O sistema nervoso (SN) autonômico é fundamental na regulação cardiovascular. A análise da variabilidade da freqüência cardíaca (VFC), no domínio do tempo e da freqüência, expressa a modulação autonômica cardíaca, pois reflete a atividade do SN simpático (receptores adrenérgicos) e do SN parassimpático (receptores muscarínicos) sobre Nó Sinoatrial. As variantes genéticas funcionais (polimorfismos) do receptor adrenérgico beta2 vêm sendo associadas a diferentes estados funcionais do receptor e a diversos fenótipos cardiovasculares. Investigamos em 218 de jovens normotensos (entre 18 a 30 anos) a associação dos polimorfismos do receptor adrenérgico beta2 tipo Gln27Glu (Gln/Gln, Gln/Glu e Glu/Glu) e tipo Arg16Gly (Arg/Arg, Arg/Gly e Gly/Gly) com o perfil antropométrico e com os fenótipos cardiovasculares: o balanço autonômico para o coração (análise da VFC), a noradrenalina sérica, e variáveis hemodinâmicas, que foram registradas durante o repouso (5min) e o tilt test (teste de estresse postural, 5 min). Resultados: polimorfismo beta2 tipo Gln27Glu - comparados aos portadores do genótipo Gln/Gln, os indivíduos com genótipos Glu/Glu e Gln/Glu apresentaram uma menor relação cintura/quadril (p=0,008) e uma maior atividade simpática em resposta ao tilt teste, ou seja, maior aumento do componente LF (p=0,027) e maior relação LF/HF (p=0,014); polimorfismos beta2 tipo Arg16Gly - portadores do genótipo Arg/Arg apresentaram maior queda do índice alfa durante o tilt test, comparados aos outros genótipos; associação de polimorfismos (haplótipos) - portadores do haplótipo Gln27Gln/Arg16Gly apresentaram maior incremento da FC quando comparados aos portadores dos haplótipos Gln27Gln/Gly16Gly (p=0,06). Conclusão: foi possível detectar que os polimorfismos do receptor adrenérgico beta2 tipo Gln27Glu e tipo Arg16Gly têm impacto sobre o balanço autonômico cardíaco, respectivamente, aumentando a atividade simpática para o coração e diminuindo a atividade baroreflexa durante manobra de estresse postural, em indivíduos jovens normotensos / The autonomic nervous system (NS) has a pivotal role in cardiovascular control. Time domain and spectral analyzes of heart rate variability (HRV) indicates cardiac autonomic modulation, since it reflects the sympathetic (adrenergic receptors) and parasympathetic (muscarinic receptors) nerve activity over the Sinoatrial Node. Polymorphisms of the adrenergic receptor beta2 have been associated to different functional state of receptor and cardiovascular phenotypes. We analyzed in 218 young normotensive subjects (18-30 years old) the association of polymorphisms of the adrenergic receptor type Gln27Glu (Gln/Gln, Gln/Glu e Glu/Glu) and type Arg16Gly (Arg/Arg, Arg/Gly e Gly/Gly) with anthropometric data and cardiovascular phenotypes: cardiac autonomic balance (HRV), norephinefrine levels, and hemodynamic parameters, which were registered during rest (5min) and tilt test (5 min). Results: beta2 polymorphism type Gln27Glu - compared to subjects with genotype Gln/Gln, subjects with genotype Glu/Glu e Gln/Glu showed a lower WHR (p=0,008) and a higher increase in sympathetic activity during tilt teste, i.e., a higher increase in LF component (p=0,027) and LF/HF relation (p=0,014); beta2 polymorphism type Arg16Gly - subjects with genotype Arg/Arg demonstrated a higher decrease in alpha index during tilt test, compared to other genotypes; polymorphism association (haplotype) - subjects with Gln27Gln/Arg16Gly had a higher increase in hear rate compared to subjects with haplotype Gln27Gln/Gly16Gly (p=0,06). Conclusion: it was possible to detect in young normotensive subjects that polymorphisms of the adrenergic receptor type Gln27Glu and type Arg16Gly have an impact over cardiac autonomic balance, respectively, increasing the cardiac sympathetic activity and decreasing the baroreflex sensibility during tilt test

The aim of this thesis was to clarify the influence of the stress on the adrenergic and muscarinic receptors in the heart and in the lungs. Research was perform on rat hearts and lungs and on the hearts and lungs of the CRH KO mice. First, we assessed mRNA levels of all α- and β-adrenergic receptor and muscarinic receptor subtypes. Subsequently, we performed the radioligand-binding studies to determine densities of these receptors. We identified all three α1-adrenergic receptor subtypes in the rat lungs. In the lungs of WT mice, we found that the amount of α1-adrenergic and muscarinic receptors was sex-dependent. Densities of the former were higher in females and those of the latter were higher in males. There was no difference between males and females in β-adrenergic receptor density. As for CRH KO mice, the basal densities of studied receptors were lower than in CRH WT mice (except β1-adrenergic receptors in females). The main purpose of the thesis was to detect the immobilization-induced changes in the studied receptors in the kontrol (WT) and CRH KO mice. Short-term and long-term immobilization caused decrease in all α1-adrenergic receptor subtypes in females, whereas only α1A-adrenergic receptors decreased in males. The amount of β1-adrenergic receptors decreased in males and remained without...

La transmission cholinergique, et notamment muscarinique, joue un rôle déterminant dans le système nerveux central au niveau de la modulation de la plasticité neuronale. La libération d'ACh dans le cortex visuel est concomitante à la présentation de stimuli visuels. Par son action sur la transmission neuronale corticale, l'ACh module à long terme les réponses à de nouveaux stimuli sensoriels. Dans la présente étude, l'implication du système cholinergique au niveau du développement cortical et de la plasticité inductible chez l'adulte a été étudiée par les techniques d'imagerie optique des signaux intrinsèques et d'immunohistochimie chez le rongeur. Ces deux techniques de cartographie de l'activité corticale nous ont permis d'évaluer, d'une part, l'impact modulatoire de l'acétylcholine (ACh) et de ses récepteurs muscariniques (mAChRs, M1 à M5) sur l'organisation fonctionnelle du cortex visuel chez des souris déficitaires pour les mAChRs et, d'autre part, l'impact de la libération d'ACh lors d'un entraînement visuel, sur le nombre, la nature neurochimique et la localisation au niveau des couches corticales des neurones corticaux activés. L'implication du système cholinergique sur la cartographie du cortex visuel primaire a été étudiée sur les souris génétiquement modifiées délétères (knock out : KO) pour différentes combinaisons de sous-types de mAChRs. L'imagerie des signaux intrinsèques, basée sur les changements de réflectance corticale de la lumière survenant lors de la consommation d'oxygène par les neurones activés, a permis de déterminer, lors de stimulations visuelles, les différentes composantes des propriétés des neurones du cortex visuel. La taille des champs récepteurs des neurones est diminuée lors de l'absence du récepteur M1 ou de la combinaison M1/M3. Le champ visuel apparent est augmenté chez les souris M2/M4-KO mais diminué chez les M1-KO. La finesse des connectivités neuronales (évaluée par la mesure du scatter du signal) est réduite lors de l'absence des récepteurs M2/M4. Finalement, chez les animaux M1/M3-KO, une diminution de l'acuité visuelle est observée. L'effet à long-terme d'un entraînement visuel couplé à une stimulation des neurones cholinergiques sur la distribution et la nature des neurones immunoréactifs au c-Fos, c'est-à-dire les neurones activés, a été évalué. Puisque cette stimulation combinée est en mesure de produire des modifications comportementales, notamment au niveau de l'acuité visuelle, il devenait intéressant de s'attarder aux modifications neuroanatomiques et de déterminer quels éléments de l'équilibre excitateur/inhibiteur sont compromis chez ces animaux. Les résultats obtenus démontrent que les animaux ayant reçu une combinaison de l'entraînement cholinergique et visuel présentent une augmentation du marquage c-Fos comparativement aux animaux n'ayant reçu que la stimulation cholinergique. D'autre part, chez ces animaux, il est possible d'observer des modifications de l'équilibre excitateur/inhibiteur qui correspond au potentiel plastique de la région. En conclusion, ces études démontrent un rôle important du système cholinergique dans le développement, la maturation et la plasticité du système visuel cérébral. / The cholinergic transmission, including the muscarinic receptors, plays a role in the central nervous system modulating neuronal plasticity. ACh is released in the visual cortex during the presentation of visual stimuli. By its action on cortical neuronal transmission, ACh modulates long-term responses to new sensory stimuli. In the present study, the involvement of the cholinergic system in cortical development and inductible plasticity in adults was investigated by optical imaging of intrinsic signals and immunohistochemistry in rodents. These two mapping techniques of cortical activity allowed us to evaluate 1) the modulatory effect of acetylcholine (ACh) and its muscarinic receptors (mAChRs, M1 to M5) on the functional organization of the visual cortex in mice deficient of mAChRs and 2) the impact of ACh release during a visual training on the number, neurochemical nature and location of activated neurons in the cortical layers. The involvement of the cholinergic system on the mapping of the primary visual cortex was studied in mice knockout (KO) for different combinations of mAChRs subtypes. Intrinsic signals imaging, based on fluctuations in cortical light reflectance during oxygen consumption by activated neurons, was used to assess the various properties of neurons in the visual cortex during visual stimulation. The size of the neuronal receptive fields is reduced in the absence of M1 receptor or the combination M1/M3. The apparent visual field is increased in M2/M4-KO mice but decreased in M1-KO. The sharpness of neuronal connectivity (assessed by the measure of the scatter) is reduced in the absence of M2/M4 receptors. Finally, in M1/M3-KO animals, a decrease in visual acuity was observed. The effect of long-term visual training coupled with the stimulation of cholinergic neurons on the distribution and nature of immunoreactive neurons in c-Fos, the activated neurons, was evaluated. Since this combined stimulation is able to produce behavioral changes, especially in terms of visual acuity, it was interesting to focus on neuroanatomical modifications and determine which elements of the excitatory / inhibitory balance were compromised in these animals. The results showed that animals which received a combination of visual and cholinergic training presented an increase in c-Fos labeling compared to animals that received only the cholinergic stimulation. Moreover, in these animals, it is possible to observe changes in the excitatory / inhibitory balance which corresponds to the potential of plasticity in the region. In conclusion, these studies demonstrate an important role of the cholinergic system in the development, maturation and plasticity of the cerebral visual system.

The longitudinal muscle layer in gut is the functional opponent to the circular muscle layer during the peristalsis reflex. Differences in innervation of the layers allow for the contraction of one layer that corresponds with the simultaneous relaxation of the other, enabling the passage of gut contents in a controlled fashion. Differences in development have given the cells of the two layers differences in receptor populations, membrane lipid handling, and calcium handling profiles/behaviors. The kinase signaling differences between the two layers is not as well characterized. Upon activation of cells from the circular muscle layer, it is known that Rho kinase and ERK1/2 promote contraction, while CaMKK/AMPK and CaMKII perform inhibitory/self-inhibitory roles. Such behaviors are poorly understood in the longitudinal muscle layer. In longitudinal muscle strips, we measured muscarinic receptor-mediated contraction following incubation with kinase inhibitors. Upon comparison to control, contributions of Rho Kinase and ERK1/2 were similar to those seen in circular muscle. Inhibition of both of these enzymes leads to diminished contraction. However, CaMKK/AMPK and CaMKII have effects in longitudinal muscle opposite to their regulation in circular muscle – their inhibition also diminishes the contractile response. These contractile data from strips were supported by immunokinase assay measurements of MLCK activity from strip homogenates with and without kinase inhibition. Therefore, we suggest that the activities of CaMKK/AMPK and CaMKII in longitudinal muscle are indeed different from their regulatory roles in circular muscle, perhaps a consequence of the different calcium handling modalities of the two muscle types.

Muscarinic acetylcholine receptors (mAChRs) mediate effects of acetylcholine (ACh) in many systems, including those involved in locomotion. In the stage 37/38 Xenopus laevis tadpole, a well-understood model system of vertebrate locomotion, mAChRs have been found to be located on motor neurons with evidence suggesting that mAChRs are involved in swimming behaviour. The current study aimed to further investigate the role of mAChR-mediated cholinergic transmission by employing extracellular and whole-cell patch clamp recordings to examine the effects of mAChR activation on the properties of different types of neurons in the Xenopus laevis tadpole swimming circuit. It was found that mAChR activation can increase the threshold for initiating swimming by skin stimulation and can lead to the generation of spontaneous motor output in the absence of physical stimuli. These effects were found to be a result of direct inhibition of dorsolateral sensory interneurons of the mechanosensory pathway, direct inhibition of glycinergic inhibitory interneurons in the CPG and a decrease in CPG neuron firing reliability during swimming. The data presented here comprise the first whole-cell patch-clamp investigation into mAChR-mediated cholinergic transmission in the Xenopus laevis tadpole swimming circuit and provide novel evidence that mAChRs modulate the properties of mechanosensory pathway and CPG neurons in this model system of vertebrate locomotion.

La mort subite du nourrisson (MSN) est un phénomène imprévisible et mal compris. Elle est définie par « le décès d’un nourrisson âgé de moins d’un an dont les causes restent inexpliquées malgré des investigations approfondies, incluant une autopsie et un examen de la scène du décès ». Si l’incidence est en décroissance depuis 1994 et le début des campagnes de prévention, la MSN reste la première cause de décès post-néonatale. La MSN est un phénomène multifactoriel qui survient préférentiellement chez des enfants vulnérables exposés à des facteurs de risques environnementaux. Ainsi, le fait d’identifier ces enfants à risque est un enjeu majeur dans la prévention de cette pathologie. La réponse vagale exacerbée, exprimée biologiquement par une surexpression des récepteurs muscariniques de sous-types M2 (RM2), pourrait être un facteur de risque de MSN. Nous avons déjà constaté cette anomalie biologique dans notre modèle animal d’hyperréactivité vagale et dans des cœurs de nourrissons décédés de MSN. Le but de ces travaux est d’analyser l’expression sanguine des RM2 en tant que paramètre biologique reflétant une hyperactivité vagale chez l’Homme, dans des cas de malaises vagaux et de malaises sévères inexpliqués du nourrisson. L’implication de la génétique a également été étudiée dans une famille présentant plusieurs cas de MSN. Une surexpression des RM2 a été observée chez des patients présentant des malaises vagaux. Pour la première fois, des anomalies biologiques ont été identifiées dans cette pathologie. Si l’on parvenait à valider ce paramètre biologique en tant que marqueur de risque, cela pourrait permettre d’aider au diagnostic différentiel et à la prise en charge thérapeutique de ces syncopes vagales. Les mêmes anomalies ont été observées chez des enfants de moins d’un an présentant des malaises sévères idiopathiques. Après une première analyse des données du séquençage haut débit d’exomes issus d’une famille présentant plusieurs cas de MSN, nous avons pu identifier 3 gènes pouvant être impliqués dans la MSN. Néanmoins, le scénario et le mode de transmission sont difficiles à définir. Les premières hypothèses s’orientent vers un digénisme ou même un trigénisme. La surexpression des RM2 chez les 2 parents et chez certains enfants est un premier élément suggérant la transmission du caractère « hyperactivité vagale » chez l’Homme.Nos travaux ont permis de mettre en évidence une anomalie biologique commune entre les malaises vagaux, les malaises inexpliqués du jeune enfant et la MSN, à savoir la surexpression des RM2. Ce paramètre, facilement dosable dans le sang, pourrait être un élément complémentaire dans le diagnostic différentiel et la prise en charge de ces pathologies, notamment chez les jeunes enfants pour lesquels ces malaises peuvent être très délétères. L’avancée dans le séquençage du génome permettra peut-être l’identification de facteurs de risque génétiques impliqués dans les malaises inexpliqués ou les MSN. / Sudden Infant Death Syndrome (SIDS) is an unpredictable and poorly understood phenomenon. It is defined as the "sudden unexpected death of a child younger than one year during sleep that cannot be explained after a postmortem evaluation including autopsy, a thorough history, and scene evaluation". Although the incidence has been decreasing since 1994 and the start of prevention campaigns, SIDS remains the leading cause of post-neonatal death. SIDS is a multifactorial phenomenon that occurs preferentially in vulnerable infants exposed to environmental risk factors. Thus, identifying these children at risk is a major challenge in the prevention of this pathology. The exacerbated vagal response, biologically expressed by overexpression of muscarinic M2 receptors (M2R), may be a risk factor for SIDS. We have already observed this biological abnormality in our animal model of vagal hyperreactivity and in hearts of SIDS. The aim of this work is to analyze the blood expression of M2R as a biological parameter reflecting vagal hyperreactivity in humans, in cases of reflex syncope and idiopathic apparent life-threatening events (iALTE) of infants. The involvement of genetics has also been studied in a family with several cases of SIDS (SIDS family). Overexpression of M2R has been observed in patients with reflex syncope. For the first time, biological abnormalities have been identified in this pathology. If this biological parameter could be validated as a risk marker, it could help for differentially diagnosis and treatment of these vagal syncopes. The same abnormalities were observed in children under one year old with iALTE. After a first analysis of the data of the “next generation sequencing” of the exomes of our “SIDS family”, we were able to identify 3 genes that could be involved in SIDS. However, the scenario and the mode of transmission are difficult to define. The first hypotheses are oriented towards a digenism or even a trigenism. The overexpression of M2R in both parents is a first element suggesting the genetic transmission of the character "vagal hyperactivity" in humans. Our work highlights a biological abnormality which is common to reflex syncope, iALTE and SIDS, namely the overexpression of M2R. These results confirm the hypothesis of the involvement of the vagal system overactivity in these pathologies. This parameter, easily measurable in the blood, could be a complementary assessment useful in the differential diagnosis and the management of these pathologies, in particular in infants for whom syncope can be very harmful. The development of the sequencing of human genome will probably allow the identification of genetic risk factors involved in iALTE or SIDS.

La maladie de Parkinson (MP) est caractérisée par une perte dopaminergique dans le striatum, structure sous-corticale impliquée dans le contrôle moteur, la mémoire et les comportements émotionnels. Les interneurones cholinergiques (ChIs) striataux jouent un rôle clef dans cette réorganisation pathologique du striatum en modulant l’activité des neurones de projection striataux (MSNs). Ce travail vise à étudier l’implication des ChIs et des récepteurs muscariniques (mAChRs) dans les mécanismes qui sous-tendent l’expression des déficits moteurs, cognitifs et émotionnels dans différents modèles de la MP chez la souris. L’inhibition optogénétique des ChIs réduit les déficits moteurs (akinésie, asymétrie posturale, déficit sensori-moteur). Les enregistrements électrophysiologiques montrent que l’inhibition des ChIs réduit l’excitabilité des MSNs et rétablit l’équilibre d’activité des deux voies de sortie striatale. Ces effets antiparkinsoniens sont reproduits par le blocage pharmacologique striatal des mAChRs M1 et M4. Ils sont dus à une action préférentielle de l’ACh sur les mAChRs au niveau des MSNs à l’origine de la voie striatonigrale puisqu’ils disparaissent chez des souris invalidées pour les récepteurs M4 exprimés dans ces neurones. La photoinhibition des ChIs réduit les déficits mnésiques et l’anxiété. L’antagoniste des mAChRs M1 réduit l’anxiété mais est inefficace sur les déficits mnésiques, suggérant que d’autres récepteurs cholinergiques striataux puissent être engagés dans les fonctions mnésiques. L’ensemble de nos résultats apporte un éclairage nouveau sur l’implication des ChIs striataux dans le fonctionnement physiologique et pathologique du striatum. / Parkinson’s disease (PD) is characterized by a dopamiergic loss into the striatum, a subcortical structure involved in motor control, memory and emotional behaviors. Striatal cholinergic interneurons (ChIs) play a key role in this pathological reorganization of the striatal circuitry by modulating striatal projection neurons (MSNs). This study aims to investigate the involvement of ChIs and muscarinic receptors (mAChRs) in the mechanisms underlying the expression of motor, cognitive and emotional deficits observed in different models of PD in mice. ChIs optogenetic inhibition reduced motor deficits (akinesia, postural asymmetry, sensorimotor deficit). Electrophysiological recordings show that ChIs photoinhibition reduces MSNs excitability and restores the balance between the two striatal output pathways. These antiparkinsonian effects are reproduced by pharmacological intrastriatal blockade of M1 and M4 mAChRs. They are due to a preferential action of ACh on mAChRs expressed on striatonigral MSNs since the deficits disappear in mutant mice that lack M4 mAChRs only in these neurons. ChIs photoinhibition also reduces memory deficits and anxiety. M1 mAChRs antagonist reduces anxiety but is inefficient on memory deficits, suggesting that other cholinergic receptors might be involved in striatal memory functions. Overall, these results give new insights on the role of cholinergic interneurons in the normal and pathological functioning of the striatum.

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive. / Sensory cortex is an essential area where sensory perception occurs. Especially visual cortex processes visual information transmitted from the retina through the thalamus. By different neuronal activation the information is segregated and sent to diverse visual area for interpretation. Neurons are the basic unit that transform sensory information into electrophysiological signal, transfer to the cortex and integrate it. Connection between neurons can be modulated depending on the persistent presynaptic activity inducing either a long-term increase or decrease of the post-synaptic activity. Modification in synaptic strength can affect large area and induce reorganization of cortical map (i.e. cortical plasticity) which changes the representation of the visual stimulus and its weight in visual processing. Cortical plasticity can occur during juvenile while forming developmental connection or in adult while acquiring novel information (i.e. learning). The neurotransmitter ACh is involved in many cognitive functions, such as learning or attention and it was demonstrated that lesioning or blocking cholinergic system diminishes cortical plasticity. It was shown that nicotinic, M1 subtype and M2 subtype muscarinic receptors are the major cholinergic receptors abundant in the cortex and implicated during cortical plasticity induction. In a first part, I analyzed visual evoked potentials (VEPs) in V1 of rats during a 4-8h period after coupling visual stimulation to an intracortical injection of ACh agonist carbachol or stimulation of basal forebrain. To clarify the action of ACh on VEP activity in V1, we individually injected muscarinic, nicotinic, α7, and NMDA receptor antagonists just before carbachol infusion. Stimulation of the cholinergic system paired with visual stimulation significantly increased VEP amplitude for long-term. Pre-inhibition of muscarinic, nicotinic and NMDA receptor completely abolished this long-term enhancement, while α7 inhibition induced an instant increase of VEP amplitude. This suggests a role of ACh in facilitating visual stimuli responsiveness which involves nicotinic and muscarinic receptors with an interaction of NMDA transmission in the visual cortex. These mechanisms were similar to long-term potentiation, a neurobiological mechanism of learning. In a second step, I evaluate whether cholinergic modulation of visual neurons results in cortical activity and visual perception changes. Awake adult rats were exposed repetitively for two weeks to an orientation-specific grating with coupling visual stimulation to an electrical stimulation of the basal forebrain. The visual acuity, as measured using a visual water maze before and after coupling visual/cholinergic stimulation was increased. The increase in visual acuity was not observed when visual or basal forebrain stimulation was performed separately nor when cholinergic fibers were selectively lesioned prior to the visual stimulation. There was a long-lasting increase in cortical reactivity of the primary visual cortex shown by c-Fos immunoreactivity of both pyramidal and GABAergic interneuron. These findings demonstrate that when coupled with visual training, the cholinergic system improves visual performance for the trained orientation probably through enhancement of attentional processes and cortical plasticity in V1 related to the ratio of excitatory/inhibitory inputs. Finally, I also investigated the different pharmacological mechanisms involved in the visual enhancement. Pre- and post-pairing visual/cholinergic stimulation VEP were compared with selective administered agonist/antagonist during the pairing. Awaken adult rats were exposed during 10 minutes per day for 1 week to an orientation specific grating with an electrical stimulation of the basal forebrain. Intracortical injection of different pharmacological agents during pairing demonstrated that nicotinic and M1 muscarinic receptors are used to amplify cortical response while M2 muscarinic receptor suppresses GABAergic neurons to disinhibit excitatory neurons. Infusion of GABAergic antagonist supported that inhibitory system is crucial to induce cortical plasticity. These findings demonstrate that visual training coupled with the cholinergic stimulation enhances the cortical plasticity mediated by nicotinic, M1 and M2 muscarinic receptors, which the latter induces a disinhibition by suppressing GABAergic neuron. The cholinergic system is a potent neuromodulatory system. Boosting this system during perceptual learning robustly enhances the sensory perception. Especially, pairing a cholinergic activation with a visual stimulation increases the signal-to-noise ratio, cue detection ability in the primary visual cortex. This cholinergic enhancement increases the strength of thalamocortical afferent to facilitate the treatment of a novel stimulus while decreasing the cortico-cortical signaling to minimize recurrent or top-down modulation. This is mediated by different cholinergic receptor subtypes located in both glutamatergic and GABAergic neurons of the different cortical layers. The mechanisms of cholinergic enhancement are closely linked to attentional processes, long-term potentiation and modulation of the excitatory/inhibitory balance. The present thesis shows that electrical stimulation of the basal forebrain has similar effect with cholinergic agonist release and pairing visual/cholinergic stimulation induces cortical plasticity. Repetitive pairing of visual/cholinergic increases visual discrimination capacity and enhances perceptual ability. This enhancement is followed by an augmentation of neuronal activity demonstrated by c-Fos immunohistochemistry. Immunoreactivity also shows difference in glutamatergic and GABAergic neurons activities between layers. Pharmacological injection during visual/cholinergic pairing suggests that nicotinic and M1 muscarinic receptor can amplify excitatory response while M2 receptor controls GABAergic activation. Altogether cholinergic system activated during visual process induces cortical plasticity and can enhance perceptual ability. Further understanding of this training has the potential to accelerate visual recovery or boost cognitive function.

Durant le vieillissement, l’ensemble des fonctions de l’organisme se détériore, que ce soit aussi bien au niveau moteur que cognitif. Le vieillissement s’accompagne d’une diminution de la force, ainsi que de la masse musculaire. Des études récentes tendent à montrer que cette perte de masse musculaire que l’on appelle sarcopénie aurait pour origine un dérèglement de la jonction neuromusculaire. Les changements au niveau du présynaptique et du post synaptiques lors du vieillissement normal font l’objet de plusieurs études, mais les changements relatifs aux cellules de Schwann périsynaptique sont très peu connus. Le but de cette étude est donc d’analyser les modifications des interactions neurone-glie à la jonction neuromusculaire. Dans cette étude, nous montrons que certaines fonctions des cellules gliales de la synapse âgée sont déréglées, en particulier, le type de récepteurs activés par une stimulation nerveuse à haute fréquence. D’autre part, nos résultats montrent que les mécanismes responsables de l’augmentation de la transmission synaptique suite à cette stimulation nerveuse à haute fréquence sont altérés à la synapse âgée. Enfin, outre les modifications de la terminaison axonale et de la fibre musculaire, les cellules gliales montrent des signes de réorganisation structurelle propre à une synapse en réparation. Ces résultats montrent que le fonctionnement de la jonction neuromusculaire et a fortiori les interactions neurones-glie sont altérées lors du vieillissement normal. / Aging comes with an alteration and organism functions including cognitive and motor functions. Major weakening of the neuromuscular system occurs which includes muscle weight loss, difficulties in initiating voluntary movement and reduced muscle strength. The possible role of the alteration of the neuromuscular junction has been examined but always only considering the pre- and postsynaptic elements. However, perisynaptic Schwann cells (PSCs), glial cells at the neuromuscular junction (NMJ), play fundamental roles in the regulation of the synaptic efficacy of the NMJ as well as in its maintenance and stability. Hence, we analysed NMJ properties and their glial cells in aging. This study shows that PSCs function at the old NMJ are dysregulated. Indeed, PSCs ability to detect synaptic transmission, determined using imaging of intracellular Ca2+, was maintained in PSCs at NMJs from old mice, but the contribution of the muscarinic component was greatly reduced. On the other hand, our results using synaptic recordings are showing that a number of synaptic plasticity events known to be regulated by PSCs are reduced at NMJs of old mice. Finally, morphological NMJ reorganisation and sprouting of PSCs were also observed. These data suggest that PSC properties are consistent with the repair of the NMJ that may also result in their reduced ability in regulating synaptic efficacy.

Basische Benzilsäureester stellen mit ihrer ausgeprägten anticholinergen Wirksamkeit potenzielle Arzneistoffe zur Behandlung der Harninkontinenz, der Ulkuserkrankung und des Morbus Parkinson dar. Von besonderem Interesse sind Benzilsäurevertreter, die neben anticholinergen auch dopaminerge Effekte aufweisen. Wegen ihrer dualistischen Wirkung könnten sie eine neue Klasse von Antiparkinsonica begründen. Aufgrund der vielfältigen Funktionen von Muscarinrezeptoren treten bei wenig selektiv wirksamen Arzneistoffen atropinartige Nebenwirkungen auf. Mit der Entwicklung von Verbindungen, die eine erhöhte muscarinerge Subtypenselektivität besitzen, lassen sich Nebenwirkungen reduzieren. Ziel der Arbeit war eine Wirkungsoptimierung chiraler N-Methyl-4-piperidyl benzilate durch Variation von stereochemischen Parametern und Einführen elektronisch verschiedenartiger Substituenten in die aromatischen Ringe. In Radioligand-Bindungsstudien an M1- bis M3-Rezeptoren wurden die Auswirkungen der sterischen und strukturellen Variationen untersucht. Die Ergebnisse der Bindungsstudien zeigen, dass sich Affinität und Subtypenselektivität durch die absolute Konfiguration des stereogenen Zentrums und die Art der Kernsubstitution modifizieren lassen. Mit Hilfe von Molecular Modelling ist es gelungen, auf Basis der experimentellen Bindungsdaten ein aussagekräftiges Rezeptormodell für N-Methyl-4-piperidyl benzilate zu entwickeln. Sowohl die Affinitätsunterschiede enantiomerer Benzilate als auch die Unterschiede der Rezeptorsubtypenselektivität werden durch das Rezeptormodell umfassend erklärt. / Basic substituted benzilic esters with distinctive anticholinergic effects are potential drugs for the treatment of urinary incontinence, duodenal and gastric ulcers and Parkinson disease. Derivatives of benzilic esters, exhibiting a combination of anticholinergic and dopaminergic effects, are of special interest because, as a consequence of their dualistic effect, they are in a position to form a new class of Antiparkinson drugs. As muscarinic receptor subtypes possess a large variety of functional properties, drugs which show less selectivity on muscarinic receptors exhibit atropine-like side effects. A reduction of these side effects may be achieved by the development of more selective anticholinergic compounds. The objective was to optimise the effect of N-Methyl-4-piperidyl benzilates through a variation of sterical parameters and the introduction of electronically differentiated substituents within the aromatic rings. The effect of sterical and structural variations was investigated in radioligand binding studies on muscarinic receptors (M1 – M3). The results of these binding studies reveal that a modification of affinity and selectivity can be achieved by varying the absolute configuration of the stereogenic center and the properties of the substitution of the aromatic system. The development of a relevant model of the receptor ligand complex for N-Methyl-4-piperidyl benzilates was achieved by molecular modelling on the basis of experimental binding studies. Both the diverse affinity of enantiomeric benzilic esters and the subtype selectivity on muscarinic receptors are comprehensively explained by this model.