L’un des principaux obstacles en psychiatrie est qu’il est difficile d’avoir accès directement au cerveau pour l’étudier et mieux comprendre la pathobiologie des maladies mentales. Il importe donc de développer des nouvelles approches pour investiguer indirectement les fonctions cérébrales. Puisque la rétine fait partie du système nerveux central, il a été suggéré que les fonctions rétiniennes mesurées par l’électrorétinographie (ERG) pourraient refléter les désordres neurochimiques retrouvés dans les troubles mentaux. En fait, plusieurs études ont démontré la présence d’anomalies de l’ERG qui pourraient servir de biomarqueurs chez des personnes atteintes ou à risque de troubles psychiatriques, dont le trouble affectif saisonnier (TAS) et la schizophrénie. Cependant, l’origine de ces anomalies demeure inconnue et l’objectif principal de cette thèse est d’explorer les origines moléculaires potentielles de ces déficits, et ce, grâce à des modèles animaux de maladies psychiatriques ou à l’utilisation d’un agent pharmacologique. De par leur implication reconnue dans les maladies psychiatriques, les molécules ciblées dans cette thèse sont la mélatonine, la dopamine centrale, la sérotonine centrale et la glycogène synthase kinase-3 (GSK3). La première étude de cette thèse démontre qu’un débalancement dans la sécrétion de mélatonine serait partiellement à l’origine des anomalies de l’ERG observées dans le TAS. Or, la deuxième étude de cette thèse vient compléter la précédente et démontre qu’il est plus probable que les anomalies de l’ERG retrouvées dans le TAS découlent d’une dysfonction de la neurotransmission sérotoninergique centrale et dopaminergique centrale qu’une altération dans la biodisponibilité des récepteurs dopaminergiques D1R et D2R. Ces études permettent de proposer un modèle multifactoriel qui expliquerait l’origine des anomalies de l’ERG observées dans le TAS. Quant à la troisième étude de cette thèse, elle démontre que la surexpression de GSK3, qui est un facteur de risque pour la schizophrénie et le trouble bipolaire, provoque la même anomalie de l’ERG que celle qui est observée chez les enfants à haut risque de développer l’une de ces maladies. Enfin, la quatrième étude démontre que GSK3 joue un rôle primordial dans la régulation de l’horloge biologique. En somme, cette thèse démontre que l’ERG s’avère un outil prometteur pour la recherche en psychiatrie. / One of the major obstacles in psychiatry is the difficult access to the functioning brain to better understand the biological underpinning of brain disorders. There is a need to develop new approaches to study the neurological functions indirectly. Since the retina is part of the central nervous system, it had been suggested that retinal functions, as measured with the electroretinogram (ERG), may reflect the central dysfunctions reported in psychiatric disorders. In fact, several ERG anomalies, which may serve as biomarkers, have been observed in people with or at risk of psychiatric disorders, such as seasonal affective disorder (SAD) and schizophrenia. However, the origins of these ERG anomalies remain elusive and the goal of this thesis is to explore the potential molecular underpinning of these ERG deficits with animal models of psychiatric disorders or the use of a pharmacological agent. Because of their well-described involvement in psychiatric disorders, the targeted molecules of the experiments presented in this thesis are melatonin, central dopamine, central serotonin and glycogen synthase kinase-3 (GSK3). The first study demonstrates that a dysfunction in melatonin secretion may partially be involved in the ERG anomalies observed in people with SAD. The second study is a complement of the first one and reports that impairments in central serotonin and central dopamine neurotransmission are more likely to be involved in the ERG anomalies observed in patients with SAD than changes in the retinal bioavailability of dopamine receptors D1R and D2R. A multifactorial model of the ERG anomalies in people with SAD has been proposed according to the findings of these two previous studies. Moreover, the third study demonstrates that GSK3 overexpression, which is a risk factor for schizophrenia and bipolar disorder, replicates the ERG anomaly reported in offspring at high genetic risk for these disorders. Finally, the fourth study demonstrates that GSK3 plays an important role in regulating the biological clock. Overall, this thesis suggests that ERG measurements represent a useful tool in psychiatric research.

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Le lithium est un stabilisateur de l’humeur utilisé depuis déjà plus de trente ans dans le traitement de divers troubles d’ordre psychiatrique, comme le trouble bipolaire ou la dépression majeure. Malgré sa grande utilisation, les mécanismes par lesquels il parvient à exercer ses effets comportementaux demeurent méconnus. Il est toutefois admis qu’une partie de son mode d’action repose sur son action inhibitrice d’une kinase ubiquitaire constitutivement active, la glycogène synthase kinase 3 (GSK-3). Plus important, ce mécanisme d’action du lithium est dépendant de la présence de la protéine beta-arrestine 2 (βArr2). En plus de ses effets comportementaux, le lithium a aussi des effets protecteurs contre une variété d’agressions visant le système nerveux central. En effet, le lithium exerce des effets neuroprotecteurs contre plusieurs modèles murins de maladies neurodégénératives, comme la maladie d’Alzheimer (MA), la sclérose latérale amyotrophique (SLA) et la maladie de Parkinson (MP). Encore une fois, les mécanismes par lesquels le lithium exerce ses effets neuroprotecteurs restent mal compris et l’objectif de cette étude est de vérifier si les effets neuroprotecteurs du lithium dépendent de la βArr2, comme en dépendent ses effets comportementaux. L’effet du lithium chez un modèle murin de SLA a été évalué en présence et en absence de la βArr2. Dans les deux conditions, le lithium n’a pas eu d’effet protecteur au niveau de l’évolution de la pathologie et de la survie des animaux. Dans un second temps, l’effet du lithium chez un modèle toxique de la MP chez la souris a été évalué en présence et en absence de la βArr2. Dans les deux conditions, le lithium, utilisé à une dose provoquant des effets comportementaux, n’a pas exercé d’effets neuroprotecteurs chez ce second modèle de maladie neurodégénérative. Dans les deux cas, il est donc impossible de déterminer le rôle de la βArr2 dans les effets neuroprotecteurs du lithium. / Tableau d'honneur de la FÉSP

Tableau d'honneur de la FÉSP

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La progestérone est un stimulant respiratoire, mais l’implication des différents types de récepteurs de progesterone dans ces effets n’est pas connue. La progesterone possède 2 types de récepteurs: des récepteurs nucléaires (nPR) et des récepteurs membranaires (mPR). nPR est exprimé dans le noyau du tractus solitatrius (NTS), un des noyaux du tronc cérébral impliquées dans le contrôle respiratoire. En revanche on ne sait pas si les mPR sont exprimés dans ce noyaux. Nous avons effectués des marquages immunohistochimiques sur des coupes de tronc cérébral de souris adultes (mâles). Une coloration dense a été trouvé pour les récepteurs mPRα et mPRβ dans les NTS caudal et rostral, le noyau vague et le noyau hypoglosse. mPRα est exprimé dans les corps cellulaires, tandis que mPRβ se trouve dans les fibres neuronales. Des experiences de double marquage en immunofluorescence montrent une co-localisation de mPRα et mPRβ dans des neurones exprimant la tyrosine hydroxylase, enzyme de synthèse des catécholamines dans le NTS. De plus, la 3β-hydroxystéroïde déshydrogénase, impliquée dans la synthèse de progestérone, est également exprimé dans le NTS. Ces résultats suggèrent que mPRα et mPRβ peuvent jouer un rôle dans le contrôle respiratoire et que la synthèse de progestérone locale peut moduler la fonction respiratoire. / Progesterone is a potent respiratory stimulant, but the implication of progesterone receptor subtypes on this effect are not known. Progesterone has two main types of receptors, the "classical" nuclear receptor, and the recently identified membrane progesterone receptors. While it has been shown that the nuclear progesterone receptor is expressed in the nucleus tractus solitatrius, a brainstem nuclei involved in respiratory control, much less is known relatively to the expression of membrane progesterone receptors in this area. Accordingly, we used immunohistochemistry to determine the localization of membrane progesterone receptors (mPR) in respiratory-related areas in the brainstem of adult male mice. Serial slices were incubated with antibodies against alpha and beta mPR (mPRα and mPRβ). A prominent staining for mPRα, and mPRβ appeared in caudal and rostral parts of the nucleus tractus solitarius (NTS), X and XII nuclei, but while mPRα stained cell bodies, mPRβ stained fibers. With double fluorescence labeling and confocal microscopy we showed that mPRα is co-localized in catecholaminergic neurons (TH+) in NTS. mPRβ is expressed in TH+ fibers in these regions. Furthermore, 3β- hydroxysteroid dehydrogenase (3β-HSD), which is involved in progesterone synthesis, was also densily expressed in these regions. These results suggest that mPRα and mPRβ may play a role in respiratory control, and that local progesterone synthesis may modulate respiratory function.

Cette étude résume certains concepts liés à l’anesthésie générale, détaille les mécanismes d’action de l’isoflurane, un anesthésiant volatil, et aborde le phénomène du burst-suppression. Elle vise principalement la compréhension de l’impact de l’isoflurane, à des doses amenant le burst-suppression, sur l’inhibition dans le réseau thalamo-cortical. Nous effectuons des enregistrements intracellulaires de neurones corticaux in vivo et de potentiels de champs locaux à différentes doses d’anesthésiants chez le chat. Conjointement à ces enregistrements, nous appliquons des drogues en iontophorèse en péri-synaptique des neurones enregistrés et nous stimulons les noyaux thalamiques projetant dans les aires corticales enregistrées. Nous suggérons que l’isoflurane amène une diminution de l’inhibition corticale, via une plus grande recapture du glutamate par les glies, ce qui diminue l’activation des interneurones corticaux. / This study summarizes some concepts about general anesthesia, details the mechanisms of action of the volatile anesthetic isoflurane and describes the phenomenon of burst-suppression. It aims at understanding the impact of isoflurane, under doses sufficient to induce burst-suppression, on inhibition in the thalamo-cortical network. We performed intracellular recordings of cortical neurons in vivo and local field potentials under different doses of anesthesia in cats. Additionally, we applied drugs in iontophoresis in the perisynaptic space of the recorded neurons and we stimulated thalamic nuclei projecting to the areas where recordings were performed. We suggest that isoflurane diminishes the cortical inhibition, by an increase of the glutamate uptake by glial cells leading to a diminished activation of cortical interneurons. / Inscrite au Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures

Nous avons mené une étude à deux volets sur la préparation du tronc cérébral isolé du poisson rouge (Carassius auratus; Linnaeus). Le premier volet porte sur la chémosensibilité centrale du poisson rouge. Nos résultats nous révèlent qu’une diminution de la PO2 dans le superfusat engendre une augmentation de la fréquence des décharges respiratoires tandis qu’une diminution du pH du superfusat, suite à l’augmentation de sa PCO2, n’influence pas le rythme respiratoire. Le deuxième volet porte sur l’importance relative de l’inhibition réciproque chlore-dépendante dans la rythmogenèse respiratoire. Ici, nos résultats nous indique que la perturbation de ce mécanisme via 1) la superfusion du tronc cérébral isolé avec un superfusat sans ion chlorure aboli le rythme respiratoire, 2) l’activation des récepteurs GABAergiques avec du GABA exogène diminue la fréquence des décharges respiratoires et 3) l’inactivation simultanée des récepteurs GABAergiques et glycinergiques à l’aide d’antagonistes augmente la fréquence et l’amplitude des décharges respiratoires. / We conducted a two-part in vitro study on the isolated brainstem preparation of the goldfish (Carassius auratus; Linnaeus). In the first part, we investigated the central chemosensibility of the goldfish. Our results indicate that decreasing the PO2 of the superfusate increases the frequency of the fictive respiratory bursts. However, decreasing the pH of the superfusate by increasing its PCO2 had no effect on the respiratory rhythm. In the second part, we investigated the relative importance of GABA- or glycine-mediated Cl--dependent reciprocal inhibition for respiratory rhythmogenesis by disrupting this mechanism with three different treatments. Here, our results indicate that 1) bathing the brainstem in a Cl--free superfusate abolishes the respiratory rhythm, 2) activating GABA receptors with exogenous GABA decreases the frequency of the fictive respiratory bursts and 3) simultaneously inactivating GABA receptors and glycine receptors with antagonists increases both the frequency and the amplitude of the fictive respiratory bursts.

La maladie d’Alzheimer (MA) représente aujourd’hui la forme de démence la plus commune pour laquelle il n’existe toujours pas de traitement curatif. Dans le cerveau, elle se caractérise par la présence de deux agrégats protéiques majeurs : les plaques amyloïdes qui résultent de l’accumulation extracellulaire d’un peptide nommé peptide amyloïde, et les enchevêtrements neurofibrillaires correspondant à l’agrégation intra-neuronale d’une protéine nommée Tau qui se trouve dans un état anormalement hyperphosphorylé. La pathologie Tau est importante puisque son étendue corrèle avec le degré du déficit cognitif retrouvé dans la MA. Seule une petite proportion des cas de la MA est causée par des mutations génétiques. En revanche, l’étiologie de la majorité des cas (~99%), qui est d’origine sporadique et à apparition tardive, semble être multifactorielle, avec des facteurs externes pouvant interagir avec des susceptibilités biologiques ou génétiques afin d’accélérer la manifestation de la maladie. Au cours de la dernière décennie, des données cliniques et précliniques émergentes suggèrent que le diabète sucré et la dysfonction de l’insuline qui l’accompagne pourrait représenter l’un de ces facteurs. En plus de son rôle métabolique, l’insuline a été rapportée pour avoir un rôle neurotrophique et régulateur dans le cerveau humain. Plus particulièrement, des études in vitro ont montré que l’insuline est capable de moduler la phosphorylation de Tau dans les cellules neuronales. Cette hypothèse a été par la suite renforcée par les observations d’hyperphosphorylation de Tau dans les cerveaux de souris montrant des anomalies au niveau de la signalisation de l’insuline. Malgré toutes ces données, on connaît très peu concernant l’impact du diabète sur la pathologie Tau in vivo. Le but global de ce projet de doctorat a été donc de clarifier l’impact du diabète sur la pathogenèse de la protéine Tau, dans deux modèles génétiques de diabète de type 1 (DT1) et diabète de type 2 (DT2), qui sont les souris NOD (non-obese-diabetic) et les souris ob/ob, respectivement. Nos résultats montrent que le DT1 entraine une hyperphosphorylation progressive de Tau qui commence à être détectée même en absence de toute dérégulation dans le métabolisme du glucose. De plus, cette hyperphosphorylation est plus prononcée en présence des caractéristiques du DT1 (hyperglycémie et glycosurie) et encore plus amplifiée en présence de l’hypothermie. D’une manière intéressante, nos résultats suggèrent que l’hyperphosphorylation de Tau chez ces souris corrèle avec une dérégulation de PP2A (protein phosphatase 2A), l’une des phosphatases les plus importantes de Tau in vivo. Quant au DT2, nos résultats montrent une hyperphosphorylation de Tau chez les souris ob/ob à 4 et 26 semaines, au niveau de plusieurs sites spécifiques. De plus, ces souris développent une hypothermie modérée, mais le rétablissement de la normothermie ne restaure pas les niveaux de phosphorylation de Tau, ce qui suggère que cette hyperphosphorylation serait plutôt la conséquence des composantes du DT2, et non pas de l’hypothermie qui en résulte. D’une manière intéressante, nos résultats ne montrent pas de dérégulation au niveau des protéines impliquées dans la voie de signalisation de l’insuline, suggérant par conséquent que, d’autres facteurs, probablement associés à l’obésité, pourraient contribuer à l’hyperphosphorylation de Tau dans le DT2. La compréhension des mécanismes qui sous-tendent la corrélation entre la dysfonction de l’insuline et la pathologie Tau aidera par la suite à trouver de nouvelles cibles thérapeutiques visant à contrôler la progression de la maladie. / Alzheimer’s disease (AD) is the leading form of dementia. There is actually no cure for AD, but even a treatment that would slow down the progression of the disease by 5 or 10 years will have a tremendous socio-economic impact for Canada. The neuropathological hallmarks of Alzheimer's disease include senile plaques of -amyloid (A) peptides (a cleavage product of the amyloid precursor protein, or APP), and neurofibrillary tangles (NFT) of hyperphosphorylated Tau protein assembled in paired helical filaments (PHF). NFT pathology is important since it correlates with the degree of cognitive impairment in AD. Only a small proportion of AD is due to genetic variants, the large majority of cases (~99%) is late onset and sporadic in origin. The cause of sporadic AD is likely to be multifactorial, with external factors interacting with biological or genetic susceptibilities to accelerate the manifestation of the disease. Diabetes mellitus (DM) might be such factor, as there is extensive data from epidemiological studies suggesting that DM is associated with an increased relative risk for AD. Type 1 diabetes (T1DM) and type 2 diabetes (T2DM) are known to affect multiple cognitive functions in patients. However, the consequences of both type of diabetes on AD pathology are not well understood. The challenge is therefore to better understand the mechanisms of AD pathology and how they are affected by factors such as diabetes. The overall goal of this project is therefore to clarify the impacts that diabetes have on Tau protein pathogenesis, in two well-characterized mouse models of T1DM and T2DM: NOD (non-obese diabetic) and ob/ob mice, respectively. Our data suggest that spontaneous T1DM provokes a progressive Tau hyperphosphorylation that begin to be detectable in adult mice even during the non-diabetic stage, where there is no apparent deregulation of glucose metabolism. We further show that Tau phosphorylation is greatly exacerbated in the presence of principal T1DM features, notably hyperglycemia and glycosuria, and further amplified by hypothermia. Finally, we demonstrate that Tau hyperphosphorylation during T1DM is likely attributable to a deregulation in PP2A (protein phosphatase 2A), the major Tau phosphatase in vivo. Furthermore, we show that ob/ob male mice aged 4 and 26 weeks present Tau hyperphosphorylation at specific sites, but also have mild hypothermia. However, restoring normothermia did not rescue Tau hyperphosphorylation to control levels. These data indicate that Tau hyperphosphorylation accompanies major features of T2DM. Interestingly, we did not observe any deregulation in the proteins implicated in the insulin-signaling pathway, suggesting that other obesity-associated factors, contribute to Tau phosphorylation in ob/ob mice. In turn, this understanding will help the development of treatments or life-style strategies destined to check the advance of the disease.

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