De nombreuses pathologies psychiatriques, telles que la schizophrénie, les troubles bipolaires ou la dépression majeure, bien que très différentes, ont en commun une dysfonction du système de récompense et de motivation en lien avec une altération de la transmission dopaminergique. Par ailleurs, ces pathologies s’accompagnent de modifications du métabolisme lipidique et en particulier d’une diminution des taux en acide docosahexaenoic (DHA), le principal acide gras polyinsaturé (AGPI) n-3 dans le système nerveux central. Cependant, bien que certaines études cliniques décrivent des effets bénéfiques de supplémentations en AGPI n-3 sur certains symptômes psychiatriques, ces résultats restent controversés, et l’implication de la modification du statut lipidique dans l’étiologie de ces pathologies reste très peu étudiée. Le but de ce travail a été d’établir s’il existe un lien causal entre une déficience en AGPI n-3 et certains endophénotypes neurobiologiques et comportementaux caractéristiques de pathologies psychiatriques. En particulier, nous avons fait l’hypothèse que la déficience en AGPI n-3 pourrait conduire à un dysfonctionnement de la transmission dopaminergique mésolimbique. Dans cette étude, des tâches de conditionnement opérant chez la souris nous ont permis de mettre en évidence un déficit motivationnel à l’âge adulte induit par une déficience développementale en AGPI n-3 qui est partiellement prévenu par une supplémentation en AGPI n-3 à la naissance, mais pas au sevrage. Ce déficit motivationnel s’accompagne d’une altération de la transmission dopaminergique comme le suggère la réduction de la sensibilité au psychostimulant, l’amphétamine. Plus précisément, nous avons pu montrer que la déficience en AGPI n-3 conduit à une dysfonction des propriétés électrophysiologiques des neurones épineux moyens (medium spinyneurons ou MSN) dans le noyau accumbens (NAc), population neuronale centrale pour la modulation de la motivation. En effet la carence en AGPI n-3 induit une réduction de l’excitabilité des MSNs de la voie directe (dMSNs) qui expriment le récepteur dopaminergique de type D1, associée à une augmentation de la transmission inhibitrice reçue par ces neurones. Ces modifications sont restaurées par l’application de l’agoniste des récepteurs dopaminergiques D2 (RD2), le quinpirole. Ces données nous ont amené à faire l’hypothèse que la diminution d’excitabilité des dMSNs sous déficience en AGPI n-3 résulte de l’augmentation de la transmission GABA issue des MSNs de la voie indirecte (iMSNs) exprimant le RD2. En accord avec ces résultats, par utilisation d’un transgène Cre-dépendant permettant l’expression de l’acide gras désaturase FAT1, nous démontrons que la normalisation des taux d’AGPI dans les iMSN sélectivement, est suffisante pour restaurer les propriétés électrophysiologiques des dMSNs. Par ailleurs, l’expression de la FAT1 dans les neurones exprimant le D2R – mais pas ceux exprimant le D1R - est suffisante pour normaliser le déficit motivationnel en situation de carence. Nos résultats montrent donc un lien causal entre des modifications de taux d’AGPI dans une sous-population neuronale spécifique et une altération comportementale. Par ailleurs, notre étude suggère que la diminution des taux d’AGPI décrite dans plusieurs pathologies psychiatriques pourrait directement participer à l’expression de certains symptômes tels que l’avolition ou l’apathie. / Various, though distinct psychiatric disorders, such as Schizophrenia, bipolar disorder or major depression are associated with a dysfunction of the reward system linked to an alteration of dopamine transmission. Furthermore, these pathologies are also accompanied by changes in lipid metabolism and in particular a decrease in the brain content of docosahexaenoic acid (DHA), the main n-3 polyunsaturated fatty acid (PUFA) in the nervous system. However, despite that n-3 PUFA supplementation seems to improve or prevent some psychiatric symptoms, these results are still controversial and the implication of brain lipid composition in the etiology of psychiatric endophenotypes has been overlooked. The aim of this study was to investigate a potential causal link between n-3 PUFA deficiency and common neurobiological and behavioral endophenotypes of psychiatric disorders. In particular, the hypothesis was that n-3 PUFA deficiency could lead to dysfunctions of mesolimbic dopamine transmission and associated behaviors. Using operant conditioning tasks in mice, we showed that developmental n-3 PUFA deficiency leads to a motivational deficit at adulthood, that is partially reversed by n-3 PUFA supplementation starting at birth, but not at weaning. This motivational deficit was associated with an alteration of dopaminergic transmission as revealed by the reduced sensitivity to the psychostimulant amphetamine. More precisely, we showed that n-3 PUFA deficiency leads to alterations in electrophysiological properties of medium spiny neurons (MSNs) in the nucleus accumbens (NAc), main actors in motivational processes. Indeed, MSNs from the direct pathway (dMSNs), that express dopaminergic D1 receptors, displayed a decrease in neuronal excitability in parallel with an increase of inhibitory input onto these neurons. These alterations were reversed by the dopaminergic D2 receptor (D2R) agonist quinpirole. These data led us to hypothesize that the decreased dMSN excitability induced by n-3 PUFA deficiency could result from an increase of the inhibitory input of MSNs from the indirect pathway (iMSNs that expresses D2R), called lateral inhibition. Accordingly, using a transgenic approach that allows the expression of the fatty acid desaturase FAT1 in a credependent manner, we showed that rescuing appropriate PUFA levels in D2R-expressing neurons selectively (including iMSNs), was sufficient to reverse alterations in electrophysiological properties of MSNs induced by n-3 PUFA deficiency. Moreover, the selective expression of FAT1 in D2-expressing neurons – but not in D1-expressing neurons – reversed the motivational deficit observed in n-3 PUFA deficient mice. We demonstrated the existence of a causal link between modifications in PUFA levels in a discrete neuronal population and behavioral alterations. Overall, this study suggests that altered PUFA levels, observed in some psychiatric disorders, could directly participate in the development of symptoms such as avolition or apathy.

Neuronal activity in the brain is tightly regulated. During operation in real time, for instance, feedback and feedforward loops limit excessive excitation. In addition, cell autonomous processes ensure that neurons’ average activity is restored to a setpoint in response to chronic perturbations. These processes are summarized as homeostatic plasticity (Turrigiano in Cold Spring Harb Perspect Biol 4:a005736–a005736, 2012). In the basal ganglia, information is mainly transmitted through disinhibition, which already constraints the possible range of neuronal activity. When this tightly adjusted system is challenged by the chronic decline in dopaminergic neurotransmission in Parkinson’s disease (PD), homeostatic plasticity aims to compensate for this perturbation. We here summarize recent experimental work from animals demonstrating that striatal projection neurons adapt excitability and morphology in response to chronic dopamine depletion and substitution. We relate these cellular processes to clinical observations in patients with PD that cannot be explained by the classical model of basal ganglia function. These include the long duration response to dopaminergic medication that takes weeks to develop and days to wear off. Moreover, dyskinesias are considered signs of excessive dopaminergic neurotransmission in Parkinson’s disease, but they are typically more severe on the body side that is more strongly affected by dopamine depletion. We hypothesize that these clinical observations can be explained by homeostatic plasticity in the basal ganglia, suggesting that plastic changes in response to chronic dopamine depletion and substitution need to be incorporated into models of basal ganglia function. In addition, better understanding the molecular mechanism of homeostatic plasticity might offer new treatment options to avoid motor complications in patients with PD.

Mes travaux de thèse concernent le rôle du récepteur D1 de la dopamine dans les dyskinésies L-dopa induites, effets secondaires extrêmement handicapants du traitement de la maladie de Parkinson. En condition de dénervation striatale mimant l’environnement de la maladie de Parkinson, le traitement chronique par la L-dopa entraine des altérations majeures du trafic intraneuronal et de la signalisation du récepteur D1 de la dopamine dans les principaux neurones cibles de la dopamine, les neurones épineux de taille moyenne du striatum. Il existe en particulier une hypersensibilisation des récepteurs D1 dans les neurones striataux, avec une abondance accrue à la membrane plasmique et une diminution du niveau d’expression de la protéine GRK6 (Protéine kinase des Récepteurs Couplés aux Protéines G 6), un des acteurs clefs des phénomènes de désensibilisation, en relation directe avec l’apparition des dyskinésies.C’est dans ce contexte que se situe mon travail de thèse qui a eu pour objectif de mettre à profit et/ou de développer différents modèles expérimentaux et outils « in vivo » et « in vitro ». Nous avons associé des techniques d’imagerie cellulaire et tissulaire à des approches comportementales, afin d’explorer certains des événements cellulaires et moléculaires à l’échelle du neurone striatal et des réseaux neuronaux, reliant le niveau d’expression du récepteur D1, sa compartimentation cellulaire, son trafic intraneuronal et les dyskinésies ou des conditions pharmacologiques équivalentes.Nous avons confirmé dans le modèle du rat lésé unilatéralement à la 6-OHDA, traité par la L-dopa et développant des mouvements anormaux analogues aux dyskinésies chez l’homme, que le récepteur D1 est anormalement abondant à la membrane plasmique des neurones du striatum, alors qu’il devrait être internalisé après stimulation par son ligand naturel, la dopamine. Nous avons mis en évidence que les mécanismes d’internalisation après stimulation par un agoniste restent néanmoins fonctionnels. Après administration de l’agoniste D1, chez les animaux dyskinétiques, l’abondance des récepteurs D1 augmente dans les compartiments notamment impliqués dans les mécanismes d’internalisation et de transport (vésicules) et de dégradation (corps multivésiculaires). Nous avons apporté une explication possible à cette abondance anormale et à ce défaut d’internalisation, en montrant qu’ils pourraient être dus à une hétérodimérisation entre les récepteurs D1 et D3. La co-activation des récepteurs D1 et D3 par la L-dopa favoriserait l’ancrage du récepteur D1 à la membrane plasmique des neurones striataux.Dans ce cadre, l’abord de l’étude de l’implication du protéasome dans la régulation de l’expression du récepteur D1 de la dopamine nous a semblé particulièrement important, sur la base des premières études soulignant l’implication de ce système catalytique dans le contrôle de l’activité et du métabolisme des récepteurs aux neurotransmetteurs. Nous avons révélé pour la première fois des liens entre l’activité catalytique du protéasome et la dynamique intraneuronale du récepteur D1 et plus particulièrement nous avons montré que son activité chymotrypsine-like est réduite de façon spécifique dans le striatum d’animaux dyskinétiques, comme une conséquence directe d’une déplétion en dopamine associée à une hyperstimulation dopaminergique.Nous avons testé en situation expérimentale une stratégie « thérapeutique » nouvelle en restaurant le mécanisme de désensibilisation homologue du récepteur D1 de la dopamine, par correction du déficit de la kinase GRK6 par transfert du gène correspondant via l’injection intrastriatale d’un vecteur lentiviral. Nous avons montré que cette approche permet de réduire considérablement la sévérité des dyskinésies dans les modèles rat et primate non-humain, analogues des dyskinésies chez l’homme et qu’elle restaure les effets thérapeutiques de la L-dopa. Ces effets sont la conséquence de la restauration des mécanismes de désensibilisation homologue : la surexpression de GRK6 entraîne l’internalisation spécifique des récepteurs D1. L’ensemble de nos résultats s’inscrit dans une démarche de recherche translationnelle menée depuis plusieurs années au laboratoire allant de la cellule au patient, avec pour but de transposer la compréhension des données expérimentales concernant les anomalies de l’expression du récepteur D1 de la dopamine en stratégies thérapeutiques dans les dyskinésies L-dopa induites. Nos investigations montrent qu’il est possible d’agir sur l’expression du récepteur D1 à la membrane plasmique des neurones striataux de manière indirecte, en manipulant trois co-activateurs de son métabolisme, pour espérer réduire « in fine » la sévérité des dyskinésies. / In my thesis work, I studied the role of dopamine D1 receptor in L-dopa induced dyskinesia, a debilitating complication of Parkinson's disease’s treatment. In condition of striatal denervation, that mimics the Parkinson's disease environment, chronic treatment with L-dopa leads to major alterations of intraneuronal trafficking and dopamine D1 receptor signaling in the major target of dopamine neurons, the striatal medium spiny neurons. In particularly, there is a D1 receptor hypersensitivity in striatal neurons, with an increased abundance of D1 receptor at the plasma membrane and a decreased level of GRK6 protein expression, a key actor in desensitization mechanism, directly related with the apparition of dyskinesia.In this context, I used different in vitro and in vivo experimental models and tools. I have associated cell and tissue imaging techniques and behavioural approaches in order to explore cellular and molecular events in striatal neuron and neuronal networks, linking the D1 receptor expression level, its cellular compartmentalization, its intraneuronal trafficking and the dyskinesia behaviour or equivalent pharmacological conditions.We confirmed in the rat analog of L-dopa-induced dyskinesia, i.e., the L-dopa-induced abnormal involuntary movements in unilaterally 6-hydroxydopamine (6-OHDA)-lesioned animals, that D1 receptor is abnormally abundant in the plasma membrane of neurons in the striatum, whereas it should be internalized after stimulation by its natural ligand, the dopamine. We showed that nevertheless the internalization mechanisms after agonist stimulation remains functional. After D1 agonist administration in dyskinetic animals, D1 receptor abundance increases in the cytoplasmic compartments involved in the internalization and transport (vesicles) and degradation (multivesicular bodies) mechanisms. Based on D3 receptor antagonist experiment, we propose that this abnormal abundance and this lack of internalization could be due to heterodimerization between the D1 and D3 receptors. D1 and D3 receptors co-activation by L-dopa might anchor D1 receptor at the plasma membrane of striatal neurons.In this context, analysis of proteasome involvement in the regulation of dopamine D1 receptor expression seemed particularly important, on the basis of the first studies underlying proteasome involvement in the activity and metabolism of neurotransmitter receptors. We demonstrated for the first time links between the proteasomal catalytic activity and D1 receptor intraneuronal dynamics and more particularly we showed that the proteasome chymotrypsin-like activity is reduced specifically in the striatum of dyskinetic animals, as a direct consequence of dopamine depletion associated with dopaminergic hyperstimulation.We tested in experimental condition, a new "therapeutic"strategy in order to restore the dopamine D1 receptor homologous desensitization mechanism, correcting the GRK6 kinase deficit by gene transfer through the intrastriatal injection of a lentiviral vector. We showed that this approach reduces significantly the dyskinesia severity in rat and non-human primate models and restores the L-dopa therapeutic effects. These effects are a consequence of the homologous desensitization mechanisms restoration : indeed GRK6 overexpression provokes specific D1 receptor internalization.Our results are part of a translational research conducted over several years in the laboratory from cell to patient, in order to translate our increased understanding of D1 receptor function abnormalities into therapeutic strategies for L-dopa induced dyskinesia. Our investigations show that it is possible to act on D1 receptor expression at the plasma membrane of striatal neurons via various routes, all resulting into diminished dyskinesia severity.