La maladie de Parkinson (MP) est une maladie neurodégénérative qui se caractérise principalement par la présence de symptômes moteurs. Cependant, d’autres symptômes, dits non moteurs, sont fréquents dans la MP et assombrissent le pronostic; ceux ci incluent notamment les désordres du sommeil et les troubles cognitifs. De fait, sur une période de plus de 10 ans, jusqu’à 90 % des patients avec la MP développeraient une démence. L’identification de marqueurs de la démence dans la MP est donc primordiale pour permettre le diagnostic précoce et favoriser le développement d’approches thérapeutiques préventives. Plusieurs études ont mis en évidence la contribution du sommeil dans les processus de plasticité cérébrale, d’apprentissage et de consolidation mnésique, notamment l’importance des ondes lentes (OL) et des fuseaux de sommeil (FS). Très peu de travaux se sont intéressés aux liens entre les modifications de la microarchitecture du sommeil et le déclin cognitif dans la MP. L’objectif de cette thèse est de déterminer, sur le plan longitudinal, si certains marqueurs électroencéphalographiques (EEG) en sommeil peuvent prédire la progression vers la démence chez des patients atteints de la MP. La première étude a évalué les caractéristiques des OL et des FS durant le sommeil lent chez les patients avec la MP selon qu’ils ont développé ou non une démence (MP démence vs MP sans démence) lors du suivi longitudinal, ainsi que chez des sujets contrôles en santé. Comparativement aux patients MP sans démence et aux sujets contrôles, les patients MP démence présentaient au temps de base une diminution de la densité, de l’amplitude et de la fréquence des FS. La diminution de l’amplitude des FS dans les régions postérieures était associée à de moins bonnes performances aux tâches visuospatiales chez les patients MP démence. Bien que l’amplitude des OL soit diminuée chez les deux groupes de patients avec la MP, celle ci n’était pas associée au statut cognitif lors du suivi. La deuxième étude a évalué les marqueurs spectraux du développement de la démence dans la MP à l’aide de l’analyse quantifiée de l’EEG en sommeil lent, en sommeil paradoxal et à l’éveil. Les patients MP démence présentaient une diminution de la puissance spectrale sigma durant le sommeil lent dans les régions pariétales comparativement aux patients MP sans démence et aux contrôles. Durant le sommeil paradoxal, l’augmentation de la puissance spectrale en delta et en thêta, de même qu’un plus grand ratio de ralentissement de l’EEG, caractérisé par un rapport plus élevé des basses fréquences sur les hautes fréquences, était associée au développement de la démence chez les patients avec la MP. D’ailleurs, dans la cohorte de patients, un plus grand ralentissement de l’EEG en sommeil paradoxal dans les régions temporo occipitales était associé à des performances cognitives moindres aux épreuves visuospatiales. Enfin, durant l’éveil, les patients MP démence présentaient au temps de base une augmentation de la puissance spectrale delta, un plus grand ratio de ralentissement de l’EEG ainsi qu’une diminution de la fréquence dominante occipitale alpha comparativement aux patients MP sans démence et aux contrôles. Cette thèse suggère que des anomalies EEG spécifiques durant le sommeil et l’éveil peuvent identifier les patients avec la MP qui vont développer une démence quelques années plus tard. L’activité des FS, ainsi que le ralentissement de l’EEG en sommeil paradoxal et à l’éveil, pourraient donc servir de marqueurs potentiels du développement de la démence dans la MP. / Parkinson’s disease (PD) is a neurodegenerative disorder characterized principally by its motor symptoms. However, non motor symptoms are frequent in PD and are associated with a poorer prognosis; these include sleep disorders and cognitive impairments. Indeed, prospective studies have shown that over a 10 year period, up to 90% of PD patients will develop dementia. Therefore, identifying clinical risk factors or markers of dementia in PD is essential, notably for early diagnosis, but also to facilitate the development of preventive therapeutic approaches. There is increasing evidence for a relationship between sleep and cognition in normal and pathological aging. Electroencephalographic (EEG) events during non rapid eye movement (N REM), including sleep spindles and slow waves (SW), may contribute to brain plasticity, learning, and memory processes. However, very few studies have investigated the relationships between sleep changes and cognitive decline in PD. The objective of this thesis is to examine whether specific sleep EEG markers are associated with increased likelihood of developing dementia on prospective follow up assessment in PD patients. The first study evaluated baseline N REM sleep SW and spindle characteristics in PD patients according to their cognitive status (presence or absence of dementia) at follow up (mean 4,5 years), along with a group of healthy controls. Compared to PD patients who remained dementia free and controls, PD patients who developed dementia at follow up showed lower baseline spindle density, amplitude, and frequency. Lower spindle amplitude in posterior cortical regions was associated with poorer visuospatial abilities in demented PD patients. SW amplitude was lower in both PD groups at baseline, regardless of dementia status at follow up. The second study examined EEG spectral markers of dementia across three states of consciousness (N REM sleep, REM sleep, and wakefulness) in PD using power spectral analysis. PD patients who developed dementia at follow up showed lower N REM sleep sigma power in parietal areas compared to both PD patients who remained dementia free and controls. During REM sleep, PD patients who converted to dementia showed, at baseline, higher power in delta and theta bands and a higher EEG slowing ratio (increased slow to fast frequencies ratio) compared to PD patients who remained dementia free and controls. In both PD groups, higher slowing ratios in temporal and occipital regions during REM sleep were associated with poor performance on visuospatial tests. Finally, PD patients who later developed dementia showed lower dominant occipital frequency as well as higher delta and slowing ratio during wakefulness compared to PD patients who remained dementia free and controls. This thesis suggests that specific EEG alterations during sleep and wakefulness, mainly in posterior cortical regions, can identify PD patients who will later develop dementia. Sleep spindle activity, as well as REM sleep and wake EEG slowing, could thus serve as additional markers of cognitive decline in PD.

Le mépliement et l'agrégation des protéines sont à l'origine de nombreuses maladies neurodégénératives, dont la maladie de Huntington (HD) et la maladie de Parkinson (PD). Même si l’agrégation de différentes protéines liées à des maladies est bien documentée, on en sait peu sur l'interaction entre les protéines mal repliées et les cellules neuronales, qui leur permettent de se propager et affecter différentes régions du cerveau. L'objectif de ma thèse était de générer des modèles cellulaires rapporteurs de la huntingtine et l’α-synucléine, protéines dont le mauvais repliement et l'agrégation sont à l'origine de HD et PD respectivement, et utiliser ces modèles cellulaires pour étudier les interactions entre les agrégats et des lignées cellulaires de mammifères. Notre but c’était de documenter les propriétés de liaison et d’absorption de ces agrégats par les cellules rapporteuses, et les conséquences de leur internalisation pour les cellules. Deux modèles cellulaires de neuroblastome (SH-SY5Y et Neuro2A) et un modèle de cellules d’ostéoblastome (U2OS) exprimant la protéine fluorescente ChFP ont été générés pour HD. Pour simuler ce qui se passe au sein de neurones réels, des cellules de neuroblastome ont été induites à se différencier. Des différences de fixation, internalisation, nucléation de la protéine endogène et localisation finale des agrégats de polyglutamine internalisés ont été observées entre les cellules différenciées et non différenciées. Des cellules rapporteuses U2OS ont été utilisées pour déterminer les différences d’infectiosité entre des fibres de HttExon1 assemblés en présence ou en l’absence de la protéine de choc thermique constitutivement exprimée chez l'Homme Hsc70. Hsc70 a un effet protecteur car il rend les fibres moins infectieuses pour les cellules de mammifères en culture. Enfin, un modèle cellulaire de neuroblastome (Neuro2A) rapporteur pour PD exprimant l’α-synucléine fusionnée à la protéine ChFP a été utilisé pour déterminer des différences de liaison, pénétration, absorption, nucléation de la protéine endogène et persistance entre deux polymorphismes d’α-synucléine générés par notre équipe. L'hétérogénéité observée dans différents patients souffrant de synucléinopaties pourrait s'expliquer par différents polymorphes d’assemblages protéiques d’α-synucléine présents dans les cerveaux des malades, ce qui doit être pris en compte pour les développements thérapeutiques futurs.Ces modèles cellulaires rapporteurs pour différentes maladies sont un système valable pour l'étude de différents processus cellulaires liés à l'interaction entre les protéines agrégées exogènes et des cellules de mammifères en culture. Nos résultats indiquent un mécanisme commun par lequel les différentes protéines agrégées peuvent interagir avec des cellules en culture: les protéines mal repliées exogènes sont capables de se lier à des membranes cellulaires, les pénétrer, entrer dans l'espace intracellulaire et recruter des protéines endogènes solubles. Même si cela semble être un mécanisme générique pour des protéines infectieuses telles que la α-synucléine ou la huntingtine, des lignées cellulaires avec différents phénotypes montrent différences de vulnérabilité à la présence de protéines agrégées. Ceci suggère la présence de récepteurs spécifiques à la surface de la cellule capables de reconnaître des structures de type amyloïde. D'autres études sont nécessaires pour déterminer la nature de ces récepteurs et si sa modulation pourrait être utile pour contrôler la propagation des ces maladies dans le cerveau. / Protein misfolding and aggregation are at the origin of many neurodegenerative diseases, including Huntington’s disease (HD) and Parkinson’s disease (PD). Even if the aggregation of different disease-related proteins is well documented, little is known about the interaction between those misfolded proteins and neuronal cells that allow them to spread and affect several regions of the brain. The objective of my thesis was to generate reporter cellular models of huntingtin and α-synuclein, proteins whose misfolding and aggregation are at the origin of HD and PD respectively, and use these cell models for studying the interactions between misfolded protein aggregates and mammalian cell lines. We aimed to document the binding and uptake properties of those aggregates by reporter cells and the consequences of their internalization for the cells. Two neuroblastoma cell models (SH-SY5Y and Neuro2A) and an osteoblastoma cell model (U2OS) expressing the fluorescent protein ChFP were generated as mammalian reporter cell lines for HD. To mimic what happens in real neurons, neuroblastoma reporter cells were induced to differentiate. Differences in binding, internalization, nucleation of the endogenous protein and final localization of the internalized polyglutamine aggregates were observed between differentiated and undifferentiated cells. U2OS reporter cells were used for determining differences in the infectivity of HttExon1 fibrils assembled in the presence or in the absence of the constitutively expressed heat shock protein Hsc70, suggesting a protective effect of Hsc70, since it renders the fibrils less infectious to mammalian cells. Finally, a neuroblastoma reporter cell model (Neuro2A) of PD expressing α-synuclein fused to the fluorescent and reporter protein ChFP was used to determine the different binding, penetration, uptake, nucleation of the endogenous protein and persistence properties of two α-synuclein polymorphs generated by our team. The heterogeneity observed in different patients suffering from synucleinopathies could be explained due to different α-synuclein assemblies present in diseased brains, what needs to be taken into account for future therapeutic developments. These reporter cellular models for different diseases are a valid system for the study of different cellular processes related with the interaction between exogenous aggregated proteins and mammalian cells in culture. Our results indicate a common mechanism by which different aggregated proteins can interact with cells in culture: exogenous misfolded proteins are able to bind cell membranes, penetrate them, enter the intracellular space and recruit endogenous soluble proteins. Even if this seems to be a generic mechanism for infectious proteins such as α-synuclein or huntingtin, different cell lines or cell phenotypes show distinct vulnerability to the presence of aggregated proteins. This strongly suggests the presence of specific receptors at the surface of the cell able to recognize amyloid-like structures. Further investigations are needed to determine the nature of these receptors and whether their modulation might be helpful for controlling the spread of these diseases within the brain.

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

Depuis les années 60, la maladie de Parkinson est considérée comme une conséquence de la perte des neurones dopaminergiques de la substance noire pars compacta. Cependant, dans les modèles animaux de cette pathologie, la perte dopaminergique seule ne reproduit pas de façon simultanée les symptômes moteurs et non moteurs observés chez les patients. De plus en plus d’études suggèrent l’implication des systèmes noradrénergique et sérotoninergique à la fois dans la manifestation des symptômes mais aussi dans les effets secondaires de la L-Dopa et de la stimulation à haute fréquence (SHF) du noyau sous thalamique (NST). Le travail de cette thèse s’inscrit dans ce champ de recherche visant une meilleure compréhension de la physiopathologie et la thérapie de la maladie de Parkinson.Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés au rôle respectif des trois monoamines dans la manifestation des symptômes moteurs et non moteurs ainsi que dans l’activité pathologique de trois structures majeures des ganglions de la base, le NST, la pars reticulata de la substance noire et le globus pallidus. L’ensemble de nos résultats démontre que la perturbation des trois systèmes monoaminergiques joue un rôle important à la fois dans la manifestation des troubles moteurs et non moteurs mais aussi dans l’induction de l’activité électrique pathologique des neurones au sein des ganglions de la base. Dans un second temps, nous avons étudié l’efficacité des traitements antiparkinsoniens sur les troubles moteurs et non-moteurs induits par les différentes déplétions monoaminergiques. Nos résultats montrent que quand la déplétion dopaminergique est associée à la déplétion d’une autre monoamine la SHF du NST présente une efficacité moins importante que celle lors d’une déplétion en dopamine seule. Ceci permet d’expliquer le manque d’efficacité de ce traitement chez certains patients.Enfin, comme peu d’études se sont intéressées au rôle de la noradrénaline dans la modulation de l’activité neuronale au sein des ganglions de la base, nous avons étudié les effets d’agents noradrénergiques injectés localement dans le NST sur le comportement moteur et sur l’activité électrique des neurones du NST. Nos résultats montrent que la modulation noradrénergique au niveau du NST ne dépendait pas de l’innervation dopaminergique au sein des ganglions de la base. De plus, nous avons pu mettre en évidence que les récepteurs alpha1 modulent la fréquence de décharge, tandis que les récepteurs alpha2 jouent un rôle important dans la genèse de l’activité en bouffée des neurones du NST ce qui pourrait être á l’origine des déficits moteurs.Les résultats des travaux de cette thèse ont donc permis d’apporter de nouvelles évidences sur l’implication des trois systèmes monoaminergiques dans la physiopathologie des symptômes moteurs et non moteurs, dans l’activité pathologique des ganglions de la base ainsi que dans l’efficacité des traitements antiparkinsoniens. De plus, nous avons pu montrer que les récepteurs noradrénergiques alpha sont impliqués dans le contrôle de l’activité des neurones du NST et par conséquent dans le contrôle moteur. / The loss of dopamine (DA) nigro-striatal neurons has been the pathophysiological focus of the devastating conditions of Parkinson’s disease, but depletion of DA alone in animal models has failed to simultaneously elicit both the motor and non-motor deficits of PD. There is growing evidence that additional loss of locus coeruleus noradrenaline (NA) and dorsal raphe serotonin (5-HT) neurons in PD could be involved in the clinical expression of many of the observed deficits but also on the efficiency and on the side effects of antiparkinsonian treatments, L-Dopa and High Frequency Stimulation (HFS) of the subthalamic nucleus (STN).First, we focused on the respective role of DA, NA and 5-HT systems on motor and non-motor deficits and on the pathological activity of three basal ganglia nuclei, STN, substantia nigra pars reticulata and globus pallidus. Results of the present study bring new insights into the combined roles of the three monoaminergic systems in the motor and non motor symptoms of PD and also into the pathological activity of basal ganglia nuclei.Second, we studied the involvement of DA, NA and 5-HT depletions on the efficiency of L-Dopa and HFS of STN. Our results show that when DA depletion is combined with another monoamine depletion, STN HFS is less efficient compared to the situation when DA is depleted alone. These data provide a clear explanation on the lack of efficacy of this treatment in some operated parkinsonian patients.Finally, as few studies focused on NAergic modulation of basal ganglia, we studied the effects of NAergic agents locally injected into the STN on motor behavior and also on STN neuronal activity. We show that alpha 1 NAergic receptors are implicated in the modulation of firing rate and that alpha 2 receptors play an important role in the emergence of burst activity, which could be at the origin of motor deficits.Results of this thesis provide new evidences on the involvement of the three monoaminergic systems in motor and non motor symptoms and also in the efficiency of antiparkinsonian treatments. Moreover, we show that NAergic alpha receptors are implicated in the control of STN neuronal activity and consequently in the motor control.

La caractéristique neuropathologique majeure de la maladie de Parkinson (MP) est la perte progressive des neurones dopaminergiques (DA) de la substance noire (SN). Nous avons examiné si un dysfonctionnement aigu des EAATs pourrait contribuer au cercle vicieux entretenant la progression des pertes DA. Les effets du PDC, un inhibiteur substrat des EAATs, ont été analysés chez le rat. L'analyse cinétique (4-120 jours) des effets d'une seule injection intranigrale de PDC montre une perte progressive spécifique des neurones DA, avec une évolution unilatérale vers bilatérale et caudo-rostrale. Le processus dégénératif associe déplétion en glutathion et augmentation de l'activité de la γ-glutamyltranspeptidase, stress oxydatif, processus excitotoxiques, autophagie et réactivités gliales. L'antioxydant N-acétylcystéine et les antagonistes des récepteurs NMDA ifenprodil et mémantine exercent un effet neuroprotecteur. Des effets compensatoires transitoires au niveau de marqueurs de la fonction DA dans la SN et le striatum accompagnent la perte cellulaire et des dystrophies axonales. Des troubles moteurs apparaissent de façon tardive lorsque la perte neuronale ipsilatérale avoisine les 50%. Ces résultats montrent un lien fonctionnel entre dysfonctionnement des EAATs et plusieurs mécanismes pathogéniques ainsi que des caractéristiques neuropathologiques majeures de la MP, et fournissent le premier modèle progressif de la maladie induit de façon aiguë. / Parkinson's disease (PD) is characterized by the progressive degeneration of substantia nigra (SN) dopaminergic neurons. Central players in PD pathogenesis, including mitochondrial dysfunction and oxidative stress, might affect the function of excitatory amino acid transporters (EAATs). Here, we investigated whether acute EAATs dysfunction might in turn contribute to the vicious cycles sustaining the progression of dopamine neuron degeneration. PDC application on nigral slices triggered sustained glutamate-mediated excitation selectively in dopamine neurons. In vivo time-course study (4-120 days) revealed that a single intranigral PDC injection triggers progressive degeneration of exclusively dopamine neurons with unilateral to bilateral and caudorostral evolution. This degenerative process associates GSH depletion and specific increase in γ-glutamyltranspeptidase activity, oxidative stress, excitotoxicity, autophagy and glial reaction. The anti-oxidant N-acetylcysteine and the NMDA receptor antagonists ifenprodil and memantine provided significant neuroprotection Transient compensatory changes in dopamine function markers in SN and striatum accompanied cell loss and axonal dystrophy. Motor abnormalities (hypolocomotion and forelimb akinesia) showed late onset, when ipsilateral neuronal loss exceeded 50%. These findings outline a functional link between EAATs dysfunction and several PD pathogenic mechanisms and pathological hallmarks, and provide the first acutely-triggered rodent model of progressive parkinsonism.

L’excès de synchronisation dans le réseau cortico-sous-cortical est une caractéristique majeure de la maladie de Parkinson. La stimulation cérébrale profonde (DBS) à haute fréquence (HF) des ganglions de la base modifie ces synchronies et améliore significativement les troubles moteurs. Il n’était pas encore connu si l’excès de synchronisation dans le cortex moteur primaire (M1) est présent avant les signes moteurs et si la modulation antidromique des réseaux corticaux via la stimulation HF de la voie hyperdirecte cortico-subthalamique suffit à le désynchroniser. Nous avons étudié la synchronisation des activités spontanées dans M1 de souris juvéniles PINK1 -/-, modèle génétique de Parkinson (PARK6) par imagerie calcique bi-photonique in vitro et l’avons comparée à celle de souris contrôle (P14-P16). Nous avons testé l’impact de la stimulation HF des fibres cortico-subthalamiques (région subthalamique) sur ces synchronies corticales. A un stade précoce, les réseaux M1 présentent un excès de synchronisation et, dans notre modèle de tranche, la DBS HF normalise le patron de synchronisation, plaidant pour un rôle primordial de la modulation antidromique de l’activité corticale via la voie hyperdirecte. En conclusion, nous proposons, grâce à ce modèle génétique progressif, que (1) des activités de réseau pathologiques sont présentes dans M1 bien avant les premiers signes moteurs et (2) que la modulation par voie antidromique de ces réseaux corticaux est un mécanisme essentiel d’action de la DBS HF. Ces résultats montrent qu’une pathologie dégénérative est détectable très tôt dans le développement (neuroarchéologie) mais ne s’exprimer somatiquement que tardivement. / The excess of synchronization of neuronal activities within the cortico-basal ganglia network is a hallmark of the pathophysiology of Parkinson’s disease. High frequency deep brain stimulation (DBS) applied to various basal ganglia nuclei dampens the synchronized activity in the whole network, and brings about a significant motor improvement. However it is not to date established whether an early presymptomatic abnormal pattern of synchronization is present in the primary motor cortex long before motor signs, nor whether its antidromic modulation via the hyperdirect cortico-subthalamic pathway is sufficient to remove its excess of synchronization. To answer these questions we studied the synchronization of spontaneous activities in the primary motor cortex of PINK-/- mice (genetic rodent model of Parkinson’s (PARK6), a progressive model) and compared it with age-matched control mice (P14-16 (wild-type)) by means of two-photon calcium imaging. Secondly, we analyzed in vitro the impact of the high frequency stimulation of cortico-subthalamic fibers on the pattern of synchronization of cortical networks. We show that, (1) at an early stage of development, there is an excess of synchronized activity in primary motor cortical networks and that, (2) antidromic modulation of cortical activity is a key mechanism to account for the normalization of hyper synchronized activity. These results show that a neurodegenerative adult pathology may begin early during development (neuroarcheology) though clinical signs appear late in adulthood. Moreover, antidromic invasion of a network seems to be a key mechanism of deep brain stimulation.

A travers ce projet de recherche nous avons exploré différents aspects d’une dérégulation du système dopaminergique sur les troubles du repos, en prenant pour exemple deux maladies neurologiques : la maladie de Willis-Ekbom (MWE) et la maladie de Parkinson (MP). La MWE est une maladie neurologique sensorimotrice caractérisée par des douleurs dans les membres inférieurs, s’accompagnant d’un besoin irrépressible de bouger et ce, suivant un profil circadien. Ainsi, le premier volet de ces travaux s’est appliqué à reproduire chez le macaque, les principales altérations du métabolisme du fer et de celui de la dopamine reportées dans la MWE. Tout d’abord, nous avons établit les bases physiologiques des variations circadiennes des concentrations du fer et de ses biomarqueurs au niveau central et périphérique. Puis, nous avons développé un protocole simple, uniquement basé sur des prélèvements sanguins répétés, permettant d’induire efficacement une déplétion en fer sérique et de ses protéines associées. Finalement, ce protocole nous a permis d’explorer les liens entre l’altération de l’homéostasie du fer au niveau du système nerveux central, les perturbations neurochimiques dans différentes structures cérébrales ainsi que les modifications locomotrices qui en résultent. Le second volet de cette thèse a testé l’impact des agonistes des récepteurs dopaminergiques de type D1 (SKF38393) et D2 (quinpirole), sur les troubles du sommeil dans un modèle macaque de la MP, à l’aide d’enregistrements polysomnographiques. Pour cela, nous avons évalué les effets de ces agents pharmacologiques sur l’émergence de la somnolence diurne et sur l’altération du sommeil paradoxal, induits par une intoxication au MPTP. Nos résultats mettent en évidence que le quinpirole est inefficace pour restaurer les niveaux de base de ces deux paramètres. En revanche, le SKF38393 permet une diminution notable de la somnolence diurne ainsi qu’une restauration du sommeil paradoxal. Finalement, les perturbations monoaminergiques liées à la déplétion en fer ouvrent de multiples perspectives de recherche sur la physiopathologie de la MWE. De même, l’amélioration des troubles veille-sommeil par l’agoniste des récepteurs D1, offre de nouvelles pistes thérapeutiques quant à la prise en charge des troubles du repos dans la MP. L’ensemble de nos résultats apporte un niveau de compréhension supplémentaire quant au rôle de la dopamine dans les altérations du repos. / During this thesis project we explored several aspects of the impact of a dopaminergic system dysregulation on the rest alterations, through two neurological diseases: the Willis-Ekbom’s disease (WED) and Parkinson’s diseases (PD). The WED is a neurological sensorimotor disorder mainly characterized by pain in lower limbs. It preferentially appears in the evening and transiently and partially is alleviated by motor activity. Thus, the first part of this work aimed at reproducing the main dysfunctions of the iron and dopaminergic metabolisms observed in WED, in the macaque monkey. We first established the circadian variations of iron-indicator concentrations in serum and cerebrospinal fluid. Then we developed a rapid protocol based on repeated blood withdrawals, allowing to efficiently induce serum iron depletion. Finally, this protocol enabled us to investigate the relationship between iron metabolism dysfunctions, neurochemical alterations and the subsequent locomotor behavioural changes. In the second part, of this research project we examined the impact of selective D1 (SKF38393) and D2 (quinpirole) receptor agonists on the sleep impairments in a macaque model of PD using the polysomnographic recording technique. Thus we investigated the effects of these two pharmacological compounds on the daytime sleepiness and on the paradoxical sleep induced by MPTP intoxication. Our results demonstrated the inefficacy of quinpirole to restore these two altered sleep parameters. By contrast, SKF38393 significantly decreased daytime napping and substantially restored paradoxical sleep. Finally, the monoaminergic dysregulations, induced by iron depletion, may offer multiple perspectives to unravel the WED pathophysiology. In the same line, the beneficial effects exhibited by the D1 receptor agonist bring new therapeutic avenues to treat sleep-wake disorders in PD. Together, the global results bring new insights in the underlying mechanisms of sleep impairment involving dopamine.

Le gène split end (spen) est impliqué dans de nombreuses voies de signalisation et processus biologiques. Durant ma thèse j'ai étudié le rôle de spen dans la mort cellulaire au cours du développement de la rétine de la Drosophile. L'œil de Drosophile est composé de centaines d'unités appelées ommatidies. Chaque ommatidie est composée de huit photorécepteurs entourés de cellules accessoires comprenant quatre cellules cônes et deux cellules pigmentaires primaires, ainsi que douze cellules interommatidiales. Les cellules interommatidiales adoptent une structure hexagonale parfaitement régulière. Des cellules interommatidiales en excès doivent être éliminées par apoptose au cours du développement. J'ai montré que la modulation de spen modifiait radicalement le patron des cellules interommatidiales. L'inactivation de spen conduit à un défaut de cellules interommatidiales alors que sa surexpression entraîne un excès de ces cellules. Ces résultats témoignent d’un rôle anti-apoptotique de spen. Nous avons aussi montré que la perte des cellules interommatidiales dans un contexte mutant pour spen pouvait être entièrement sauvée en exprimant la protéine p35 connue pour bloquer l'activité des caspases. Comme spen est exprimé de manière ubiquitaire, nous avons cherché à déterminer dans quelles cellules spen jouait son rôle de régulateur de la mort cellulaire. Grâce à une analyse clonale, nous avons pu montrer que c'est au niveau des cellules cônes que spen agit. L'inactivation de spen dans les autres cellules accessoires de l'œil n'influence pas la mort des cellules interommatidiales. Nous avons en outre, montré que spen avait un rôle dans la formation des soies de chaque ommatidie. Ces travaux mettent en évidence un rôle de spen dans le contrôle de la mort cellulaire des cellules interommatidiales dans les cellules cônes. Nos résultats montrent, par ailleurs, que spen serait requis pour le relarguage du facteur de survie Spitz (le ligand activateur de la voie EGF) à partir des cellules cônes. En parallèle, nous avons étudiés le rôle de survie de spen dans un modèle neurodégénératif. Nous avons montré que spen était nécessaire dans les cellules gliales pour la résistance au stress oxydatif. De manière intéressante, nous avons trouvé que l'inactivation de spen dans la glie diminuait l'activité de la voie de signalisation NOTCH. Cette résistance pourrait se faire via la modulation de gènes antioxydants. De manière générale, nos travaux démontrent un rôle du gène split ends dans la survie cellulaire. Ce facteur agit de manière non-autonome à partir des cellules supports de différents organes. / In metazoan, the successful development of many organs requires the elimination of supernumerary cells by apoptosis. For example, the elimination of about two thousand interommatidial cells (IOCs) during Drosophila eye development allows the precise rearrangement of ommatidia in a perfect hexagonal array. Maximal apoptosis occurs during pupal life and the remaining IOCs differentiate into secondary and tertiary pigment cells. The precise removal of unwanted IOCs requires coordinated activation of Notch (pro-death) and EGF (pro-survival) pathways. IOCs undergoing apoptosis express the IAP inhibitor Hid, which leads to the activation of initiator and effector caspases. However, the mechanisms that coordinate the death and survival pathways for timed and precise IOC removal are poorly understood.Here, we report that spen encodes a nuclear protein expressed in the pupal eye that is required for IOC survival. We showed that the inhibition of spen, by either RNAi or in spen mutant clones resulted in disorganized ommatidia with missing IOCs. Moreover, overexpression of spen leads to extra IOCs. These results indicate that spen expression promotes IOC survival during eye development. Importantly blocking apoptosis prevents the loss of IOC in a spen mutant retina. Spen is a protein known to be ubiquitous in tissue during development. Indeed, we have shown using an enhancer trap line that spen is expressed in all the cells in the eye pupal disk. To better understand where spen is acting from in this tissue to regulate cell death, we performed a clonal analysis. We found that the inactivation of spen in the cone cells was causing the loss of IOC, indicating that spen is required non-autonomously in cone cell for IOC survival. In parallel we have shown that the inactivation of spen was disrupting eye bristles morphology. Even if studies discuss the role of bristles in the regulation of developmental apoptosis in this context, our clonal analysis excluded this possibility. Furthermore, we found that spitz, the EGFR ligand, accumulate in cone cells upon spen inactivation. Our current hypothesis is that spen is likely to be required for the release of Spitz from the cone cells in order to active the survival signaling pathway EGFR in the IOCs. Also, we examined the protective role of spen in a chemical model of Parkinson disease (paraquat treatment). We showed that the glial expression of spen is protective in this context, which suggest against that spen acts non-autonomously. Interestingly we found that the inactivation of spen in glia downregulates the Notch signaling pathway. Spen is likely to be a key factor integrating cues from different signaling pathways to promote cell survival.