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In non-pathological states the central nervous system maintains a degree of immunological privilege. When illness or injury occur, this privilege can be lost and the immune system drives pathology in the brain and spinal cord. More so, resident immune cells, the microglial, act as major effectors of this response. Cerebral ischemia, or stroke, is the fourth leading cause of death in developed nations. After the initial ischemia, the inflammatory response propagates further injury and cell death. Another affliction of the central nervous system, chronic pain and persistent use of the opioid analgesic, morphine, leads to tolerance and ineffectiveness of the drug. Currently, only one in three patients receive adequate pain relief from their pharmacological regiment. This loss of efficacy in morphine is also driven by an inflammatory response. Thus, a way to quell inflammation in both disease states could lead to better treatments for both disorders. The endogenous cannabinoid system has two known receptors, CB1 and CB2. Both of these receptors have been intimately linked to inflammation and the activation or antagonism of the receptors can impart desired outcomes in modulating the immune response. Primarily the CB1 receptor expression is on presynaptic terminals of neurons to modulate neuronal firing. The CB2 receptor's expression predominates on immunological cells including microglial. However, some degree of expression exists with reports of neuronal CB2 receptors and immunological CB1 receptors. This makes pharmacological therapies targeted at both receptors ideal candidates in treating not only stroke and but also preventing the induction of morphine tolerance. In the studies described here, we sought to investigate the role of the endogenous cannabinoid system in both stroke and as a way to prevent the induction of morphine tolerance. The results showed that CB1 -/- CB2 -/- receptor mice were able to maintain greater blood flow during cerebral ischemia. More so, CB1 antagonism in a permanent occlusion of cerebral vessels showed a protective effect independent of the serotonin receptor. Lastly, a CB2 agonist was able to limit the degree of tolerance that developed from chronic morphine therapy and also prevent hyperalgesia in addition to showing a reduction in pro-inflammatory cytokines. Acutely, this same agonist was found to antagonize the morphine receptor but this could be avoided if morphine was administered before the CB2 agonist. In brief, the studies at hand show that the endogenous cannabinoid system can attenuate inflammation in central nervous system injury and shows great promise as a future therapeutic for clinical use. / Physiology

In Part 1, amphotericin B-induced synovitis of the left tarsocrural joint was used to create hindlimb lameness in 11 horses. Caudal epidural catheters were placed and advanced to the lumbosacral region. Baseline heart and respiratory rates were recorded and horses were videotaped at a walk and trot. Treated horses received 0.2 mg/kg morphine sulfate and 30 ug/kg detomidine hydrochloride through the epidural catheter; control horses received an equivalent volume of physiologic saline solution through the catheter. At hourly intervals after epidural injection for a total of 6 hours, heart and respiratory rates were recorded and horses were videotaped walking and trotting. At the end of the observation period, video recordings were scrambled onto a master videotape. Lamenesses were scored by 3 investigators. Lameness grades, heart rates and respiratory rates were compared. There was a significant decrease in lameness grades after treatment with epidural morphine and detomidine. Initially, heart rates significantly increased in control horses and decreased in treated horses. A similar trend occurred for respiratory rates. In Part 2, caudal epidural catheters were used to administer injections to 10 horses every 12 hours for 14 days. Treated horses received 0.2 nlg/kg morphine sulfate and 30 ug/kg detomidine hydrochloride, and control horses received an equivalent volume of physiologic saline solution. Body weights were recorded on days 1 and 14. Rectal temperature, heart rate, respiratory rate and gastrointestinal motility were recorded twice daily, and daily hay and water consumption was measured. Horses were euthanatized day 15. Atlanto-occipital cerebrospinal fluid samples were submitted for bacteriologic culture and determination of white and red blood cell counts and protein and glucose concentrations. Post mortem examinations were performed and representative samples of the spinal cord and surrounding tissues were taken from cervicothoracic, thoracolumbar, lumbosacral, sacral and catheter entry point regions. Spinal tissue segments from these regions were graded for histologic degree of inflammation and fibrosis. Cerebrospinal fluid values and spinal tissue segment inflammation and fibrosis grades were compared between control and treated horses, and between all 10 catheterized study horses and 6 uncatheterized horses. No problems were encountered with epidural catheter maintenance or injection. No significant difference was identified in body weight change, daily variables or hay and water consumption between control and treated horses. All cerebrospinal fluid cultures were negative for growth. No significant difference in cerebrospinal fluid values or spinal tissue inflammation or fibrosis grades for any segment was demonstrated between control and treated horses. However, when compared to uncatheterized horses, cerebrospinal fluid red blood cell counts were marginally higher and protein concentrations were significantly higher in catheterized horses. As well, lumbosacral and sacral spinal tissue segment inflammation grades and sacral segment fibrosis grades were significantly higher in catheterized compared to uncatheterized horses. Results of these studies indicate that an epidural combination of morphine and detomidine provides profound hindlimb analgesia in horses and is not associated with apparent adverse systemic effects. Localized epidural inflammation and fibrosis appear to be catheter-related. / Master of Science

Bien que la régulation des canaux calciques par les récepteurs couplés aux protéines G soit connue depuis une trentaine d'année, ce n'est que récemment qu'il a été découvert que ce phénomène pouvait passer par une interaction directe entre ces deux partenaires. Les RCPGs sont les senseurs d'un grand nombre de paramètres (des simples photons aux molécules odorantes en passant par des hormones, acides aminés et nucléotides) et ils contrôlent un grand nombre de processus cellulaires en fonction de ces différents stimuli, ce qui en fait une cible thérapeutique majeure. Une de leurs cibles est l'activité des canaux calciques voltage dépendants qui est responsable d'un grand nombre de processus tels que le contrôle du potentiel de membrane, le relargage de neurotransmetteurs, la contraction musculaire ou, bien sûr, le contrôle du taux de calcium intracellulaire qui est lui-même un second messager impliqué dans de nombreuses voies de régulations.Il nous a donc paru intéressant de se pencher plus en avant sur ces interactions et de trouver une méthode nous permettant de cribler ces interactions potentielles avec des RCPG ciblés pouvant intervenir dans une thématique de contrôle de la douleur. Pour cela nous avons développé une stratégie de FRET en temps résolu utilisant les cryptates de terres rares à déactivation lente couplés aux ligands du tag SNAP comme donneurs de fluorescence, les canaux calciques étudiées étant fusionnés avec cet épitope et l'eGFP fusionnée aux RCPGs en tant qu'accepteur. Ce test nous a permis de confirmer l'interaction entre CaV2.2 et ORL1 le récepteur de la nociceptine. Nous avons ensuite cherché à caractériser plus précisément cette interaction et nous avons déterminé quelles en étaient les séquences peptidiques responsables au sein des domaines C-terminaux de ces deux protéines grâce à des expériences de GST-pull down. Nous avons synthétisé un peptide reproduisant la séquence d'interaction d'ORL1 que nous avons couplé à la séquence TAT, le rendant ainsi capable de pénétrer les membranes cellulaires. Lorsque nous ajoutons ce peptide leurre dans les expériences de TR-FRET, l'augmentation de fluorescence observée en présence de CaV2.2-SNAP et ORL1-GFP disparait totalement alors que l'ajout d'un peptide contrôle composé des mêmes acides aminés mais présentés dans le désordre n'a aucun effet. Nous avons ensuite cherché à étudier les effets de ce peptide in vivo lors d'un protocole de tolérance à la morphine étant donné que les souris K.O. pour le gène d'ORL1 sont résistantes à l'apparition de cette tolérance. Cette stratégie de découplage CaV2.2 :: ORL1 abolit complètement le phénomène de tolérance aux effets analgésiques de la morphine par une action au niveau spinal. Ce travail peut conduire à l'utilisation d'une telle approche dans une perspective thérapeutique visant à améliorer l'utilisation de morphiniques lors du traitement des douleurs chroniques. / The regulation of the calcium channels by GPCRs has been known for almost thirty years but the direction interaction between those two proteins is a recent breakthrough. GPCRs are sensors for a great number of parameters (photons, smell molecules, hormones, amino acids, nucleotides…) and they control numerous cellular functions according to those parameters making them a major target for pharmacology. One of the GPCR's targets is the calcium channel activity which is responsible for a great number of cellular processes like control of the membrane potential, neurotransmitters or hormonal secretion, muscular contraction and, of course, control of the intracellular calcium level which is a second messenger of numerous cell-regulation pathways.It appears to us that it would be interesting to study more closely those interactions and find a way to screen the GPCR/calcium channels interactions that may occur in pain regulation. We developed a strategy of time resolved FRET, using rare earth cryptate coupled to the ligand of the SNAP tag which is fused to the calcium channel as fluorescence donor and eGFP fused GRPRs as acceptors. That test confirmed the interaction between CaV2.2 and ORL1, the nociceptin receptor. We characterized more precisely the peptide sequence of the carboxy-terminal domain of the two proteins which is responsible for the interaction using GST-pull down experiments. We synthesized a peptide reproducing the ORL1 interaction sequence coupled to the TAT sequence allowing to go through the cell membranes. When we add this decoy peptide to ours TR-FRET experiments we lose all the increase of fluorescence that we see in presence of CaV2.2-SNAP and ORL1-GFP but the adding of a control peptide made of the same peptides but scrambled didn't affect the experiment. Then we look for the effects of this peptide in vivo, during a morphine tolerance protocol as it was reported that the ORL1 knock-out mice were insensitive to this phenomenon. This strategy of uncoupling CaV2.2 and ORL1 leads to a complete suppression of the tolerance to the analgesic effects of the morphine by an action at the spinal level. This work could lead to a therapeutic use of this approach which could enhance the use of morphinic compounds in treatment of chronics pains.

Les canaux TREK sont des canaux mécano- et thermosensibles appartenant à la famille des canaux potassiques de fond à deux domaines pore, qui jouent un rôle majeur dans l’excitabilité cellulaire. Notre équipe a précédemment montré que les canaux TREK-1 et TRAAK sont des senseurs moléculaires essentiels dans la perception polymodale de la douleur et qu’ils interviennent dans l’excitabilité des nocicepteurs, modulant ainsi le message douloureux.Dans la première partie de ma thèse, j’ai étudié l’implication du canal TREK-1 dans l’activité antalgique de la morphine. Nous avons mis en évidence un couplage fonctionnel entre les canaux TREK-1 et TREK-2 et les récepteurs opioïdes µ et δ. Nous avons également montré que le canal TREK-1 est impliqué dans les effets périphériques et centraux de la morphine. Ces travaux ont permis d’impliquer le canal TREK-1 comme un médiateur de l’analgésie induite par la morphine agissant en aval des récepteurs aux opioïdes. La seconde partie de ma thèse a porté sur l‘étude du rôle du canal TREK-2 dans la perception de la douleur. En étudiant l’impact des canaux TREK-2 sur l’activité des nocicepteurs, j’ai pu montrer que le canal TREK-2 module la perception thermique des nocicepteurs cutanés. Toutefois, l’activité de TREK-2 dans la thermo perception est complémentaire de celle déjà rapportée pour les canaux TREK car, contrairement à TREK-1 et TRAAK, TREK-2 intervient dans la perception de températures non nocives. En conclusion, ces travaux montrent que les canaux potassiques de fond TREK jouent un rôle essentiel dans la perception et la modulation du message douloureux et pourraient être des cibles intéressantes pour le traitement de la douleur. / TREK channels are mechano- and thermo-activated channels belonging to the two-pore domains potassium channels family, which play a major role in neuronal excitability and cell firing. Our group previously demonstrated that TREK-1 and TRAAK channels are essential molecular sensors in polymodal pain perception and that they are involved in the excitability of nociceptors, thus modulating the nociceptive message. In the first part of this work, I investigated the implication of TREK-1 channel in the analgesic action of morphine, one of the most used analgesic. We reveal a functional coupling between TREK-1 and TREK-2 channels and opioid receptors µ and δ. We also show that TREK-1 channel is involved in peripheral and central effects of morphine. This work demonstrate that TREK-1 channel, downstream of the µOR, is an important mediator of morphine induced analgesia. During the second part of my work, I investigated the role of TREK-2 channel in pain perception. I assessed the impact of this channel on nociceptors and we reveal that TREK-2 channel modulates thermal perception of cutaneous nociceptors. However, we show that TREK-2 activity in thermal perception complements the one already reported for TREK-1 and TRAAK channels. Whilst TREK-1 and TRAAK are involved in noxious temperatures perception, TREK-2 intervene in non-aversive temperatures detection. Taken together, these results show that background potassium channels TREK are major contributors to pain message perception and transmission and that they might be interesting targets for the treatment of pain.

La queue de l'aire tegmentale ventrale (tVTA) est une région cérébrale GABAergique localisée en arrière de la VTA. Elle projette de façon massive aux neurones dopaminergiques des groupes A9 et A10 du mésencéphale à l'origine des systèmes nigrostrié et mésolimbique. Ces systèmes sont impliqués dans de nombreuses fonctions comme la motricité et les comportements associés aux drogues. L'objectif de ma thèse est d'étudier le rôle de la tVTA via ses projections sur ces systèmes. Pour cela, nous avons utilisé des approches variées comprenant l'immunohistochimie, la pharmacologie in vivo,l'électrophysiologie in vivo et l'étude du comportement moteur. Parmi un ensemble de drogues appartenant à différentes classes, l'activation moléculaire de la tVTA sous forme de l'induction de FosB/ΔFosB est spécifique des psychostimulants et dépend de la dopamine. D'un point de vue physiologique, la tVTA exerce un tonus inhibiteur sur les neurones dopaminergiques de la VTA et joue un rôle crucial dans leur désinhibition par la morphine. Enfin, des lésions de la tVTA influencent des comportements dépendant du système nigrostrié comme le comportement de rotation provoqué par l'amphétamine, les performances motrices et l'apprentissage moteur. / The tail of the ventral tegmenta area (tVTA) is a GABAergic brain region located behind the VTA. It projects massively to dopaminergic neurons in mesencephalic A9 and A10 groups leading to nigrostriatal and mesolimbic systems that play a role in fonctions like motricity and drug-related behaviours. The objective of my thesis is to study the tVTA role through its projections to these systems. For that, we used various approaches including immunohistochemistry, in vivo pharmacology, in vivo electrophysiology, and motor behaviour. Between various drugs belonging to different classes, molecular activation of the tVTA by FosB/ΔFosB induction is only observed following psychostimulant treatment and is mediated by dopamine. From a physiological point of view, the tVTA exerts an inhibitory tone onto VTA dopamine neurons and plays a crucial role in morphine-induced desinhibition. Finally, tVTA lesions modulate nigrostriatal system mediated behaviour like amphetamine-induced rotational behaviour, motor coordination and motor skill learning.

La neurobiologie à l'origine d'un comportement social des consommateurs d'opiacés et des personnes dépendantes reste largement méconnue, entravant le développement de nouveaux traitements efficaces contre les troubles de l'utilisation des opiacés. Cependant, des preuves précliniques récentes suggèrent que le système du facteur de libération de la corticotrophine (CRF) pourrait être impliqué. Dans cette optique, nous avons utilisé la méthode des tâches à trois chambres (3-CH) ainsi qu'une méthode génétique et pharmacologique pour évaluer l’impact de l’administration de la morphine et du sevrage sur le comportement social des souris vis-à-vis de l'utilisation du système CRF. Dans une première série d'expériences, nous avons constaté que les sujets mâles manifestaient un intérêt pseudo-social accru suscité par l'hostilité pendant le sevrage des opiacés, ce qui indiquait les effets à long terme de l'administration chronique de médicaments sur le fonctionnement social normal. Par ailleurs, les femelles ont manifesté moins d’intérêt social lors du sevrage aux opiacés, un phénotype qui reproduit plus facilement ce qui a été observé chez l’homme. Notamment, le déficit en récepteurs CRF1 a complètement sauvé ce dernier déficit social, ajoutant ainsi aux preuves croissantes liant le système CRF aux dysfonctionnements comportementaux induits par la substance. Dans une deuxième série d'expériences, nous avons étudié plus largement les effets initiaux de la morphine sur les activités « naturellement » gratifiantes. Nous avons constaté qu'une seule et même administration aiguë d'une dose relativement faible du médicament suffisait à la fois à générer une récompense cérébrale et à induire de profonds déficits en intérêt social et en motivation liée à l'alimentation, fournissant ainsi des preuves expérimentales initiales du « détournement » du cerveau. Il est intéressant de noter que l'administration systémique d'antalarmine, antagoniste du récepteur de la CRF, a complètement inversé ce dernier déficit social, ce qui indique que le système CRF joue un rôle essentiel dans la médiation de la diminution de l'intérêt suscité par les substances pour des activités rémunératrices «naturellement» et renforce la notion de potentiel thérapeutique du ciblage de la CRF. / The neurobiology underlying poor social behavior of opiate users and dependent individuals remains largely unknown, hampering the development of noveleffective therapies for opiate use disorders. However, recent pre-clinical evidence suggests that the corticotropin-releasing factor (CRF) system might be involved.In this light, we employed the three-chamber (3-CH) task and genetic/pharmacological approaches to assess the impact of morphine administrationand withdrawal upon social behavior in mice with regard to the CRF system. In a first set of experiments, we found that male subjects displayed increasedhostility-driven pseudo-social interest during opiate withdrawal, indicative of longlasting effects of chronic drug administration upon normal social functioning. On theother hand, female subjects displayed lower social interest during opiate withdrawal, a phenotype that more straightforwardly replicates what observed in humans.Notably, CRF1 receptor-deficiency completely rescued the latter social deficit, adding to the growing evidence linking the CRF system to substance-induced behavioraldysfunctions. In a second set of experiments, we investigated the initial effects of morphine more widely on naturally” rewarding activities. We found that a single, acuteadministration of a relatively low dose of the drug was sufficient to produce brain reward and at the same time to induce profound deficits in social interest and fooddriven motivation, providing initial experimental evidence of “hijacking” of brain reward systems by substances of abuse. Interestingly, systemic administration of the CRF receptor antagonist antalarmin completely reversed the latter social deficit, indicating a critical role of the CRF system in mediating substance-induced decreased interest for “naturally” rewarding activities and strengthening the notion of a therapeutic potential for CRF-targeting pharmacological agents.

Il existe différents types de mémoire chez l’homme et l’animal. Chez les mammifères, on distingue principalement une mémoire relationnelle/spatiale reposant sur l’hippocampe et le cortex préfrontal, et une mémoire procédurale/indicée dépendante du striatum. Lors de nouveaux apprentissages, ces systèmes interagissent de manière coopérative et/ou compétitive en fonction de la nature de la tâche. S’il est connu que les émotions négatives et le niveau d’entraînement modulent ces interactions, peu de travaux ont étudié le rôle des récompenses dans la sélection et l’utilisation de ces deux formes principales de mémoire. Nous avons utilisé deux versions du test de discrimination spatiale dans un labyrinthe en Y afin de d’évaluer la mémoire spatiale d’une part, et la mémoire procédurale d’autre part. Nos résultats montrent que la stimulation pharmacologique du système de récompense par auto-injection de morphine au niveau de l’aire tegmentale ventrale (ATV), perturbe de manière spécifique l’apprentissage spatial reposant sur le fonctionnement hippocampo-préfrontal Ce déficit spatial s’accompagne d’une forte réduction de l’activité du facteur de transcription CREB (cAMP Response Element Binding) au sein de ce réseau. Au contraire, l’apprentissage indicé est préservé et l’activation de CREB est potentialisée par l’utilisation d’une récompense pharmacologique (injections de morphine). Nous mettons en évidence que la suractivation de la voie PKA/CREB, dans le striatum dorsal, est la cause de l’interférence observée lors de la formation de la mémoire spatiale. De plus, la stimulation répétée du système de récompense par la drogue lors de l’acquisition d’une stratégie indicée entraîne une persistance de l’activité réverbérante de la voie PKA/CREB dans le striatum dorsal. Cette persistance peut être révélée par l’utilisation préférentielle d’une stratégie indicée dans une nouvelle tâche ambigüe, le test de compétition en piscine de Morris. L’ensemble de ce travail éclaire, grâce aux effets différentiels de récompenses sensorielles et pharmacologiques sur l’apprentissage, la compréhension des interactions dynamiques entre les systèmes de mémoire. De plus, il suggère que l’hyperassociativité persistante consécutive à l’usage de drogue est à l’origine de déficits de type déclaratifs qui pourraient jouer un rôle clé dans l’installation d’un comportement addictif. / There are different forms of memory proceeded in human’s and animal’s brain. At least two major systems can be defined. A spatial/declarative form of memory relies on the hippocampus and prefrontal cortex, and secondly, a more rigid, procedural/cued type of memory supported by striatal circuitry. Learning requires cooperative and/or competitive interactions between memory systems, depending on the nature of the task. It is well established that negative emotions and training modulate these interactions. However, little is known about the role of rewards on the selection and formation of these forms of memory.Using two versions (spatial or cue) of a Y-maze discrimination task, we show that drug reward, but not food reward, disrupts spatial learning while sparing the cued task. The spatial memory deficit relies on an decrease of CREB (cAMP Response Element Binding) activity within the hippocampus and the prefrontal cortex. Inhibition of the PKA/CREB signalling pathway restored spatial learning, suggesting that striatal overactivation of this pathway is responsible for the spatial memory deficit. The cued learning strategy elicits a strong CREB activitiy within the dorsal striatum which is further increased by morphine injections. We propose that drug-induced activation of the DA reward system induces abnormal reverberating activity of the PKA/CREB signalling pathway within the dorsal striatum, eventually leading to a preferential use of a striatum-dependent strategy during a new ambiguous learning task, the water maze competition task.In conclusion, our results points to a key role of rewards in the modulation of learning systems. Furthermore, we provide evidence that drug-induced striatal hyperactivity may underlie the declarative memory deficit reported here. This mechanism could represent an important early step toward the development of addictive behaviors by promoting conditioning to the detriment more flexible forms of memory.