and after SCI. Spontaneous movements are an ubiquitous feature of fetal and infant behavior. They provide signals that are important for the development of muscles and the assembly of neuronal networks in the spinal cord. In a first study, we characterized one of the mechanisms underlying spontaneous motor behaviors in the in vitro spinal cord preparation isolated from neonatal rats. We demonstrated that the GABA is playing a key role in promoting spontaneous activity through primary afferent depolarizations which reach firing threshold. In the second part of my thesis, we tested the robustness of the in vitro GABAergic depolarizations and their dependence on the aCSF parameters. We demonstrated that during development the depolarizing actions of GABA/glycine on motoneurons and GABA on primary afferent terminals are not due to inadequate energy supply. In the last part of my thesis, we focused on the modulation of the inhibitory synaptic transmission following SCI. We demonstrated that activation of the 5-HT2 receptors, particularly the 5-HT2ᴀ subtype, strengthens inhibitory synaptic transmission to spinal motoneurons by hyperpolarizing the reversal potential of Cl- ions (ECl) and by increasing the cell-membrane expression of KCC2. This phenomenon reduces spasticity after SCI in rats. Upregulation of KCC2 function by targeting 5-HT2ᴀ receptors therefore opens new therapeutic strategies for the treatment of spasticity following SCI.