L'analyse protéomique du tissu cérébral pathologique dans la maladie de Parkinson (MP) est un enjeu majeur à l'identification des causes moléculaires de la dégénérescence en vue de développer des thérapies curatives. Jusqu'à présent, les études chez l'humain se sont limitées à l'analyse du cerveau post-mortem, trop souvent représentatif d'un stade très avancé de la maladie et potentiellement altéré par différents facteurs. Dans ce travail, nous avons exploité l'accès temporaire au cerveau parkinsonien durant l'implantation d'électrodes de stimulation, pour obtenir une information moléculaire du tissu cérébral, in vivo et à un stade moins avancé de la maladie. Afin d'optimiser notre stratégie, nous avons ensuite développé un outil dédié à la capture tissulaire dont l'efficacité et le caractère non lésionnel ont été validés in vivo chez le primate. Ce travail permet d'envisager l'analyse protéomique du cerveau parkinsonien « vivant » afin d'identifier les causes moléculaires de la MP. En revanche, cette approche tissulaire n'est pas envisageable pour un diagnostic en routine clinique. Aussi, de nombreux groupes s'intéressent à l'analyse protéomique du LCR en vue d'identifier des marqueurs diagnostiques. Dans cette optique, nous avons mis au point une stratégie, basée sur l'utilisation de nanoparticules (NPs) fonctionnalisées qui a permis un enrichissement considérable des profils protéiques observés en spectrométrie de masse. La reproductibilité et la possibilité d'automatiser intégralement la préparation des échantillons font de notre approche une solution adaptée à la recherche de marqueurs moléculaires diagnostiques de la MP dans le LCR. Nous avons aussi démontré l'intérêt de notre approche pour l'analyse protéomique du plasma et du globule rouge. Enfin, nous avons évalué la possibilité d'utiliser ces NPs in vivo, pour une capture des protéines directement dans la circulation sanguine. / Proteomics analysis of pathological brain tissue in Parkinson's disease (PD) is of great importance to understand the molecular aetiology of degeneration and to develop curative treatments. To date, published studies have been restricted to the analysis of human post-mortem tissue samples, frequently derived from advanced disease stage and potentially altered by several factors. In this project we took advantage of the temporary access to PD patient's brain during electrode implantation to obtain in vivo molecular information from cerebral tissue at earlier stage of the disease. We further developed a dedicated tool to improve our tissue harvesting approach, and validated its efficiency and non-lesion effects in vivo in monkeys. This work opens the way to the proteomic analysis of fresh human brain samples to elucidate molecular causes of degeneration in PD. However such tissue investigation approach remains invasive and cannot be used in routine clinical screening for PD diagnosis. Proteomics analysis of cerebrospinal fluid (CSF) constitutes a promising alternative to identify neuropathological diagnosis markers. For this purpose, we developed a nanoparticle-assisted strategy enabling the enrichment of CSF proteins detection by mass spectrometry. Reproducibility and high throughput potentiality of our approach demonstrate its compatibility with clinical proteomics for PD diagnosis biomarker research in CSF. We also demonstrated the interest of this NP strategy for plasma and red blood cells proteome analysis. Finally, we evaluated the ability to use these NPs for in vivo protein harvesting in blood.

Dans ce travail de thèse, nous avons modélisé le rôle de la dopamine dans l'apprentissage et dans les processus de sélection de l'action en lien avec les ganglions de la base. L'activité des neurones dopaminergiques présente de nombreuses similarités avec l'erreur de prédiction de la récompense utilisée par les algorithmes d'apprentissage par renforcement. Ainsi, ces neurones sont supposés guider le processus de sélection de l'action.Dans une première partie, nous avons analysé l'information encodée par les neurones dopaminergiques dans une tâche à choix multiples en la comparant à différentes informations utilisées par les modèles d'apprentissage par renforcement. Nos résultats suggèrent que l'information encodée par les neurones dopaminergiques enregistrer dans la tâche n'est que partiellement compatible avec une erreur de prédiction et semble en partie dissociée du comportement.Dans une deuxième partie, nous avons simulé l'effet de la dopamine sur un modèle des ganglions de la base prenant en compte des connections existant chez le primate, souvent négligées dans la littérature. La plupart des modèles actuels font en effet l'hypothèse d'une séparation stricte de deux chemins dans les ganglions de la base : le chemin direct lié à la récompense et le chemin indirect lié à la punition. Cependant des études anatomiques remettent en question cette dissociation, en particulier chez le primate. Nous proposons ainsi d'étudier comment différents niveaux de dopamine, dans le contexte de la maladie de Parkinson, affectent l'apprentissage et la sélection de l'action dans ce modèle / In this thesis work, we modelled the role of dopamine in learning and in the processes of action selection through its interaction with the basal ganglia. During the 90’s, the work of Schultz and colleagues has led to major progress in understanding the neural mechanisms underlying the influence of feedback on learning. The activity of dopaminergic neurons exhibited properties of the reward prediction error signal used in so-called Temporal Difference (TD) machine learning algorithms. Thus, DA has been thought to be the neural signal that help us to adapt our behavior. In the first part of my PhD, we analyze the information encoded by dopaminergic neurons recorded during a multi-choice task. In this purpose, we modeled the task and simulated different TD learning algorithms to quantitatively compare their ability to reproduce dopamine neurons activity. Our results show that the information carried out by dopamine neurons is only partly consistent with a reward prediction error and seems to be dissociated from behavioral adaptation.In the second part of my PhD, we study the effect of different levels of dopamine in a biologically plausible model of primates basal ganglia that considers existing connections often neglected in the literature. Indeed, most of current models of basal ganglia assume the existence of two segregated pathway: the direct pathway associated with reward and the indirect pathway associated with punishment. However, anatomical studies in primates revealed that these two pathways are not dissociated. We study the ability of such a model to reproduce beta oscillations observed in Parkinsonian and the differences in reward and punishment sensitivity, with high or low-level of dopamine.

L’objectif de cette recherche est d’étudier les processus d’activation et d’inhibition lexico-émotionnelles dans le vieillissement. Plusieurs études suggèrent un déficit des processus d’activation et d’inhibition lexicales lors de l’avancée en âge. Cependant, de nombreux travaux évoquent l’hypothèse d’une meilleure régulation émotionnelle dans le vieillissement visant à maintenir un bien-être subjectif constant. Ce maintien du bien-être subjectif entrainerait chez les adultes âgés, une sensibilité accrue envers les stimuli positifs tandis que les stimuli négatifs seraient désengagés. Dans cette thèse, il s’agit de préciser les processus d’activation et d’inhibition lexico-émotionnelles en présence d’un contexte fortement prédictible lors de tâches impliquant la complétion de phrases (Expérience 1, 2a) ou la reconnaissance des mots (Expérience 3a). Globalement, les résultats suggèrent une atteinte conjointe des processus d’activation et d’inhibition lexicales chez les adultes âgés comparés aux adultes jeunes, ainsi qu’un traitement privilégié de la valence positive des mots, tandis que les mots négatifs semblent désengagés. Dans un second temps, nous avons testés l’hypothèse d’une mobilisation de l’attention spécifique en fonction de l’âge et de la valence des mots à un niveau automatique (Expérience 4, 5a) ainsi que lors de la mobilisation attentionnelle volontaire (Expérience 6). Les résultats suggèrent une mobilisation attentionnelle à un niveau automatique mais aussi contrôlé envers les stimuli positifs dans le vieillissement normal. Dans l’ensemble, les données obtenues sont compatibles avec la littérature suggérant chez les adultes âgés une diminution de l’efficience des processus d’activation et d’inhibition lexicales, ainsi qu’une régulation émotionnelle effective qui s’étend au domaine du langage. La compréhension des processus lexico-émotionnels dans le vieillissement normal pourrait être étendue aux pathologies du vieillissement telle la maladie de Parkinson (Expériences 2b, 3b et 5b) afin de mieux comprendre le rôle et l’évolution du système affectif dans ces pathologies. / The aim of this research is to study lexico-emotional processes of activation and inhibition in aging. Studies suggest that normal aging is characterized by lexical activation and inhibition impairment. Nonetheless, recent findings showed that emotional regulation tend to enhance with aging in order to maintain subjective well-being effective. This subjective well-being could enhance sensitivity in older adults toward positive stimuli whereas negative ones could be disengaged. We investigate lexico-emotional activation and inhibition processing with high predictable sentence context in a sentence completion task (Experiment 1, 2a) and in word recognition (Experiment 3a). As a whole, results indicate in older adults both activation and inhibition impairment, and also better performances toward positive stimuli whereas negative ones seem to be disengaged compared to younger ones. Furthermore, we hypothesized an automatic attention allocation (Experiment 4, 5a) and a voluntary attention allocation (Experiment 6) toward positive stimuli than negative. Results obtained reported an attentional bias toward positive stimuli in aging. Generally, it seems that our results are in line with literature concerning both-damage of lexical activation and inhibition processes, and also in the enhancement of positive stimuli treatment in aging. Understanding of lexico-emotional processing in normal aging could be extended to pathology like Parkinson’s disease (Experiments 2b, 3b and 5b) in order to understand affective system role’s in pathological aging.

La maladie de Parkinson (MP) est caractérisée par une dégénérescence des neurones dopaminergiques de la substance noire. Elle est le plus souvent sporadique mais des formes familiales monogéniques existent, notamment dues à des mutations de PARK2 et de PINK1. Ces gènes codent pour l'ubiquitine-protéine ligase cytosolique Parkine et la sérine/thréonine kinase mitochondriale PINK1, deux acteurs majeurs du contrôle de qualité mitochondrial. Ce travail étudie le rôle de leur interaction au niveau de la membrane mitochondriale externe dans la régulation de l'homéostasie mitochondriale.Nous avons montré que l'association de PINK1 et Parkine au complexe d'import mitochondrial TOM lors d'un stress mitochondrial permet l'import de la grande majorité des protéines adressées à la mitochondrie ; que déstabiliser ce complexe suffit à initier la mitophagie ; et que l'activation de Parkine par PINK1 facilite l'import de son substrat HSD17?10. Nous avons développé un biosenseur moléculaire inductible, permettant d'étudier la voie d'import classique des protéines à pré-séquence. Nous avons également montré, dans un modèle neuronal, qu'un stress mitochondrial, en présence de Parkine, induit une forte augmentation de l'expression de gènes clés de la biogenèse mitochondriale ; et que ces gènes sont up-régulés de façon basale dans les neurones PARK2-/-, indiquant une possible altération de la réponse aigüe au stress.Ces résultats approfondissent notre connaissance de la physiopathologie des formes autosomiques récessives de MP en soulignant l'importance de la voie PINK1/Parkine dans l'import et la biogenèse mitochondriaux. / Parkinson’s disease (PD) is linked to a specific loss of dopaminergic neurons of the substancia nigra. The disease is most often sporadic but familial monogenic forms exist, for example due to mutations in PARK2 or PINK1. Those genes encore the cytosolic ubiquitin-protein ligase Parkin and the mitochondrial serine/threonine kinase PINK1, both essential for mitochondrial quality control. This work studies the role of their interaction at the outer mitochondrial membrane in the regulation of mitochondrial homeostasis. We found that the association of PINK1 and Parkin to the mitochondrial import TOM complex during mitochondrial stress induces the import of most proteins targeted to mitochondria; that destabilizing this complex is sufficient to initiate mitophagy; and that Parkin activation by PINK1 facilitates the import of its substrate, HSD17β10. We developed an inducible BRET-based molecular biosensor to study the classical pre-sequence import pathway. We also found, in a neuronal model, that mitochondrial stress induced a strong increase in the expression of mitochondrial biogenesis key genes, in the presence of Parkin; and that these genes are basally up-regulated in PARK2-/- neurons, possibly reflecting an alteration of acute stress response. These results increase our understanding of the pathophysiology of autosomal recessive forms of PD, underlining the importance of the PINK1/Parkin pathway in mitochondrial import and biogenesis.

La maladie de Parkinson est une maladie neurodégénérative dont la physiopathologie fait intervenir des causes génétiques qui contribuent non seulement aux formes familiales mais aussi au développement des formes sporadiques, les plus fréquentes, en interagissant sans doute alors avec des facteurs environnementaux. La découverte des déterminants génétiques a permis d’identifier plusieurs mécanismes moléculaires contribuant au développement de la maladie. Ils en ont démontré le caractère complexe. Pour mieux comprendre l’étendue des perturbations moléculaires liées à la maladie, nous avons entrepris des analyses globales du transcriptome par le biais de puces ou de séquençage des ARNs (RNAseq) à partir de cellules mononuclées périphériques sanguines de patients présentant des formes génétiques et sporadiques de la maladie ainsi que de sujets sains.Nous avons identifiés la dérégulation de nombreux gènes dans les cellules mononuclées périphériques sanguines de sujets porteurs de la mutation G2019S de LRRK2 et de sujets sporadiques par rapport à des sujets sains appariés. L’analyse des voies et des processus cellulaires associés à ces gènes met en exergue une altération de la voie de signalisation EIF2 commune aux sujets porteurs de la mutation G2019S de LRRK2 et aux sujets sporadiques. Cette voie fait écho à la régulation de la traduction et de l’épissage, deux processus faisant partie du métabolisme des ARNs. Ces altérations sont retrouvées dans les cellules mononuclées périphériques sanguines de sujets parkinsoniens porteurs de mutations du gène ATXN2, essentiellement connu pour son rôle dans la stabilité, l’épissage et la traduction des ARNm. Cette perturbation des ARNs semble être une altération commune à l’ensemble des formes de maladie de Parkinson étudiées et pourrait donc être un mécanisme sous-tendant la maladie.Les résultats du séquençage des ARNs obtenus chez des parkinsoniens présentant une forme sporadique ou porteurs de mutations délétères ainsi que chez des sujets sains corroborent cette hypothèse en montrant d’une part des différences quantitatives et qualitatives de variants d’épissage au sein d’ARNm eux-mêmes impliqués dans le métabolisme des ARNs et d’autres part des variations de l’épissage de gènes impliqués dans des mécanismes moléculaires connus de la maladie.Ainsi, nos données s’inscrivent dans la dynamique physiopathologique actuelle qui fait état de nombreuses perturbations du métabolisme des ARNs dans les maladies neurodégénératives. Dans la maladie de Parkinson, ces défauts impliqueraient des variations quantitatives et qualitatives de variants d’épissage au sein de gènes liés à l’épissage mais aussi dans des mécanismes connus pour contribuer à la maladie. Une analyse approfondie de ces dérèglements devraient permettre de déterminer leur spécificité et d’évaluer leur potentiel en tant que marqueurs de la maladie et cibles thérapeutiques. / Parkinson’s disease is a neurodegenerative disorder with genetic determinants not only contributing to rare familial forms of the disease but also involved in prevalent sporadic forms by interacting with environmental factors. Thanks to the identification of these determinants, several molecular mechanisms contributing to the disease have been found highlighting also its complexity. In order to better understand the molecular perturbations underlying the disease, we performed whole transcriptome analyses using microarrays and RNA sequencing (RNAseq) from peripheral blood mononuclear cells of Parkinson’s disease patients with genetic and sporadic forms of the disease as well as healthy controls.We identified several dysregulated genes in the cells of Parkinson’s disease patients with a G2019S LRRK2 mutation and sporadic patients compared to healthy controls. Pathways and cellular processes related to those genes mainly display disturbances of EIF2 signaling common to G2019S LRRK2 mutation carriers and sporadic patients. These data pinpoint potential perturbations of translation and RNA splicing both related to RNA metabolism. Involvement of RNA metabolism is also observed in peripheral blood mononuclear cells of Parkinson’s disease patients carrying mutations of ATXN2 gene encoding for ataxin-2 protein. It is mainly known as a regulator of the stability, the splicing and the translation of mRNA. Such RNA-mediated perturbations seem to be a common to all forms of Parkinson’s disease and might be a physiological mechanism of the disease. RNAseq data from Parkinson’s disease patients having or not deleterious mutations are in agreement with this hypothesis showing quantitative and qualitative discrepancies of splicing variants inside genes involved in RNA metabolism but also in known molecular pathways of the disease.As a conclusion, our results support the current view of RNA metabolism association with neurodegenerative disorders. In Parkinson’s disease, those alterations could involve quantitative and qualitative variations of splicing variants inside genes involved in RNA metabolism but also in known perturbed molecular pathways of the disease. Further analyses of these dysregulations should be helpful to determine their specificity and evaluate their potential as biomarkers and therapeutic targets.

La maladie de Parkinson est une maladie neuro-dégénérative d'hypo-motricité. Des facteurs génétiques et environnementaux ont été mis en évidence dans son apparition. Les traitements reposent sur une approche pharmacologique ou chirurgicale. Le traitement par stimulation cérébrale profonde (SCP) mis au point par le Professeur Benabid a démontré son efficacité.<br />L'objectif de cette étude est de comprendre les mécanismes d'action de la SCP. Nous avons montré, par une étude du transcriptome par micro-array, que la stimulation électrique à haute fréquence provoque un profil d'expression génique propre. Les modifications de l'expression génique portent essentiellement sur des gènes de la synthèse et dégradation protéique ainsi que de la transcription et maturation des ARN. L'importance des contrôles qualités est mise en avant et nous présentons des moyens d'améliorer la reproductibilité des résultats de micro-array. L'étude a été poursuivi par une approche de l'expression protéique par incorporation de méthionine marquée et par spectrométrie de masse SELDI-TOF. Les résultats montrent une diminution significative de l'expression protéique lors de la stimulation électrique.

La maladie de Parkinson constitue un modèle de fonctionnement et d'étude des ganglions de la base (GB). Le traitement par stimulation du noyau subthalamique (NST) offre l'opportunité d'enregistrer in vivo l'activité électrophysiologique des potentiels de champs locaux dans les fonctions mettant en jeu les boucles motrice, préfrontale dorsolatérale et limbique des GB. L'akinésie est associée à une hypersynchronisation dans la bande de fréquence bêta prédominant dans la partie dorsolatérale du NST, corrélée au degré d'akinésie. Les tâches de prise de décision et d'inhibition sont associées à une activité bêta différente des tâches de préparation et d'attente réflexe. L'altération de la perception de stimuli à contenu émotionnel est associée à un défaut de synchronisation alpha. La lévodopa module partiellement ces activités oscillatoires. Une balance entre les activités alpha, bêta et gamma constituerait le mode de fonctionnement normal des réseaux neuronaux.

La maladie de Parkinson est la seconde maladie neuro-dégénérative la plus fréquente à travers le monde. Dans ce contexte, le projet de recherche associé à cette thèse vise à améliorer le traitement symptomatique de la maladie de Parkinson, par le développement de procédés de stimulation cérébrale profonde adaptative. Le travail de cette thèse repose sur la conception d'un ASIC d'enregistrement et de traitement de signaux neuronaux, répondant à divers enjeux :un traitement continu et en temps réel focalisé sur des bandes spécifiques très basses-fréquences et largement configurables. L'objectif est d'utiliser l'information traitée pour le contrôle et la génération d'un signal de stimulation. Cet ASIC a été développé, caractérisé électroniquement et utilisé dans un contexte in vivo. Un système en boucle fermée a été réalisé à partir de cet ASIC, se montrant fonctionnel. Ces validations expérimentales in vivo ouvrent de nombreuses possibilités d'investigation du concept de stimulation cérébrale en boucle fermée.

Les troubles de la marche constituent chez la personne âgée un problème de santé publique. Dans l'hypothèse d'un continuum vieillissement normal/maladie de Parkinson, cette dernière pourrait se révéler un bon modèle d'étude des mécanismes physiopathologiques sous-jacents aux troubles de la marche. Leur réponse à la lévodopa et à la stimulation du noyau subthalamique, souvent hétérogène, reflète l'existence d'un système de contrôle multiniveaux. En particulier, le système cholinergique dévoile de plus en plus son importance dansla survenue des troubles de la marche lévodopa-résistants. En témoigne, l'existence d'un lien entre syndrome dysexécutif et freezing de la marche lévodopa-résistant. De plus, la préservation des fonctions exécutives chez certains patients en appelle à l'existence d'autres mécanismes pouvant impliquer notamment la région du noyau pédonculopontin. Nous rapportons un effet net de sa stimulation sur le freezing et les chutes reliées au freezing chez certains patients. Les résultats apparaissent toutefois décevants au vu de l'enthousiasme des premières études et nécessitent de déterminer si l'optimisation de la sélection des patients, le ciblage et le réglage des paramètres de stimulation pourraient améliorer les résultats au point de transformer ces études de recherche clinique en un traitement présentant un rapport bénéfice-risque favorable.

La maladie de Parkinson (MP) est une maladie neurodégénérative qui se caractérise par la perte progressive des neurones dopaminergiques (DA) de la substance noire, une structure sous-corticale des ganglions de la base. Si la majorité des cas sont sporadiques, l'exposition à des facteurs environnementaux (composés organochlorés, pesticides) ou des mutations associées à une quinzaine de gènes (dardarine, -synucléine,...) sont connues pour être à l'origine de formes de cette maladie. L'-synucléine est également le composant majoritaire des corps de Lewy, inclusions cytoplasmiques présentes dans les neurones DA des patients. Pendant mon doctorat, je me suis attachée à comprendre les mécanismes de neurotoxicité induits par le paraquat (PQ), un générateur de stress oxydatif impliqué dans la MP. Ces recherches ont mis en évidence une implication de la signalisation DA dans la toxicité du PQ dans le système nerveux central par l'activation aberrante d'un récepteur DA de type D1, impliqué dans la mémoire chez la drosophile. L'inactivation de ce récepteur dans les neurones glutamatergiques protège significativement les drosophiles contre les effets délétères du PQ. Je me suis également intéressée aux mécanismes de neurotoxicité de l'-synucléine chez la drosophile et son rapport avec le stress oxydatif. Cette étude m'a mené au développement d'une technique de mise en culture du système nerveux central entier de drosophile permettant l'étude des effets progressifs de l'-synucléine sur la dynamique vésiculaire dans les axones DA par des expériences de FRAP. Ces travaux contribuent à mieux comprendre les rapports entre dopamine et stress oxydatif dans la pathogenèse de la MP